九天揽月:太空探索史话

航天器被运载火箭推向太空之后，就变成了一颗“星星”。也就是说，仅仅从引力的角度看，它们可以和其他宇宙中的自然天体一样，遵循引力定律而在一定的轨道上运动。不同的是，只要它们还能与地球通信，只要它们的引擎能启动，还有足够的燃料，发射它们的地球人就还有可能控制和改变它们的运动。就像飞上蓝天的风筝，飞得再高，也还有一根牵连的细线被主人抓在手上！所以，太空中的航天器有两种基本的运动方式：自由飞行段和主动飞行段。 前者指的是按照引力规律自由运动的阶段，比如说卫星绕着地球转圈就是不需要引擎的。后者则指航天器上的发动机点火阶段。什么时候需要将发动机点火呢？那是需要将航天器从一个轨道做一点改变，或者是“跳”到另一个轨道的时候。比如说，要从环绕地球的轨道“跳”到环绕月球的轨道。这种情况一般不会自动发生，需要人为地“遥控”、预先设定，或者由宇航员操作。这种人为点火而改变运行轨道的技术，称作“轨道机动”。既然是人为地改变，就要达到各种不同的目的，因此轨道机动实际上包括了轨道转移、轨道交会、轨道保持和修正、改变轨道平面等不同的目的。再以刚才说的人造地球卫星为例， 虽然卫星绕地球转不需要引擎，但时间长了后，因为摄动力的原因，轨道可能会偏离我们的要求，这时候就可能需要人为的“机动”来进行修正。发射到远处星球的航天器就更不用说了，漫长征途中需要多次“变轨”。 轨道机动除了改变轨道之外，还可以控制航天器的方向和“姿态”以达到某种目的，这点在载人航天返回地球或降落到月球和其他星球时特别重要。就像飞机一样，保持正确的姿态才能安全着陆，否则后果便不堪设想了。 因此，航天器比天然星体更具优越性，因为它们的轨道可以人为地进行选择。但这个优越性是以“携带燃料”作“机动”换来的。航天器能够携带的燃料有限，因此，航天器的轨道设计者便希望能更多地利用“自然飞行”，尽量少作机动。这其中用得很多的方法叫作“引力助推”。 1.??引力助推 如果有人问你，人类飞向太空的**阻力是什么？大多数人会不约而同地回答：是引力。的确如此，人类实现飞天梦的*大困难就是克服地球的引力。我们从中学物理中就学到了如何计算几个宇宙速度，那是人类摆脱地球或太阳引力的束缚冲向太空的几道门槛：如果达到**宇宙速度（7.9 km/s）能让物体围绕地球旋转；如果达到第二宇宙速度（11.2 km/s）便可以克服地球引力，绕着太阳转；第三宇宙速度（16.7 km/s）标志着能够摆脱太阳的引力羁绊。 不过，想跨越这几个门槛谈何容易？人类努力了几十年，迄今为止发射速度*快的航天器“新视野号”（new horizons），2006 年发射时相对地球的速度为16.26 km/s，尚未达到第三宇宙速度。然而，人类于 39 年前发射的两个“旅行者号”探测器（voyager1 和 voyager 2），旅行中的*高速度却大大超过了这个速度。这其中有何奥秘呢？人造飞行器额外的动能从何而来？ 以上问题的答案也是：引力。也就是说，对人类发射的航天飞行器而言，引力有时是阻力，有时又可能成为“推力”。我们可以利用太阳系中各大行星与飞行器间的引力作用，来加速飞行器。换个通俗的说法，让飞行器从高速运动的行星旁边掠过，顺便从行星身上“揩点油”，让自己得到加速度。 这种方法叫作“引力助推”，航天技术中经常使用来改变飞行器的轨道和速度，以此节省燃料、时间和成本，这种方法既可用于加速飞行器，也可用于在一定的情况下降低飞行器的速度。 图 9-1（a）中的曲线所示，便是“旅行者 2 号”的速度在飞行过程中的变化情形。注意图中的速度是相对于太阳系坐标而言，因而与我们提及的相对于地球坐标而言的“宇宙速度”值有所区别，其差值是地球的公转速度，大约 30 km/s。