为什么到达水星需要这么长时间

地球与水星的距离平均是木星的 10 倍，但对两颗行星的飞行任务到达它们的科学轨道所需的时间也差不多。这是为什么？在 1970 年代，美国宇航局的水手 10 号飞船只用了 147 天就到达了太阳系最内层的行星。但最近的任务，如 2000 年代美国宇航局的信使号和 2018 年发射的欧日 BepiColombo，需要数年时间才能到达水星。原因是他们没有走同样的旅程。水手 10 在环绕太阳的轨道上飞越了水星 3 次，提供了我们第一次近距离观察水星表面，而信使号和 BepiColombo 则被设计成进入环绕地球的轨道并在更长的时间内进行更详细的科学调查。为了进入环绕水星的轨道，航天器需要以相对于其速度足够慢的速度到达行星，以便被其重力捕获。他们需要从原来的速度开始减速，而在空间的真空中减速，其实是相当复杂的。如果从地球发射的航天器瞄准外太阳系的行星，如木星或土星，它需要增加与太阳的距离。当我们向水星发送航天器时，它必须比地球更靠近太阳。但是物理定律要求航天器的总轨道能量将保持不变，除非我们找到一种方法来减少一些能量。减少与太阳距离相关的轨道能量部分会自动增加与速度相关的部分相同的数量。因此，随着航天器越来越接近太阳，它开始像汽车下坡一样加速。加速不一定是坏事。根据开普勒的行星运动第三定律，水星在其紧密的轨道上绕太阳旋转的速度比地球快得多。因此，我们前往水星的航天器必须获得一些速度才能赶上这颗小行星。不幸的是，如果不释放一些轨道能量，航天器将获得太多的速度并到达水星，因为它的移动速度太快而无法被其重力捕获，并且会飞过去。

我们的航天器需要释放的能量与在地球上下坡行驶时使用刹车减速的规模完全不同。以足够缓慢的速度到达水星以被其引力捕获，有点像从数百万公里高的悬崖上掉下来，然后轻轻地落在半途移动的目标上！为了仅使用推进器燃烧所有必要的轨道能量，我们的航天器将需要如此大量的燃料和额外的材料来支撑它，即使使用最强大的火箭，它也会变得太重而无法发射到地球轨道。相反，航天器可以利用它在前往目的地的途中接近的其他行星的强大引力来卸载多余的能量并改变其自身轨道的路径。根据航天器接近移动行星的方式，它可以增加或降低相对于太阳的速度。这使我们能够在不使用燃料的情况下向地球提供或从地球获取一些轨道能量，并改变航天器的速度。这种机动，被称为重力辅助机动、飞越、摆动或重力弹弓，使我们能够以紧张的燃料预算探索太阳系中的各种物体。如果我们想访问遥远​​的外行星和小天体，我们可以从火星或木星获取一些额外的能量。如果我们想访问水星，我们可以在路过时赠送一些给内行星。以正确的方式接近行星以完美地改变航天器的轨道需要大量的数学计算和仔细的计划。更重要的是，为了失去进入水星轨道所需的所有能量，我们必须进行多次飞越。就像台球运动员小心地排列他们的击球以确保母球在下一次击球时处于一个合适的位置，任务规划者必须为他们的航天器设计一条路线，让每一次飞越保持在正确的轨迹上在正确的时间正确的地点为下一个。

即使在每次飞越之间使用一些机载燃料来调整航天器的轨道，当宇宙台球在两次相遇之间穿过太空时，仍然需要数年才能卸载能量。因此，使用飞越来帮助航天器以足够慢的速度到达水星以进入轨道对于减少燃料需求非常有用，但会使到达小行星的旅程变得很长。这种将航天器送入环绕水星轨道并解决其背后数学问题的方法，让科学家和工程师困惑了几十年。即使在今天，仍然没有完美的公式来寻找航天器使用飞越到达行星的最佳路径。代表任务分析员计算这条路径需要专业知识和耐心。美国宇航局的水手 2 号航天器于 1962 年在金星进行了有史以来第一次成功的行星飞越。然而，这次相遇并不是为了改变航天器的轨迹，而是为了收集距离太阳第二近的行星的数据。使用飞越作为一种机动来纠正航天器前往另一颗行星的路径只会在大约十年后才开始。 1970 年，意大利数学家和工程师 Giuseppe 'Bepi' Colombo 提出，飞越金星将使 NASA 的水手 10 号航天器能够绕过水星 3 次，而不是原先计划的单次遭遇。美国宇航局喷气推进实验室进行的一项分析研究证实了科伦坡的想法。该任务在绕太阳公转时继续飞过水星三次，如果它没有耗尽燃料，它将实现进一步的相遇。与最初的预期相比，金星的机动使科学家们获得了两倍于当时完全未探索的水星的科学数据。我们今天对水星的了解很多都来自于 1974-75 年水手 10 号的遭遇，这受到科伦坡计算的启发。 MESSENGER 和 BepiColombo 以这位科学家的名字命名，将 Colombo 的想法更进一步。通过多次经过水星，除了内行星的其他飞越外，航天器释放出足够的能量进入环绕行星的轨道，从而实现原本不可能进行的科学研究。