每一個大技術變革時代，總會帶來交通工具的巨大更新。輪船、飛機和載人飛船讓人類的足跡從地表延伸到了太空。尤其是載人飛船和與它配套的運載火箭等技術的出現，讓人類有了挑戰地球重力的能力。
但離開地球引力的束縛後，星際旅行也並非是一片坦途。逃離地月系統後，我們將面對的是更加複雜的引力世界，既有地球質量30多萬倍的太陽引力，也有木星、土星等巨行星帶來的引力攝動，甚至連太陽光照射到飛船上造成的光壓，都需要詳細考慮——這會對星際旅行飛船的軌道產生很大影響。
當3個物體在引力作用下自由移動時，它們的軌道就完全無法預測，沒有準確模型能夠描述，只能不斷給出限定和假設，嘗試透過各種數值法去逼近，這就是著名的“三體問題無解”。而實際上，太陽系內有各種天體帶來的挑戰，例如恆星、行星、矮行星、衛星、小行星、彗星、空間碎片、星際分子云，甚至人類尚未發現的天體等，這種環境下飛船必須進行頻繁的軌道修正和深空機動。
星際旅行也無法實現科幻電影中的發動機啟動後便“直來直去”，真實的太空旅行必須依賴探測視窗期，這主要是太陽系內天體的相對位置導致的。以地球和火星為例，地球公轉約365天，火星約687天，且它們的軌道均不是正圓形。這意味著地球和火星之間的距離在時刻變化，從5500萬千米到4億千米不等。
從地球的視角來看，每隔大約780天(約26個月)就會和火星最接近一次，這叫做會合週期。如果利用這個視窗期，在二者會合發生前數月，提前發射火星探測器，就會最大程度降低對運載火箭的能力要求，提高任務成功率。目前人類的火星探測基本都遵循這個原則選擇發射機會，未來去火星的旅行航班，毫無疑問也要遵循這個規律。
同樣的道理，對於探測地球的另一個鄰居金星而言，會合週期約為584天，上世紀60—80年代是人類探測金星的浪潮期，近40個探測任務就是遵循這個規律尋找最佳的發射視窗。
對於更遠的旅程，情況就比較複雜了。例如，水星是距離太陽最近的行星，僅88天就圍繞太陽一週。儘管它和地球之間隔著金星，卻是最常和地球見面(距離更近)的“鄰居”。理論上講，地球與水星的會合週期為116天，可以經常探測，但實際情況並不這麼簡單。
水星太靠近太陽，探測器會受到太陽引力和輻射的巨大幹擾。且水星質量很小，引力主導半徑也被太陽引力壓縮到僅為17萬千米。這對於高速衝進太陽系內部的探測器而言，直接制動剎車和被水星引力俘獲難度極大，必須利用金星和地球的引力反覆改變速度和方向，整個過程持續數年。綜合考慮各個天體幾何關係和火箭發射能力，對水星的理想探測視窗間隔遠超116天，往往數年才有一次好機會。
木星和土星探測亦是如此。理論上地球和它們的會合週期較短，分別為399天(木星)和378天(土星)，幾乎每年都可以探測。但它們已經屬於太陽系外圍行星，環繞太陽平均軌道半徑達到7.8億千米(木星)和14.4億千米(土星)，這意味著探測器需要跨過漫長的太陽系空間，持續數年才能抵達。
在實際情況下，對木星和土星的探測任務依然需要藉助地球、木星甚至金星的引力助推，才能最大限度降低對火箭要求，實現既定目標。以人類史上唯一的土星環繞探測器——卡西尼號為例，它在發射後第一站並非是太陽系外，而是向內飛向金星，並連續兩次利用金星引力進行助推，再連續透過地球和木星引力助推最終飛抵土星，整個飛行時間長達7年。
對於太陽系內更外圍的天王星、海王星、冥王星和柯伊伯帶天體等，那裡的太陽能已經微弱到無法用來給探測器供能，導致探測和旅行的難度進一步增加。人類甚至尚沒有足夠能力發射能夠環繞它們的探測器，而僅能從遠處飛掠。即便如此，這些“驚鴻一瞥”的任務已經造價不菲。例如，人類唯一飛掠冥王星的新視野號探測器花費就超過了8億美元，但它只探測了冥王星和一顆太陽系邊緣的小天體“天涯海角”，真正有效的觀測時間僅數天。
因而，儘管地球與這些外圍天體的會合週期極短(略多於1年)，但距離遙遠和複雜的引力環境成為現今運載火箭技術難以跨越的天塹。人類進入航天時代以來，僅有1977年發射的旅行者二號飛掠了木星、土星、天王星和海王星這四大太陽系外圍行星，它在飛行過程中透過木星、土星、天王星等連續引力助推才能實現目標。這意味著它必須找到這些遙遠天體的最佳幾何關係，完成每一步精準借力。而這種完美的幾何關係，僅約165年才發生一次，成為很多人一生都無法等到的時機。去太陽系外圍行星甚至太陽系邊界完成一次旅行的代價更是可想而知。人類面對強大的太陽引力桎梏，依然顯得渺小脆弱。
(來源：中國國家天文)
來源：科技日報
