為什么去水星的難度超越冥王星？解析航天挑戰(zhàn)

為什么說去水星比去冥王星還難？這個(gè)問題是不是很反直覺呢？要知道此時(shí)的冥王星遠(yuǎn)在53.7億公里之外，比水星遠(yuǎn)了整整50倍！然而真相就是如此：看起來離地球只有“一步之遙”的水星，才是所有航天器設(shè)計(jì)師的終極噩夢(mèng)！這到底是怎么一回事呢？

首先，我們得明白一點(diǎn)，距離遠(yuǎn)≠難度大。冥王星確實(shí)遠(yuǎn)，遠(yuǎn)到陽(yáng)光跑到那里都需要5個(gè)多小時(shí)。2006年發(fā)射的“新視野號(hào)”，以創(chuàng)紀(jì)錄的速度狂奔了9年半才飛到冥王星那里。

這聽起來很難，對(duì)吧？但從軌道力學(xué)的角度看，去冥王星其實(shí)搭上了“順風(fēng)車”。地球本身就以每秒29.7公里的高速繞著太陽(yáng)狂奔。要去外太陽(yáng)系，航天器只需要適當(dāng)加速，就能借助太陽(yáng)的引力“甩”出去。更妙的是，中間還可以在木星這樣的“大塊頭”那里進(jìn)行一次引力彈射——就像踩著行星的引力場(chǎng)玩一次跳板，不費(fèi)一滴燃料就能獲得巨額加速。

“新視野號(hào)”探測(cè)器就是這樣，先被地球“推”出去，再被木星這個(gè)“大彈弓”彈射了出去，最終以超過16公里/秒的相對(duì)速度飛向冥王星。因此，新視野號(hào)去冥王星，像是坐上了一個(gè)下坡的滑梯，雖然路長(zhǎng)，但總體是順勢(shì)而為。擺在它面前主要挑戰(zhàn)是怎么在十幾年的任務(wù)期內(nèi)保證設(shè)備不壞，怎么用核電池在遠(yuǎn)離陽(yáng)光的地方供電，怎么忍受長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)的通信延遲。

然而這樣的挑戰(zhàn)難度和去水星比起來就差太遠(yuǎn)了。去水星就好比開著車從山頂往火山口里跳，還得精準(zhǔn)地踩住剎車，不能掉進(jìn)去。

第二點(diǎn)，探測(cè)器去水星就得跟太陽(yáng)來一場(chǎng)“拔河比賽”。想去水星可不是直接飛過去那么簡(jiǎn)單！水星是太陽(yáng)最近的行星，它處于太陽(yáng)的強(qiáng)大引力場(chǎng)中。如果探測(cè)器直接飛往水星，它就會(huì)落入太陽(yáng)的引力陷阱，越是靠近太陽(yáng)速度就會(huì)越快。當(dāng)探測(cè)器抵達(dá)水星時(shí)，如果不及時(shí)剎車減速，它便跟水星擦肩而過沖向太陽(yáng)。因此，去水星就好比開著車從山頂往火山口里跳，還得精準(zhǔn)地踩住剎車，不能掉進(jìn)去。

如何進(jìn)行減速？擺在航天設(shè)計(jì)師面前有兩種選擇：一是讓探測(cè)器攜帶大量的燃料，在抵達(dá)水星附近時(shí)進(jìn)行減速。然而這樣做是非常燒錢的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了工程預(yù)算的承受能力。二是采用“迂回”戰(zhàn)術(shù)，利用行星的引力彈弓效應(yīng)進(jìn)行減速。這樣做的好處是可以讓航天器不用攜帶太多的燃料，節(jié)約了開支，但壞處是探測(cè)器得非常很長(zhǎng)的一段距離，耗費(fèi)好幾年的時(shí)間才能抵達(dá)水星。

