在上一篇文章〈航向冥王星〉中提到,由於沒有足夠的燃料,「新地平線號」無法進入冥王星的軌道,更無法在進入冥王星軌道後再去探測凱伯帶(庫柏帶)小行星。
燃料效能不足,是人類探測太空的一大障礙。為了解決這個問題,科學家想到了利用行星重力(也就是引力)來協助飛行的辦法,這叫作重力協拋(或譯引力助飛 gravity assist)。
看過「阿波羅十三號」這部電影的人應該記得,登月小艇因為沒有採集到月球岩石的樣本,重量不夠,差一點沒法回到地球。
這個原理和我們在水邊玩擲石子的遊戲一樣,如果我們拋出去的石子,角度太過垂直,或力道不夠,石頭就會沈到水裡;如果拋出石子的角度貼近水面,速度也夠,小石子就會在水面上彈跳過去。
當一個物體接近一個星球的時候,情況也是這樣:角度太大,會墜毀;角度太小,會彈開;角度恰好,則會進入圜繞這個星球的軌道。
究竟怎樣的角度是適當的,又受三個因素影響:這個物體的質量、它飛行的速度和它切過這個星球時的距離。
太空船的質量和速度是被限定的,假設我們能調整太空船切過一個星球邊緣時的距離,就能控制它的去向了。
就是運用這個原理,我們可以利用行星的重力來加快太空船的速度(重力加速度),並且改變它的航向。這就是重力協拋。
第一次使用這種技術的是 1973 年發射的「先鋒十一號」,它利用木星的重力,把太空船拋向土星,以後就成了標準程序。這次「新地平線號」也借用了木星的重力。
但是運用這種技術最淋漓盡致的,卻是 1989 年的「伽利略號」(Galileo)和 1997 年的「卡西尼號」。
下圖一是「伽利略號」的飛行軌跡,發射後先經過金星,然後兩次經過地球。第二次經過地球的時候,距發射已經三年多,然後於 1995 年底到達木星。
下圖二是「卡西尼」的飛行軌跡,發射後先經過兩次金星,再掠過地球,拋向木星,再拋向土星。到達土星時,已經是 2004 年。
這就像鏈球選手,在投出鏈球之前,要抓住鏈球轉上幾圈,等動能足夠了,才把鏈球丟出去。只不過沒有一個人可以抓住太空船,所以就靠行星的重力來輪流抓住太空船,把它轉來轉去,最後拋向目的地。
這種太空鏈球遊戲,不但需要精密的電腦運算,還要等待機緣。像「卡西尼號」的航道,要等二十年才會碰上一次。
最後的問題是,為什麼要玩這種遊戲呢?原因是科學家想多放些儀器到太空船上,好多作一些實驗。「卡西尼號」放了 27 種觀測儀器在上面,重達 5.6 噸,是「旅行家」的三倍重。這麼「沉重」的太空船,不想點辦法都不成。
至於現代太空船上都帶著鈽238同位素,並不是用來推進火箭的,而是用來發電以提供電腦和儀器所需的電力。由於要航向太陽系的邊緣,無法利用太陽能,目前只有用鈽來發電,才能維持長時間的電力。