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行星|漂洋过海到隔壁——“信使号”的奇妙旅行

地球行星太阳新视野号冥王星水星

翻阅行星探测史时 ， 会发现一些匪夷所思的数字 。 比如：
美国“信使号”（MESSENGER）2004年8月3日发射 ， 2011年3月18日进入环绕水星飞行的轨道 。 历时6年7个月 。
美国“新视野号”（New Horizons）2006年1月19日发射 ， 2015年7月14日飞越冥王星 ， 历时9年半 。
水星是距离太阳最近的行星 ， 跑在地球的内圈 ， 即使和地球隔着太阳遥遥相对（所谓“上合”）时 ， 最远也不过1.5个天文单位（AU ， 即日地平均距离） 。 而冥王星曾是最遥远的行星（至少 ， “新视野号”发射时 ， 它还是呐） ， “新视野号”遇见冥王星时 ， 已经离地球32AU了 。
为什么跑到冥王星只用了9年半 ， 而到水星却要超过6年半呢？是不是“信使号”项目组把科研经费A掉了？
其实 ， 一切都出于无奈 。 水星的公转轨道位于太阳重力场的深处 。 探测器从地球出发 ， 如果画一条简单弧线去水星 ， 那么 ， 与其说它前往水星 ， 还不如说它在坠向太阳 。 打个比方：四楼阳台上 ， 一个大汉手滑 ， 丢下一个铅球 ， 嚷着让二楼阳台的孩子接住 ， 结果会怎样呢？
行星|漂洋过海到隔壁——“信使号”的奇妙旅行
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地球就是四楼的大汉 ， 水星就是二楼的孩子 。 已经挣脱地球引力的探测器 ， 再被质量巨大的太阳持续加速之后 ， 表面重力加速度只有地球38%的水星根本抓不住它 。
假如不考虑绕飞 ， 而只是从表面掠过的话 ， 项目就会容易得多 。 “水手10号”探测器（Mariner 10） ， 1973年11月3日发射 ， 只花了3个月（次年2月5日）就跑到水星身边了 。 但它跑得实在太快 ， 无法入轨 ， 最终围着太阳转了下去 ， 和行星们平起平坐 ， 级别还挺高呢 。
其实拿“新视野号”来比较 ， 并不太公平 ， 对吧 。 “新视野号”也只是飞掠 ， 倘若任务是绕冥飞行的话 ， 就也要考虑抵达速度和刹车问题 ， 不能跑太快 。 更公平的比较对象 ， 是用了6年8个月落户土星的“卡西尼号”（Cassini） 。
回到原题上来 。 那么 ， 我们多装些推进剂 ， 让探测器自己猛踩刹车 ， 行不行？
真不行 。 即便是很“省油”的最终方案 ， 推进剂依然占掉了探测器总质量的54% ， 再加燃料的话 ， 就要换重型火箭才能升空 。 并且 ， 推进剂容器和隔热系统（对于阳光炽烈的水星探测很重要！）全都要重新设计 ， 项目组承受不了这个成本 。 在约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的官网上 ， 项目组答问时 ， 非常老实地说：这个项目 ， 推迟升空的话 ， 就基本会被砍掉了……
推进剂对于“信使号”入轨后的科研工作也很宝贵 。 水星太小了 ， 太阳太近太大了 ， 在强烈的引力干扰下 ， 绕飞水星需要大量燃料维持轨道 。 把推进剂留给科研探测 ， 比花在路上值 。
于是 ， “信使号”前往水星时 ， 利用行星引力逐层降轨 ， 走了极其迂回的一条道路 ， 参与引力变轨的行星有地球、金星甚至水星自己 。 这个方案省油耗时 。 发射升空后 ， 它飞掠了1次地球、2次金星、3次水星 ， 到第4次遇见水星时 ， 才算正式抵达 。