人類唯一一個(gè)環(huán)繞過水星的探測(cè)器——美國(guó)的“信使號(hào)”，就采用了第二種方案，利用行星的引力彈弓效應(yīng)進(jìn)行“剎車”減速。它的旅程堪稱“史詩(shī)級(jí)”迂回：

2004年發(fā)射后，它先飛回地球，借助地球引力減速一次。然后兩次飛掠金星，借助金星的引力再減速兩次。最后三次飛掠水星本身，繼續(xù)減速。新視野號(hào)每次飛掠行星都會(huì)將自己的部分速度和能量轉(zhuǎn)移到行星上。這樣，它在太空里兜了整整6年7個(gè)月16天，繞行太陽(yáng)15圈，總共飛行了79億公里后，它才終于把速度降到足夠慢，在2011年成功進(jìn)入水星軌道。

別看水星離地球只有1億多公里的距離，信使號(hào)探測(cè)器卻飛了一段比到冥王星還要遠(yuǎn)的距離，花費(fèi)了6年7個(gè)多月的時(shí)間。由此可見，去水星根本不是“直接飛過去”那么簡(jiǎn)單，而是一場(chǎng)不斷減速，與太陽(yáng)引力的殘酷拔河。你的對(duì)手，是整個(gè)太陽(yáng)系最強(qiáng)大的力量。

然而，在路上利用“迂回”策略行星進(jìn)行減速只是飛往水星的第一道難關(guān)，后面還有更加艱難的關(guān)卡。

當(dāng)探測(cè)器千辛萬苦、幾乎“熄火”地來到水星附近時(shí)，新的問題來了：水星是太陽(yáng)系中最小的行星，它的引力非常微弱，而且又離的太陽(yáng)這么近。探測(cè)器想被它引力捕獲，成為它的衛(wèi)星，就必須在關(guān)鍵時(shí)刻再次點(diǎn)火剎車。

如果剎車力度不夠，探測(cè)器就會(huì)與水星擦肩而過，前功盡棄；如果剎車過頭，就可能直接撞毀在水星表面。這就像要求一個(gè)司機(jī)在經(jīng)歷長(zhǎng)途跋涉、精疲力盡之后，還能完成一次毫米級(jí)的精準(zhǔn)側(cè)方停車。

當(dāng)探測(cè)器費(fèi)盡千辛萬苦精準(zhǔn)地被水星微弱的引力俘獲后，還要面對(duì)“冰火兩重天”的嚴(yán)酷環(huán)境。水星面向太陽(yáng)的一面：溫度高達(dá)430°C，足以讓鉛熔化。背向太陽(yáng)的一面：溫度驟降至-180°C。

探測(cè)器每繞水星一圈，就要經(jīng)歷一次“燒烤”和“深凍”的循環(huán)。再加上它離太陽(yáng)近，承受著比地球附近強(qiáng)7-11倍的太陽(yáng)輻射。探測(cè)器必須有一身“絕世武功”，包括強(qiáng)大的熱防護(hù)罩、可調(diào)節(jié)的百葉窗和特殊的散熱系統(tǒng)，才能在這種極端環(huán)境下正常工作。這可比在冥王星那里面臨的考驗(yàn)大得多了。

讓我們來做個(gè)最終對(duì)比：去冥王星的挑戰(zhàn)是“距離”和“時(shí)間”，就像一場(chǎng)漫長(zhǎng)的航海，只要船夠結(jié)實(shí)，方向正確，總能到達(dá)。而去水星的挑戰(zhàn)是“剎車”和“控溫”。像是在F1賽道上以全速行駛時(shí)，卻要求你把車穩(wěn)穩(wěn)停進(jìn)一個(gè)狹窄的車位，同時(shí)還要應(yīng)對(duì)旁邊噴火器的炙烤。

所以，在宇宙中，距離的遠(yuǎn)近，從來不是衡量難度唯一標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過這么比較，你是不是也覺得去水星比去冥王星難多了呢？