每一个大技术变革时代，总会带来交通工具的巨大更新(xīn)。轮船、飞机和载人飞船让人类的足迹从地表延伸到了太空。尤其是载人飞船和与它配套的运载火箭等技术的出现，让人类有(yǒu)了挑战地球重力的能(néng)力。

但离开地球引力的束缚后，星际旅行也并非是一片坦途。逃离地月系统后，我们将面对的是更加复杂的引力世界，既有(yǒu)地球质量30多(duō)万倍的太阳引力，也有(yǒu)木(mù)星、土星等巨行星带来的引力摄动，甚至连太阳光照射到飞船上造成的光压，都需要详细考虑——这会对星际旅行飞船的轨道产生很(hěn)大影响。

当3个物(wù)體(tǐ)在引力作用(yòng)下自由移动时，它们的轨道就完全无法预测，没有(yǒu)准确模型能(néng)够描述，只能(néng)不断给出限定和假设，尝试通过各种数值法去逼近，这就是..的“三體(tǐ)问题无解”。而实际上，太阳系内有(yǒu)各种天體(tǐ)带来的挑战，例如恒星、行星、矮行星、卫星、小(xiǎo)行星、彗星、空间碎片、星际分(fēn)子云，甚至人类尚未发现的天體(tǐ)等，这种环境下飞船必须进行频繁的轨道修正和深空机动。

星际旅行也无法实现科(kē)幻電(diàn)影中的发动机启动后便“直来直去”，真实的太空旅行必须依赖探测窗口期，这主要是太阳系内天體(tǐ)的相对位置导致的。以地球和火星為(wèi)例，地球公转约365天，火星约687天，且它们的轨道均不是正圆形。这意味着地球和火星之间的距离在时刻变化，从5500万千米到4亿千米不等。

从地球的视角来看，每隔大约780天(约26个月)就会和火星.接近一次，这叫做会合周期。如果利用(yòng)这个窗口期，在二者会合发生前数月，提前发射火星探测器，就会..程度降低对运载火箭的能(néng)力要求，提高任務(wù)成功率。目前人类的火星探测基本都遵循这个原则选择发射机会，未来去火星的旅行航班，毫无疑问也要遵循这个规律。

同样的道理(lǐ)，对于探测地球的另一个邻居金星而言，会合周期约為(wèi)584天，上世纪60—80年代是人类探测金星的浪潮期，近40个探测任務(wù)就是遵循这个规律寻找..的发射窗口。

对于更遠(yuǎn)的旅程，情况就比较复杂了。例如，水星是距离太阳.近的行星，仅88天就围绕太阳一周。尽管它和地球之间隔着金星，却是.常和地球见面(距离更近)的“邻居”。理(lǐ)论上讲，地球与水星的会合周期為(wèi)116天，可(kě)以经常探测，但实际情况并不这么简单。

水星太靠近太阳，探测器会受到太阳引力和辐射的巨大干扰。且水星质量很(hěn)小(xiǎo)，引力主导半径也被太阳引力压缩到仅為(wèi)17万千米。这对于高速冲进太阳系内部的探测器而言，直接制动刹車(chē)和被水星引力俘获难度极大，必须利用(yòng)金星和地球的引力反复改变速度和方向，整个过程持续数年。综合考虑各个天體(tǐ)几何关系和火箭发射能(néng)力，对水星的理(lǐ)想探测窗口间隔遠(yuǎn)超116天，往往数年才有(yǒu)一次好机会。

木(mù)星和土星探测亦是如此。理(lǐ)论上地球和它们的会合周期较短，分(fēn)别為(wèi)399天(木(mù)星)和378天(土星)，几乎每年都可(kě)以探测。但它们已经属于太阳系外围行星，环绕太阳平均轨道半径达到7.8亿千米(木(mù)星)和14.4亿千米(土星)，这意味着探测器需要跨过漫長(cháng)的太阳系空间，持续数年才能(néng)抵达。

在实际情况下，对木(mù)星和土星的探测任務(wù)依然需要借助地球、木(mù)星甚至金星的引力助推，才能(néng)..限度降低对火箭要求，实现既定目标。以人类史上..的土星环绕探测器——卡西尼号為(wèi)例，它在发射后..站并非是太阳系外，而是向内飞向金星，并连续两次利用(yòng)金星引力进行助推，再连续通过地球和木(mù)星引力助推.终飞抵土星，整个飞行时间長(cháng)达7年。

对于太阳系内更外围的天王星、海王星、冥王星和柯伊伯带天體(tǐ)等，那里的太阳能(néng)已经微弱到无法用(yòng)来给探测器供能(néng)，导致探测和旅行的难度进一步增加。人类甚至尚没有(yǒu)足够能(néng)力发射能(néng)够环绕它们的探测器，而仅能(néng)从遠(yuǎn)处飞掠。即便如此，这些“惊鸿一瞥”的任務(wù)已经造价不菲。例如，人类..飞掠冥王星的新(xīn)视野号探测器花(huā)费就超过了8亿美元，但它只探测了冥王星和一颗太阳系边缘的小(xiǎo)天體(tǐ)“天涯海角”，真正有(yǒu)效的观测时间仅数天。

因而，尽管地球与这些外围天體(tǐ)的会合周期极短(略多(duō)于1年)，但距离遥遠(yuǎn)和复杂的引力环境成為(wèi)现今运载火箭技术难以跨越的天堑。人类进入航天时代以来，仅有(yǒu)1977年发射的旅行者二号飞掠了木(mù)星、土星、天王星和海王星这四大太阳系外围行星，它在飞行过程中通过木(mù)星、土星、天王星等连续引力助推才能(néng)实现目标。这意味着它必须找到这些遥遠(yuǎn)天體(tǐ)的..几何关系，完成每一步精准借力。而这种完美的几何关系，仅约165年才发生一次，成為(wèi)很(hěn)多(duō)人一生都无法等到的时机。去太阳系外围行星甚至太阳系边界完成一次旅行的代价更是可(kě)想而知。人类面对强大的太阳引力桎梏，依然显得渺小(xiǎo)脆弱。

(来源：中國(guó)國(guó)家天文(wén))

转自人民(mín)网