隼鸟号靠什么飞了60 亿公里？

　　深太空探测飞行器隼鸟号近日终于回归地球，并且取得了距离地球3 亿公里的小行星“丝川”上的空气及土壤的样品。作为人类有史以来最远的一次往返式深宇宙探险，隼鸟号的行程长达60亿公里，即便是光速行走要到达这样远的距离仍然需要5 个多小时。而隼鸟号走完这60 亿公里的旅程花了整整七年时间，对于人类的探空历史而言, 隼鸟号的胜利归来无疑是具有里程碑性质的一次太空冒险。

　　等离子火箭可以将太空旅行的时间缩短，并节省一半成本。在隼鸟号之前，这或者还是一种基于理论的理想，但隼鸟号的胜利返航，却证明了这种新的推动技术，可能会真的改变人类太空漫游的足迹。

　　传统的化学火箭虽然推进力强劲，但是耐力有限。美国航天飞机上天，需要一个比自身和助推火箭体积都大的燃料舱去提供推进力；然而即便如此，在冲出大气层之前，燃料舱中的燃料已经被耗尽抛弃。如果想采用化学火箭进行长距离宇宙旅行，恐怕需要一个月亮大的燃料舱才能足够支持飞到太阳系边缘。

　　30 多年前，由华裔科学家张福林领衔的美国科研小组为深度太空旅行开发出一种新的等离子火箭发动机，等离子火箭采用和化学火箭完全不同的工作原理。它使用洛伦兹力让带电原子或离子加速通过磁场，向后喷射产生动能。只要有电能存在，火箭就能源源不断地提供动力。由于太空是完全真空的环境，基本不存在空气阻力的影响。因此这种发动机虽然在一定时间内推力不如化学火箭强劲，却能够给飞行器带来源源不绝的动力。如果在太空中长时间采用等离子火箭进行加速，则速度的叠加将会远远超过化学火箭，后者在短时间加速后，只能持续滑行。这就相当于马拉松运动员与短跑运动员的区别。

　　在隼鸟号之前，大部分等离子火箭只作为辅助动力使用，例如在地球同步轨道上卫星的姿态调整。然而由于隼鸟号的目标是前所未有的太空深处，因此只有采用四台等离子火箭才能满足任务的需求。尽管在长达7 年的使用中，隼鸟号上的四台发动机有三台损坏，几乎导致任务失败。然而经过科学家们的努力最终还是成功返航。

　　太阳帆的力量

　　在大航海时代的早期，蒸汽动力还未发明的时代，风帆是航海家们唯一可靠的动力。然而在太空大探险时代来临的今天，太空帆船也许会是人们值得依靠的工具。太阳帆与地球上常用的光伏太阳能板并不是一回事。事实上太阳帆的原理是通过太阳辐射到宇宙中的带电粒子来产生动能，你可以把太阳光想象成太空中的风，而太阳帆正是这种乘太阳风而行的风帆。单靠等离子火箭产生的推力并不足以让隼鸟号走完整个60亿公里的旅程。因此科学家为隼鸟号设计了长达14 米的太阳帆。

　　事实上太阳帆将给航天器 带来高达每秒30 公里的速度，也就是意味着即便是失去了等离子火箭的推力，隼鸟号仍能获得最高达每小时10 万公里的速度。事实上在多台发动机损坏的情况下，隼鸟号返回地球的过程中太阳帆的作用功不可没。

　　行星的引力

　　尽管隼鸟号拥有太阳帆和等离子火箭两套动力系统交替使用，然而在浩瀚的太空旅程中，还有一种动力是不可忽视的。最早提出引力助推法的科学家是苏联的尤里·康德拉图克，他在1918年的论文中提出，在两颗行星间飞行的飞船可以使用行星间的引力实现轨道初段的加速和轨道末段的减速。

　　其实这就与骑自行车下坡的状况相似，地球距离“丝川”小行星仅有3 亿公里，然而隼鸟号的往返却行走了超过60 亿公里，等于两者之间的直线距离的几十倍。事实上多余的路程主要就是花在引力助推上。由于太空中的天体并不是静止不动的，因此要想利用行星间的引力进行加速，则必须计算自身和行星间的运行轨道。在合适的时间和地点与之会合进行加速，并且在加速到了一定程度后脱离，避免被行星引力吸入。这样导致隼鸟号的运行轨道往往是一条条椭圆形的路线，尽管行走的距离远了，但是却节省下了宝贵的燃料并且获得了更高的速度。

　　三维空间中的运动

　　无论是太空探索还是地面的飞行器运动，人们都会发现往往两点间运动的最快路线不是直线而是曲线。以空对空导弹为例，由于其追踪的目标为一个在三维空间高速运动的物体，因此如果直线朝向目标运动则往往会错过。而且受到地球引力的影响，单纯直线的运动很快就会耗尽火箭发动机的能量。因此导弹的运行轨迹往往是爬升后的曲线，在目标更高的高度上通过电脑计算出目标前方某个位置作为碰撞点然后进行曲线移动。这样的轨迹绝对不可能是一条直线。就隼鸟号的目的而言，“丝川”小行星是个每秒飞行30 公里的高速运动物体，而隼鸟号本身的速度也接近或者高于“丝川”的速度。这两个高速运动的太空物体在太空中的汇合，实际上跟空对空导弹攻击高速运动的战斗机非常类似，除了地球引力的作用之外。这两者本身做的就是同一类工作。

　　文/朱江明