七年抵達水星

前往內太陽系的最後一次飛掠

C. 沙夫 2020

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本文發表於《大眾科學》的前部落格網路,反映了作者的觀點,不一定反映《大眾科學》的觀點


你可能會認為,讓重力把你拉近一個巨大的物體比試圖將自己從那個巨大的物體中拉開更容易。當然,如果你的目的只是墜落,那可能是真的。但是,如果你從一個穩定的軌道開始,並且想要到達另一個穩定的軌道,並且想要進入另一個已經圍繞第一個巨大物體執行的巨大物體的軌道,那麼,你還有一些工作要做。

以訪問水星這顆行星為例,它在距太陽平均 3600 萬英里的位置繞太陽執行,而地球的平均距離為 9300 萬英里。在這個位置,水星的軌道速度約為地球的 1.6 倍(地球的軌道速度已經高達每秒 30 公里),需要付出相當大的努力才能與之匹配。與太空飛行中始終一樣,關鍵的衡量標準是“delta-v”,即從 A 點到 B 點所需的淨速度變化。對於從地球到水星的旅行,delta-v 成本很高,因此我們必須巧妙地偷偷靠近它。

對於歐洲航天局的BepiColombo 任務前往水星,訣竅是利用七年的轉移時間,並不少於 9 次行星飛掠,以利用行星軌道角動量(和重力)的極小部分,來巧妙地與太陽的內太陽系世界相交。BepiColombo 實際上是兩個合二為一的航天器:一個帶有望遠鏡成像、光譜儀(包括伽馬射線和中子光譜儀 - 有利於尋找凍結水的跡象)以及其他儀器的軌道飛行器,以及一個用於研究水星磁層環境的獨立軌道飛行器。


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於 2018 年 10 月發射進入類似於地球的日心(以太陽為中心)軌道,它將使用一系列行星遭遇,最終於 2025 年 12 月“弱捕獲”進入水星周圍的極地軌道。第一次重大遭遇就發生在 2020 年 4 月 10 日本週,當時 BepiColombo 以約 12,700 公里的令人神經緊張的近距離掠過地球。這樣做時,它提供了我們新月形世界的美麗景象(此處顯示距離約為 220,000 公里)——這是一個非常需要的提醒,提醒我們除了人類的日常考驗之外,還有其他事物,而且我們的世界在堅持不懈。

BepiColombo 飛掠地球時,地球正在遠去。圖片來源:ESA、BepiColombo 和 MTM (CC BY-SA 3.0 IGO)

此操作將 BepiColombo(仍在繞太陽執行)送往 2020 年 10 月與金星相遇的路徑,然後在 2021 年第二次飛掠金星,隨後至少六次飛掠水星,每次都逐漸調整航天器的軌跡,直到它可以在 2025 年進行最終捕獲操作。

有趣的是,這是 BepiColombo 於 4 月 10 日最接近地球時捕獲的延時序列,這是一場(以宇宙標準衡量)令人毛骨悚然的街頭競速,也是我們最後一次如此接近這種好奇物種的技術產物。

近距離遭遇。圖片來源:ESA、BepiColombo 和 MTM (CC BY-SA 3.0 IGO)

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