几百天or一百年，止星探测的“窗口期”怎样差那么多？

太阳系是一个被太阳引力牢牢束缚住的天体体系，它最焦点的构成是太阳和八大行星，从内向外分别是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。别的，另有大量卫星、矮行星、小行星、彗星和星际分子云等天体。地球处在太阳系较内侧位置，与太阳均匀间隔约为1.5亿千米，即1个尺度天文单元的长度。

太阳系的万物都在影响火星探测器轨道（图片泉源：©️NASA+中文解释）

太阳据有了太阳系质量的99.9%，地球质量仅为太阳的约33万分之一。因为太阳的引力过于壮大，任何行星的引力都无法与之比力，它们引力主导的影响范畴被太阳压缩到一个微小的空间，这便是“希尔球”。以地球为例，它的希尔球半径约150万千米，仅相称于日地间隔的1%。出了这个范畴，便是太阳引力的主导空间。

人类的绝大部门深空探测使命，出发点都是地球这个太阳系内的“昏暗蓝点”。它们必要先摆脱地球引力的影响，然后就一定面临壮大的太阳引力。在人类现在化学能主导的运载火箭程度束缚下，用最节约能量的方法克服太阳引力并顺遂抵达下一行星，是选择探测窗口的最重要缘故原由。在详细实行方面，有以下重要几个计谋。

一、地球隔壁：紧跟会集周期

根据天文学家开普勒总结行星活动得到的三大定律：行星间隔太阳越远，活动速率就会越慢，围绕一周的间隔也会越长，终极围绕太阳的轨道周期越长。以地球和火星比拟为例，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间隔在时候改变，从5500万到4亿千米不等。

地球和火星的轨道周期、会集周期表示图

从地球的视角来看，每隔约莫780天（约26个月）就会和火星最靠近一次，叫做会集周期。从多少角度解说也简单了解：假设二者都是纯圆轨道，在780天要地本地球运行了2周49度角，火星活动了1周49度角。比如是操场中两小我私家跑步，内圈跑得比力快的谁人人，套了外侧比力慢的谁人人1圈，二者再次会集。假如使用这个窗口期，在二者会集产生前数月提前放射火星探测器，就会最大水平低落对运载火箭的本领要求，进步使命乐成率。

2000-2022年地球和火星间隔改变，各探测使命在太空中飞行的时间区间

究竟上，人类一向以来的火星探测，就严厉遵照这个纪律，每隔26个月时间，才迎来约一个月的黄金“探测窗口期”。

同样的原理，对付探测地球的另一个邻人金星而言，会集周期约为584天，60-80年月人类探测金星海潮时期，近40个探测使命便是遵照这个纪律查找最佳放射窗口。

二、地球远邻：引力助推窗口期

水星是间隔太阳近来的行星，仅88天就围绕太阳一周。只管它和地球之隔断着金星，倒是最常和地球晤面（间隔更近）的邻人。理论上讲，地球与水星的会集周期为116天，可以每每探测，但现实情形并不这么简洁。

水星、金星、火星与地球间隔表示，大部门时间内间隔地球近来的是水星

水星太靠近太阳，探测器会受到太阳引力和辐射的庞大滋扰。且水星质量很小，引力主导半径也被太阳引力压缩到仅为17万千米。这对付高速冲进太阳系内部的探测器而言，直接制动刹车和被引力俘获难度极大，一定使用金星和地球的引力重复转变速率巨细和偏向，直到到达抱负状态，整个历程连续数年。综合思量各个天体多少干系和火箭放射本领，对水星的抱负探测窗口隔断远超116天，每每数年才一次好时机。

木星和土星探测亦是云云。理论上地球和它们的会集周期较短，分别为399天（木星）和378天（土星），险些每年都可以探测。但它们已经属于太阳系外围行星，围绕太阳均匀轨道半径到达7.8亿千米（木星）和14.4亿千米（土星），这意味着探测器必要跨过漫长的太阳系空间、连续数年才气抵达。假如仅是能短时间观察的飞掠使命，有些白费庞大的航天投入。从综合性价比的角度看，木星和土星探测使命必要做得非常庞大和高难度，可以或许终极围绕行星恒久探测。

卡西尼号的飞行轨迹使用了金星、地球和木星引力助推

（动图设计：Phoenix7777©️ CC-BY-SA-4.0）

因而在现实情形下，对木星和土星的探测使命很大很重，依旧必要借助地球、木星乃至金星的引力助推，才气最大限度低落对火箭要求，实现既定目的。以人类史上唯一的土星围绕探测器卡西尼号为例，它在放射后第一站并非向太阳系外，而是向内飞向金星并一连举行两次金星引力助推，再一连通过地球和木星引力助推终极飞抵土星。整个飞行时间长达7年，才确保卡西尼号在抵达土星后有充足本领陆续事情了13年之久，极大扩展了人类对土星的认知。

三、太阳系的界限：百年一遇的时机

对付太阳系内更外围的天王星、海王星、冥王星和柯伊伯带天体等，那边的太阳能已经薄弱到无法用来给探测器供能，导致探测的难度进一步增添。人类乃至尚没有充足本领放射可以或许围绕它们的探测器，而仅能从远处飞掠。即便云云，这些“惊鸿一瞥”的使命已经造价不菲。比方，人类唯一飞掠冥王星的新视野号探测器耗费就凌驾了8亿美元，但它只探测了冥王星和一颗太阳系边沿的小天体“海角天涯”，真正有用的观察时间仅数天。

观光者二号的设计轨迹捉住了百年一遇的完善窗口

（动图设计：Phoenix7777©️ CC-BY-SA-4.0）

因而，只管地球与这些外围天体的会集周期极短（略多于1年），但间隔和难度成为人类现今运载火箭技能难以超过的天堑，对它们的探测非常低频。因为难度和本钱过高，假如能一次使命多飞掠几个行星最好。人类进入航天期间以来，仅有1977年放射的观光者二号飞掠了木星、土星、天王星和海王星这四大太阳系外围行星，它在飞行历程中通过木星、土星、天王星等一连引力助推才气实现目的。这意味着它一定找到这些迢遥天体的最佳多少干系，完成每一步精准借力。而这种完善的多少干系，仅约165年才产生一次，成为许多人平生都无法比及的机遇。

人类面临壮大的太阳引力桎梏，依旧显得眇小脆弱。地球是人类的摇篮，但我们不克不及永久生存在摇篮里。随着人类航天技能在陆续突飞大进，人类迈出太阳系的脚步也在变得越来越坚决沉稳。

星辰大海，就在那边。