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土星 几百天or一百年，行星探测的“窗口期”怎么差这么多？

太阳系
是一个被太阳引力牢牢束缚住的天体系统，它最核心的组成是太阳和八大行星，从内向外分别是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。此外，还有大量卫星、矮行星、小行星、彗星和星际分子云等天体。
地球处在太阳系较内侧位置，与太阳平均距离约为1.5亿千米，即1个标准天文单位的长度。


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太阳系的万物都在影响火星探测器轨道（图片来源：NASA+中文注释）太阳占据了太阳系质量的99.9%，地球质量仅为太阳的约33万分之一。由于太阳的引力过于强大，任何行星的引力都无法与之较量，它们引力主导的影响范围被太阳压缩到一个极小的空间，这就是“希尔球”。
以地球为例，它的希尔球半径约150万千米，仅相当于日地距离的1%。出了这个范围，就是太阳引力的主导空间。
人类的绝大部分深空探测任务，起点都是地球这个太阳系内的“暗淡蓝点”。它们需要先挣脱地球引力的影响，然后就必须面对强大的太阳引力。
在人类目前化学能主导的运载火箭水平约束下，用最节省能量的方式战胜太阳引力并顺利抵达下一行星，是选择探测窗口的最主要原因。在具体实施方面，有以下主要几个策略。
01
地球近邻：紧跟会合周期
按照天文学家开普勒总结行星运动得到的三大定律：行星距离太阳越远，运动速度就会越慢，环绕一周的距离也会越长，最终环绕太阳的轨道周期越长。以地球和火星对比为例，地球公转约365天，火星约687天，且它们的轨道均不是正圆形。这意味着地球和火星之间的距离在时刻变化，从5500万到4亿千米不等。


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地球和火星的轨道周期、会合周期示意图从地球的视角来看，每隔大约780天（约26个月）就会和火星最接近一次，叫做会合周期。
从几何角度解释也容易理解：假设二者都是纯圆轨道，在780天内地球运行了2周49度角，火星运动了1周49度角。好比是操场中两个人跑步，内圈跑得比较快的那个人，套了外侧比较慢的那个人1圈，二者再次会合。
如果利用这个窗口期，在二者会合发生前数月提前发射火星探测器，就会最大程度降低对运载火箭的能力要求，提高任务成功率。


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2000-2022年地球和火星距离变化，各探测任务在太空中飞行的时间区间事实上，人类一直以来的火星探测，就严格遵循这个规律，每隔26个月时间，才迎来约一个月的黄金“探测窗口期”。
同样的道理，对于探测地球的另一个邻居金星而言，会合周期约为584天，上世纪60-80年代人类探测金星浪潮期间，近40个探测任务就是遵循这个规律寻找最佳发射窗口。
02
地球远邻：引力助推窗口期
水星是距离太阳最近的行星，仅88天就围绕太阳一周。尽管它和地球之间隔着金星，却是最常和地球见面（距离更近）的邻居。理论上讲，地球与水星的会合周期为116天，可以经常探测，但实际情况并不这么简单。


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水星、金星、火星与地球距离示意，大部分时间内距离地球最近的是水星水星太靠近太阳，探测器会受到太阳引力和辐射的巨大干扰。且水星质量很小，引力主导半径也被太阳引力压缩到仅为17万千米。这对于高速冲进太阳系内部的探测器而言，直接制动刹车和被引力俘获难度极大，必须利用金星和地球的引力反复改变速度大小和方向，直到达到理想状态，整个过程持续数年。
综合考虑各个天体几何关系和火箭发射能力，对水星的理想探测窗口间隔远超116天，往往数年才有一次好机会。


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木星和土星探测亦是如此。理论上地球和它们的会合周期较短，分别为399天（木星）和378天（土星），几乎每年都可以探测。但它们已经属于太阳系外围行星，环绕太阳平均轨道半径达到7.8亿千米（木星）和14.4亿千米（土星），这意味着探测器需要跨过漫长的太阳系空间、持续数年才能抵达。如果仅是能短时间观测的飞掠任务，有些浪费巨大的航天投入。从综合性价比的角度看，木星和土星探测任务需要做得非常复杂和高难度，能够最终环绕行星长期探测。

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