太阳轨道器高度倾斜轨道的一部分的动画
2020年2月,美国卡纳维拉尔角发生了一件具有非凡意义的事:联合发射联盟的Atlas V 411火箭把一位太阳专项摄影师送上太空,从此,这位名叫太阳轨道飞行器的家伙将开始它的奇幻之旅:绕太阳10年。
太阳轨道飞行器
此次发射的太阳轨道飞行器将在2022年达到目标轨道。在最初4年的基本任务阶段,运行轨道相对太阳赤道面的轨道倾角,可以达到17度,能够更清楚地观察到太阳极区。在后续的扩展任务阶段,其轨道倾角可以达到33度,对太阳极区的观测质量将会进一步提高。
啥?两年才到!因为这次要去看看太阳两极。
如果我们能把视角从地球扩展到整个太阳系,将会看到包括地球在内的所有行星都集中在太阳赤道附近的平面——黄道面上,因此在地球附近或在地球公转轨道面上观测太阳的话,只能够观测到太阳赤道附近的磁场和活动现象,靠近极区或者在极区当中的情形就难以得知。此前因为技术原因,从地球发射的航天器即便挣脱地心引力,大部分只能在地球公转轨道附近运行,因此,此次发射的太阳轨道飞行器需要发动三次“引力弹弓”:分别是2020年12月和2021年8月借助金星引力,2021年11月借助地球引力。这样不仅把太阳轨道飞行器弹向太阳,也会把它弹离原本与太阳赤道大致平齐的黄道面。太阳轨道飞行器有望率先一睹真容。
“太阳轨道飞行器将逐步飞出黄道面,我们将首次看到太阳两极。”参与此次任务的荷兰诺德维克欧洲空间研究与技术中心的太阳物理学家丹尼尔·穆勒说。通过飞越太阳两极,我们可以观测太阳两极的磁场和周围等离子体的物理特性和化学组成。
那为什么不把它直接送到太阳两极?
太阳离地球约1.5亿公里,也就是一个天文单位。如果发射能够绕着太阳两极飞行的飞船,使其轨道面尽可能垂直于地球公转的轨道面,这要耗费非常巨大的能量,或者说需要非常强大的火箭并耗费非常多的燃料,那得造多大的飞行器,但是,不要忘了,飞行器本身也是个负担,而且技术上不可行。经济可行的办法,就是先将飞船发射到地球公转的轨道上,在这个轨道平面内运动到其他行星附近,利用其他行星的引力,实现飞船的加速或减速,然后在合适的时机,启动飞船上的推进器,改变飞船的运动轨迹并飞离这颗行星。这个过程叫“行星借力”。通过行星借力,一来可以提高或降低飞船的速度,二来可以改变飞船的运动轨道,比如将原来在黄道面内运动的飞船推到垂直于黄道面的轨道上。有点像高速运动的汽车发生侧滑时的情况。一个高速运动的物体,即使受到很小的侧面推力,运动轨迹即可发生显著的变化。借助金星和地球的引力,SO在飞行中与金星形成轨道共振关系,定期相遇。每相遇一次,就能借助金星的引力拉近与太阳的距离,同时逐渐偏离地球公转轨道面。