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據外媒報道，歐空局和日本聯合研製的貝皮科倫(lun) 布水星探測器將在2023年6月再次飛越水星，而這個(ge) 2018年10月發射的探測器，要到2025年12月才能最終進入環繞水星的軌道。“貝皮科倫(lun) 布”在長達7年多的時間裏，需要不時和地球、金星和水星擦肩而過。那麽(me) ，深空探測器為(wei) 啥要不停地與(yu) 其他行星擦肩而過才能到達目的地，而不是直接飛向目標呢？

貝皮科倫(lun) 布水星探測器示意圖

動力羸弱跑圈飛

水星公轉平均半徑約5790萬(wan) 公裏，而地球公轉半徑約1.5億(yi) 公裏，但“貝皮科倫(lun) 布”卻沒法直接從(cong) 地球飛向水星，而是要繞著太陽係飛很多圈。按計劃，該探測器自2018年10月發射以來，先後要飛越1次地球、2次金星和6次水星才能進入環繞水星的軌道。

貝皮科倫(lun) 布水星探測器飛行軌跡示意圖

眾(zhong) 所周知，兩(liang) 地之間直線距離最短，“貝皮科倫(lun) 布”需要花費大量時間繞圈是不得已的苦衷。

地球和水星都繞著太陽公轉，從(cong) 地球飛向水星類似衛星從(cong) 地球高軌道變軌進入低軌道，都是一個(ge) 減速過程。行星的公轉速度遠比衛星環繞地球的速度快，降低軌道的難度較高。如果“貝皮科倫(lun) 布”直接射入一個(ge) 近日點5790萬(wan) 公裏，遠日點1.5億(yi) 公裏的橢圓繞日軌道，不僅(jin) 需要將探測器射入逃逸出地球引力的雙曲線軌道，還得為(wei) 探測器提供超過7公裏/秒的剩餘(yu) 速度。

“貝皮科倫(lun) 布”使用阿裏安5ECA火箭發射升空，脫離地球引力圈後剩餘(yu) 的速度隻有3.475公裏/秒，遠達不到7公裏/秒的速度要求。如果使用探測器的發動機變軌，需要消耗大量的燃料。因此，最實用的辦法就是利用大行星引力，借力助推探測器變軌。

引力輔助探測器變軌，雖然探測器和行星的相對速度沒有變化，但探測器速度的方向則改變了，產(chan) 生的效果就像探測器被行星彈開一樣。

根據軌道設計的不同，探測器被行星彈射後，相對太陽的速度增加或減少，從(cong) 而實現了無需燃料變軌的目的。引力輔助探測器變軌實施的效果就是以時間空間換速度。說到底，探測器借助行星引力繞圈變軌是動力不足導致的無奈選擇。

引力變軌價(jia) 值高

回顧深空探測曆史會(hui) 發現，引力輔助探測器變軌在很多任務中發揮著無可取代的作用。

一般地說，從(cong) 地球出發前往月球，以及臨(lin) 近的金星、火星的探測器，都不需要引力輔助變軌，但更遠的天體(ti) 比如木星，可能就需要引力來加速。例如，美國的朱諾號木星探測器就進行了一次地球飛越，獲得了超過3.9公裏/秒的加速後才前往木星。

如果少了借力地球引力帶來的3.9公裏/秒的加速，隻使用探測器發動機工作提供同等的加速，那朱諾號探測器的幹重就會(hui) 降低到現在的幾分之一，能攜帶的探測載荷就十分少。

從(cong) 美國的“水手10號”到“信使號”，再到“貝皮科倫(lun) 布”，人類僅(jin) 有的3個(ge) 水星探測器都使用了引力輔助變軌，這是火箭和探測器推進係統限製下的最佳選擇。

對水星或木星探測器來說，引力輔助變軌雖然收益巨大，但並非真的不能直飛目的地。美國的旅行者號探測器就是發射後直接飛向木星，後來的新視野號探測器也是如此。

截至目前，雖然人類還沒有直飛水星軌道的探測器，但美國發射的帕克號太陽探測器在入軌後，其繞日軌道的近日點就在水星軌道內(nei) 側(ce) 。

對於(yu) 其他一些深空探測器來說，引力輔助變軌是必不可少的選擇，著名的尤利西斯號太陽探測器，它發射升空借助木星引力變軌後，軌道麵變為(wei) 和黃道麵夾角80.2度的軌道，讓人類第一次看到了太陽南北極區。

新動力帶來新轉機

利用大行星引力輔助變軌是目前人類執行高加速需求深空探測的首選方案。相對於(yu) 現有的化學能推進係統，行星環繞太陽的速度很快，變軌需要的速度增量很大，而改變軌道傾(qing) 角的加速需求也高，因此，引力輔助探測器變軌是現實的最佳途徑。

為(wei) 更好地讓探測器快速飛抵目的地，人類已經研製和提出了一批高比衝(chong) 的先進發動機概念，為(wei) 擺脫“時間換速度”的引力輔助變軌提供了契機。

新型推進係統最實用的當屬高比衝(chong) 的電推發動機。目前，霍爾電推或離子電推能做到3-4000秒的高比衝(chong) ，雖然現有電推發動機的推力還很小，但它已經在實際使用中展示了光明的應用前景。

美國的黎明號小行星探測器使用3台NEXT電推發動機，11年壽命期間為(wei) 探測器提供了總計超過10公裏/秒的速度增量。這樣的加速能力是使用傳(chuan) 統發動機的探測器望塵莫及的。

黎明號小行星探測器示意圖

不過，“黎明號”也通過了火星引力加速，以更快的速度前往小行星帶。將來有了更大的電推發動機後，深空探測器對引力輔助變軌的需求就會(hui) 大大降低。

目前，美、俄等國家都在研製推力達數牛頓的大推力電推發動機，美國一些公司還在研製新概念的可變比衝(chong) 磁等離子體(ti) 火箭發動機（VASIMR）。

美國曾有用大功率電推發動機送航天員登陸木衛的大膽設想，得益於(yu) 高比衝(chong) 大推力的電推發動機，在軌道設計時也無需借助地球或火星的引力變軌，以讓探測器更快地飛向木星。

VASIMR發動機不僅(jin) 比衝(chong) 能達到3000-50000秒，且推力更容易放大。如果使用20萬(wan) 千瓦功率的超級VASIMR發動機，最快可以讓航天員在39天內(nei) 抵達火星。

如果將來VASIMR發動機走向實用化，像“尤利西斯”這樣級別的太陽極地探測器，甚至飛向太陽係外的星際探測器，也無需借助大行星的引力變軌就可以憑借“蠻力”直飛目的地。（作者：張雪鬆）

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