《星际迷航》为什么不能直接离开？

每一个技术大变革的时代，总会带来交通工具的大更新。轮船、飞机和载人飞船已经将人类的足迹从地表延伸到了太空。特别是载人飞船及其配套运载火箭技术的出现，使人类能够挑战地球引力。

但是离开地球引力的束缚后，星际旅行并不是一条平坦的道路。逃离地月系统后，我们将面临一个更加复杂的引力世界，包括质量超过地球30万倍的太阳引力，木星、土星等巨型行星带来的引力扰动，甚至太阳光照射在航天器上产生的光压，都会对星际迷航航天器的轨道产生很大的影响。

当三个物体在重力作用下自由运动时，它们的轨道是完全不可预测的，没有精确的模型来描述它们。只有极限和假设是不断给出的，各种数值方法都试图接近它们。这就是著名的“三体问题无解”。事实上，太阳系中的各种天体都带来了挑战，比如恒星、行星、矮行星、卫星、小行星、彗星、空间碎片、星际分子云，甚至还有人类尚未发现的天体。在这种环境下，航天器必须进行频繁的轨道修正和深空机动。

在科幻电影中，星际旅行无法实现发动机启动后的“直行”。真正的太空旅行必须依靠探索窗口，这主要是由太阳系中天体的相对位置造成的。以地球和火星为例。地球大约旋转365天，而火星大约需要687天，它们的轨道不是完美的圆形。这意味着地球和火星之间的距离从5500万公里到4亿公里不等。

从地球的角度来看，它将每780天(约26个月)最接近火星一次，这被称为会合期。如果我们利用这个窗口期，在火星探测器会合前几个月发射火星探测器，我们将最大限度地降低对运载火箭的能力要求，提高任务成功率。目前人类火星探测基本上遵循这个原则来选择发射机会，未来前往火星的旅行航班无疑也会遵循这个规律。

同样的道理，对于地球的另一个邻居金星的探索，会合周期大约是584天。20世纪60-80年代是人类探索金星的浪潮，近40次探索任务遵循这一规律寻找最佳发射窗口。

对于进一步的旅程，情况更加复杂。例如，水星是离太阳最近的行星，仅88天绕太阳一周。虽然它与地球被金星隔开，但却是最常(更近)与地球相遇的“邻居”。理论上讲，地球与水星的会合周期为116天，可以频繁探测到，但实际情况并没有那么简单。

如果水星离太阳太近，探测器会受到太阳引力和辐射的极大干扰。水星的质量很小，占主导地位的引力半径被太阳引力压缩到只有17万公里。探测器直接刹车并被水星引力捕获是极其困难的，因此需要利用金星和地球的引力反复改变速度和方向，整个过程持续数年。考虑到各种天体的几何关系和火箭发射能力，水星探测的理想窗口间隔远不止116天，往往几年才有一次好机会。

木星和土星的探索也是如此。理论上，地球及其会合周期较短，分别为399天(木星)和378天(土星)，几乎每年都能探测到。但是，它们已经属于太阳系的外行星，围绕太阳的平均轨道半径达到7.8亿公里(木星)和14.4亿公里(土星)，这意味着探测器需要穿越太阳系的漫长空间并持续数年。

在现实中，对木星和土星的探索仍然需要地球、木星甚至金星引力的帮助，以尽量减少对火箭的要求，达到既定目标。以人类历史上唯一的土星轨道探测器卡西尼——为例。发射后，它的第一站不是太阳系外，而是向内飞向金星。它连续两次被金星引力助推，最后借助地球和木星的引力飞向土星。整个飞行时间长达7年。

对于太阳系外的天王星、海王星、冥王星和柯伊伯带天体来说，那里的太阳能太弱，无法用来给探测器供电，这使得探测和旅行变得更加困难。即使是人类也没有足够的能力发射能够包围他们的探测器，只能远距离飞行。即便如此，这些“一瞥”已经很贵了。比如人类唯一飞越冥王星的新视野号探测器，耗资超过8亿美元，但只探测到冥王星和太阳系边缘的一个小天体“天涯海角”，真正有效的观测时间只有几天。

因此，虽然地球与这些外围天体的交会周期很短(略多于一年)，但遥远复杂的引力环境已经成为当今运载火箭技术无法跨越的障碍。自从人类进入太空时代以来，只有1977年发射的旅行者二号将太阳系的四大外行星木星、土星、天王星和海王星一扫而空。在飞行过程中，它只能通过木星、土星和天王星的持续引力助推来实现目标。这意味着它必须找到这些遥远天体之间的最佳几何关系，并完成精确借用的每一步。这种完美的几何关系大约165年才发生一次，成为很多人一生都等不及的机会。去太阳系外行星甚至太阳系边界旅行的费用更是可想而知。面对强大的太阳引力，人类依然显得渺小而脆弱。