2004年8月3日上天后 ， 它先沿着近似地球轨道的椭圆兜了一圈 ， 过了整整一个地球年 ， 2005年8月2日 ， 它再次和地球会合 ， 并被地球引力甩向内圈 。 然后 ， 它在地球和金星之间转了近3圈 ， 期间2次飞掠金星 。
行星|漂洋过海到隔壁——“信使号”的奇妙旅行
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第1次飞掠时 ， 它把轨道调整为和金星公转周期同步 。 这样 ， 经过整整一个金星年（225天） ， 它们就可以在同一点再次相遇 。
2007年6月5日 ， “信使号”第2次飞掠金星 ， 并被丢往水星方向 。 它的轨道变成一个很扁的椭圆 ， 近日点在水星轨道、远日点在金星轨道 。
换言之 ， 刚才说的四楼大汉丢铅球 ， 现在挪到三楼丢了 ， 二楼的小朋友感觉好了些 。
不过 ， 此时的“信使号”通过近日点（即水星轨道）时 ， 秒速大约62.5千米 ， 水星还是接不住（水星公转秒速39~59千米） 。 事实上 ， “信使号”升空后不到3年半（2008年1月14日） ， 就已到过水星 ， 只是这次刹不住车 ， 喊声“嗨”就绝尘而去了 。
怎么办呢？一次接不住 ， 那就多见几次面 ， 每次慢一点吧 。 为了和水星约会 ， “信使号”陆续做了5次深空变轨（DSM） 。 它耐心地围着太阳转了11圈半 ， 期间遇到3次水星 。 每次见面 ， 它都把速度降一点 ， 把轨道缩一点 。 到第4次相会时 ， 水星终于能够留住它了 。
2011年3月18日 ， “信使号”正式进入环水轨道 ， 成了水星的一颗人造卫星 。 此刻它离地球1.6亿千米 ， 可是回顾来路 ， 它已经绕日飞行了15.2圈 ， 全程79亿千米 ， 相当于从天王星走直线到太阳 ， 再走直线去一趟“新视野号”遇见冥王星的位置 。
咦？这么说 ， “信使号”走这么“慢”情有可原了 。 但是 ， 它6年半走了一个天王星加一个冥王星 ， 而“新视野号”花9年半才到冥王星 ， 那么 ， 是“新视野号”项目组A掉了科研经费？
其实也没有 。 “信使号”的6年半 ， 一直在太阳附近高速运行 ， 而“新视野号”则脸朝外飞 ， 被太阳拖着后腿 ， 越飞越慢 。 越过木星轨道后 ， 速度已经降到每秒十几千米 。 只不过 ， 在水星附近 ， 飞到每秒四五十千米依然跳不出太阳的手心 ， 而在木星以外 ， 十几千米的秒速就足以冲出太阳系了 。
【行星|漂洋过海到隔壁——“信使号”的奇妙旅行】“信使号”的轨迹 ， 虽前无古人 ， 却后有来者 。 2018年10月20日 ， 欧洲空间局的“贝皮可伦坡号”（BepiColombo）绕水探测器发射升空 ， 它也会采用“信使号”式的路径 ， 眼睛瞅着别处 ， 假装随便逛逛 ， 飞掠1次地球、2次金星、6次水星 ， 到第7次才入轨 。 一切顺利的话 ， 它将在2025年11月2日入轨 ， 全程耗时7年出头 ， 比“信使号”还要多出5个月 。
由于前往水星的路上节省了大量推进剂 ， “信使号”花了7个月完成既定探测项目后 ， 又加班3年半 ， 直到2015年4月30日才坠落水星 。 能在绕水轨道上坚持4年多 ， 非常了不起 。 看似浪费时间的路径 ， 还是很值得的 。
中国的小行星探测任务正在规划中 。 国家航天局副局长吴艳华日前曾表示 ， “我们还规划了三次行星探测任务 ， 包括一次小行星的探测和取样 ， 一次火星的采样返回 ， 还有一次木星系环绕探测和行星穿越探测” 。
期待未来 ， 中国的探测器触及这些美丽又神秘的星体 。


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