美国国家航空航天局的“灵神星”号探测器于周五(5月15日)飞越火星,俯冲到比火星那两颗小卫星都更靠近火星的位置。但这次时机掐得贼准的变轨操作并非为了研究火星,
相反,灵神星号探测器嗖地掠过火星,是把它当成引力弹弓,帮它朝着自己要去的那个同名小行星“灵神星”赶路。探测器飞抵距火星约2800英里(4500公里)处,自5月初以来,火星在“灵神星”号视野中持续地变得越来越大、越来越亮。
据美国国家航空航天局称,周五,“灵神星”号以约每小时12333英里(19848公里)的速度呼啸着冲过火星。此次飞越给灵神星号加了速,更重要的是,把它的飞行路线掰向了目的地——小行星“灵神星”(16 Psyche),这颗小行星在火星和木星之间绕太阳运行。
科学家认为,这颗宽173英里(280公里)的太空岩石可能是一颗碎裂原行星裸露的金属核心——它是岩石行星的原始构件,其外壳和地幔很可能在数十亿年前的灾难性碰撞中被剥离。如果确实如此,这项任务可能让人类头一回亲眼看到通常深埋在像地球这样的行星内部的物质。
火星当弹弓
周五的飞越是此次任务最重要的里程碑之一,既节省了宝贵的燃料,又让探测器踏上2029年抵达小行星的航线。
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这一机动就是现代航天飞行中最重要的技术之一——引力助推——的一个例子。通过精心飞过一颗运行中的行星,航天器能加速、变向,还能省推进剂,这样任务就能比单靠火箭飞得更远、更快。
这个概念听起来有点反直觉,就好像航天器凭空白白得到了能量。航天器落向行星时会加速,等它从行星的引力井里爬出来时又会减速。按常理说,这些增加和减少应该正好相互抵消。
不过,这一机动之所以能实现,靠的不只是行星的引力,还有行星本身绕太阳的运动。
火星正带着巨大的动量绕太阳飞驰。通过算好角度接近火星,再从另一个角度离开,灵神星号实际上偷走了一小部分火星的轨道能量。
这种动量交换遵循牛顿第三定律——每一个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力——因为航天器通过从火星借取微乎其微的一点点动量来获得速度,这种转移对火星来说几乎察觉不到,但对任务而言却是意义重大的。
“又聪明又便宜,而且特别巧妙……有点像在行星之间打台球,”NASA科学家沙丹·阿尔达兰曾参与该机构“朱诺”号探测木星的任务,他之前对Space.com说。
人类探索太空后院时,引力辅助早就是常用手段。这项技术可以追溯到1959年太空时代之初,当时苏联的“月球3号”探测器利用月球引力绕到月球背面,首次拍摄了月球背面的照片。
如果没有这类引力辅助操作,人类许多雄心勃勃的无人探测任务也不可能实现。美国宇航局的两艘“旅行者”号探测器在20世纪70年代末就曾利用外行星每176年一次的排列,借助引力弹弓从木星飞向土星,“旅行者2号”则继续前往天王星和海王星,完成了一次历史性的外太阳系大巡游。“卡西尼”号借助地球、金星和木星的引力辅助来提速,最终达到飞向土星所需的速度,而“新视野”号则飞掠木星,把前往冥王星的旅程缩短了几年。
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最近,NASA 历史性的 Artemis 2 任务也用了差不多的办法,走了一条“自由返回”轨道,利用月球引力把四名宇航员送回地球,不用在绕过月球背面后再来一次大动作的点火。
前往小行星带
根据一篇 10 月发表的论文,里面详细描述了这次机动:周五飞过火星时,“灵神星”号相对于太阳的速度变了大约每秒 2 公里。
“灵神星”号使用太阳能电推进,靠太阳能板把阳光变成电,再喷出带电的氙气来慢慢推着探测器往前走。这套系统效率很高,但推力很小,得长时间慢慢攒速度。
要是光靠推进器来达到同样的加速和变轨效果,那会贵得离谱,也不现实——需要的燃料得多到飞船根本装不下,而且还会让飞船更重,发射成本也跟着暴涨。
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火星飞掠让探测器借助行星引力完成大部分轨道调整,省下燃料供接下来的旅程使用。
就像一颗被球棒击出的棒球一样,灵神星号现在带着新的动力和调整后的轨道离开火星,奔向一个可能揭示行星内部究竟藏着什么的金属世界。它预计将于2029年7月抵达小行星16灵神星。
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