曲线上的 4 个尖峰分别代表该飞行器在木星、土星、天王星、海王星经过时因为“引力助推”而产生的速度变化。图中也画出了 NASA 在 2006 年 1 月发射的“新视野号”的速度曲线，与“旅行者号”的速度曲线相比较，明显地看出在 4 个行星附近，“引力助推”对“旅行者 2 号”的加速作用。图 9-1（b）则显示了两个“旅行者号”探测器的行程。 不过，采用引力助推的方法也要等待时机。在 1964 年夏天，NASA 喷气推进实验室一位名为弗朗德鲁（Flandro）的研究员，负责研究探索太阳系外行星的任务。弗朗德鲁经过计算研究木星、土星、天王星和海王星的运动规律，发现了一个 176 年才有一次的*好时机，那段时间（大约 12 年）内，木星、土星、天王星和海王星都将位于太阳的同一侧，形成一个特别的行星几何排阵，是实现“引力助推”的理想地点。基于这点，专家们促使 NASA 启动了“旅行者号”探测器计划。 1977 年 8 月 20 日和 9 月 5 日，“旅行者 2 号”和“旅行者 1 号”分别从佛罗里达州的航天中心发射【4】，她们是两个几乎一模一样的“双胞胎姐妹”航天器，携带着镌刻了地球人类的消息和录音的金唱片，她们的计算机内存只有 64 kB（很多年前的老古董电子设备，诸位可想而知是什么模样！）。“旅行者 2 号”比她“姐姐”的速度稍慢一点，但她成果不菲，顺利完成了造访 4 个外行星的任务。这对“姐妹花”都曾经探测过土卫六的地貌，虽然不很成功，但也为后来的探索提供了许多有用的信息。土卫六是土星卫星中*大的一颗，被认为极有可能存在生命迹象！“旅行者 2 号”旅途中的 4 次“引力助推”，将原来需要 40 年完成的“4行星探索”任务，在 10 年左右的时间内就提前完成了！“旅行者 1 号”在很快地访问了木星和土星之后继续高速飞行，如今已经越过太阳系的边界，到达星际空间，成为飞出太阳系的**个人类使者。两位“旅行者”虽然早已完成为她们预订的任务，却并未“退休”，至今为止，仍然通过遥遥星空，每天向人类发来有用的资料。因为她们与地球相距遥远，这些信息要延迟 17 小时左右才能被人类收到。 2.??原理 *早（1918—1919）提出这个想法的是一位苏联物理学家尤里·康德拉图克。尤里于 1897 年生于苏联的乌克兰，是太空工程与航天学的一位先驱和理论家，曾被苏联政府流放和监禁，但他在艰难的环境下仍不忘钻研航天理论。后来，在第二次世界大战中，尤里自愿入伍加入苏联红军，并于 1943 年在战争中阵亡。 尽管精确地计算飞行器的引力助推过程需要复杂的数学，但其物理原理却可以用图 9-2 中的例子，简单地使用动量守恒定律来直观解释。引力助推也被称为“引力弹弓”，因为它与弹性碰撞颇为类似。它利用飞船与行星、太阳之间的万有引力，使行星与飞船交换轨道能量，像弹弓一样把飞船抛出去。如图 9-2（b）图所示，想象将一个篮球投向一列对面疾驶而来的火车。设篮球速度为 v1=5 m/s，火车速度 u=10 m/s，方向相反。*后结果如何？考虑火车的质量比篮球质量大很多，篮球质量几乎可以忽略不计的简单情况下，得到的结论是：在碰撞之后，篮球从火车那儿“捞了一把”，将以 v2=v1+2u=25 m/s 的速度向后方（火车的前方）飞去。火车因为质量大，速度几乎不变，仍然以原来的速度 u 照常行驶。人类发射到土星轨道附近的飞船与土星相遇时的情形便与刚才描述的“篮球撞火车”情形十分类似，只是飞船与土星并未直接接触，而是像图 9-2（a）所示的那样绕行过去，引力在其中扮演着重要的角色。两者的物理原理虽然不同，但*后效果却是类似的：飞船得到了两倍于土星速度的速度增加。