果汁探测器到达木星为什么还需要8年

原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀

航天器的发射是新任务的开始，也是到达太阳系深处的唯一手段。随着可重复使用的火箭成为现实，欧空局正在做些什么来推进推进技术并使其更环保？图片来源：欧空局/S. 伯纳

在轨道上最近的点，地球和木星相隔近6亿公里。在撰写本文时，在发布五个月后，Juice已经行驶了3.7亿公里，但时间上它只完成了5%。为什么需要这么长时间？

答案取决于欧空局任务控制中心的飞行动力学专家所熟悉的各种因素，从使用的燃料量到火箭的功率，航天器的质量和行星的几何形状。

基于此，欧空局的飞行动力学专家设计了一条航线。轨道力学的世界是一个违反直觉的地方，但只要有一点耐心和大量的计划，它就可以让我们用一点燃料做大量的科学工作，正如我们将要解释的那样。

跟踪行星、卫星、恒星和星系的运动，你会看到它们总是围绕着另一个物体运动。当任务发射时，它不会从静止的地球上跳下来，而是从一颗以大约30公里/秒的速度绕太阳旋转的行星上跳下来。

因此，从地球发射的航天器已经拥有大量的“轨道能量”——这是确定围绕中心天体的轨道大小时唯一重要的单位。发射后，航天器或多或少处于与我们的星球围绕太阳相同的轨道上。

要脱离这个轨道并以尽可能短的直线从地球飞到木星，需要一枚大火箭和大量燃料。但这是可以做到的。下一个问题是，你需要更多的燃料来刹车并进入木星周围的轨道，而不是直接滑过它。

定位空白空间

木星和地球总是相对于彼此移动。在它们最远的地方，在太阳的两侧，它们相隔9.68亿公里。两颗行星之间的最短距离是地球和木星在太阳的同一侧，它们之间的距离不到6亿公里。但是他们在这个位置上只是一会儿，然后距离再次增加，永远不会保持恒定的距离。

这些行星在围绕太阳的轨道上都以不同的速度运动。想象一下，从移动的飞船上向移动的目标投掷球。工程师必须计算出理想的时间，以便在从地球轨道跳到宇宙飞船到达时木星所在位置的圆形路径上跳跃，而不是航天器离开地球时的位置。

所以，假设我们拥有最强大的发射器，并且在行星正确对齐的正确时间以最短的轨迹发射，需要多长时间？

早期的太空任务，如旅行者号和先驱者号探测器，在不到两年的时间内完成了这次旅行，而任何物体到达木星的最快任务是新视野号任务。新视野号于2006年1月19日发射升空，于2007年2月28日最接近木星，花了一年多的时间才到达木星。所有这些任务都在继续，这是一个很好的例子，可以确定木星飞越到其他地方需要多长时间。 果汁的旅程和木星系统之旅。资料来源：ESA/Lightcurve Films/R. Andres

停留时间越长，进近越慢

要进入围绕这颗巨大行星的轨道，从四面八方和随着时间的推移研究它，甚至可能进入围绕它的一颗卫星的轨道 - 果汁“第一” - 你需要失去一些能量。这种“减速”将需要大量燃料来进行大型轨道插入机动。如果您不想使用大量燃料发射，则可以选择风景优美的路线，转移时间为2.5年。

这就是我们认为航天器的质量是决定到达任何地方所需的时间的关键因素的地方。工程师需要控制航天器的质量，平衡燃料量与完成任务所需的仪器。航天器的质量越大，它需要携带的燃料就越多，这增加了它的重量，使其更难发射。

这就是发射火箭性能的用武之地。航天器需要以足够的速度发射，以逃避地球的引力，并在前往外太阳系的途中被抛出。推得越好，旅行就越容易。

果汁是有史以来发射的最重的行星际探测器之一，重量刚刚超过6000公斤，是有史以来飞往木星的最大的科学仪器套件。即使是阿丽亚娜5重型火箭的巨大推动也不足以在几年内将Juice直接送到那里。

因此，像Juice和Europa Clipper这样的任务，或者像过去的伽利略和朱诺这样的任务，必须利用“重力辅助”或“飞越”机动来获得额外的速度。火箭越强大，转移时间越短。

与太阳系交易能源

冥王星位于太阳系的边缘，其轨道比最内层的行星水星大得多。虽然冥王星相对于太阳的移动速度较慢，但它的轨道能量远远大于水星。

为了让航天器进入围绕另一颗行星的轨道，我们必须匹配它的轨道能量。当BepiColombo发射时，它的轨道能量与地球相同。它必须失去能量才能落在更接近太阳系中心的地方，并通过飞近邻近的行星来释放多余的轨道能量。

这同样适用于前往外太阳系的航行。为了进入一个更大的轨道，离太阳更远，果汁正在一条让它从地球、金星和火星窃取轨道能量的路径上。

果汁的欧罗巴飞越。资料来源：欧洲航天局

根据行星和航天器的相对运动方向，重力辅助可以加速，减慢或改变任务的方向。（航天器也会偏转地球，但偏转幅度很小，微不足道。尽管如此，牛顿的第三运动定律被保留了下来：“每一个动作都有一个相等和相反的反应。

Juice将使用一系列飞越地球，地月系统和金星的飞行，使其在2031年7月在木星系统中会合。

刀刃上的轨道

对于欧空局的飞行控制团队来说，最具挑战性的部分是当Juice最终在2031年抵达木星以及木星行星系统的旅行中。

Juice具有挑战性的轨迹涉及前往木星途中的多次重力辅助 - 包括有史以来第一次月球 - 地球飞越 - 一旦到达那里，其伽利略卫星欧罗巴，木卫三和木卫四令人印象深刻的35次飞越。最后的焦点将放在木卫三上，使Juice成为有史以来第一个绕地球以外的卫星运行的航天器。

欧空局在德国的任务控制团队将监督的最重要的一次操作，是在木卫三重力辅助后仅13小时就将Juice减速约1公里/秒，并“退出”进入木星系统，将航天器插入气态巨行星周围的轨道。

进入围绕另一个天体的轨道是很困难的。航天器必须以完美的速度，从精确的角度接近，然后在正确的时刻，以特定的方向和正确的尺寸执行至关重要的大机动。

接近太快或太慢，太浅或太陡峭，或者在错误的时间，以错误的数量或方向操纵，你会迷失在太空中。或者你离轨道太远了，需要很多——也许是太多的——燃料来纠正你的道路。

果汁将接近木星的卫星，与它们交换数十亿年的能量，以前所未有的方式观察这些环境。在木卫三、木卫四或木卫二的冰冻海洋下会有生命吗？关于整个宇宙中行星和卫星的形成，我们能学到什么？通过飞行动力学的奇迹，通过与宇宙交换能量，我们很快就会发现。

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原标题：《果汁探测器到达木星为什么还需要8年》

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