星际旅行最佳途径行星际高速公路

过去人类探索太阳系的宇宙飞船都是运用个别星体的重力，以抛射方式开展一段接一段的旅程。但美国国家航空暨太空总署工程师刘马丁设计出一套「行星际高速公路」路径系统，有如穿梭在行星之间的复杂管道，号称可以大幅减少宇宙飞船所需的动力与燃料，且已在航太总署去年的「创世纪号」宇宙飞船任务派上用场。刘马丁服务于航天总署位于加州帕沙迪那的喷射推进实验室，他的理论除了计算个别星体的重力之外，还加计了太阳与各行星之间以及行星与其卫星之间的重力作用，找出太空中各方重力几近相互平衡的点，再由这些点构筑成所需能量最少、效率最高的行星际高速公路。航天总署约翰逊太空中心的库克主任说：「刘马丁的成果是一大突破，简化了低地球轨道之外载人与机器人探测的任务观念……将来我们可以用较少的太空载具来进行各式各样的任务。」天文学家早已知道，每个行星与其卫星之间有五个「拉格朗日点」，各个星体在这些点上的重力相互平衡，宇宙飞船行经时只需消耗些许\r的燃料。刘马丁找出行经众多拉格朗日点的可能路径，并计算宇宙飞船的航程与航速。各种可能的飞行路径会形成太空之中的管道，也就是行星际高速公路，就像用单股的线扭结成绳索一样。刘马丁计划要将太阳系中所有的高速公路管道绘制出来。刘马丁根据这项理论，与普渡大学的霍威尔教授合作开发出一套「拉格朗日工具」，专供航天总署任务计划之用，并在去年八月航天总署发射创世纪号宇宙飞船时初试啼声，这项任务的目标是要搜集太阳风之中的粒子，送回地球供科学家研究太阳的构造。依照刘马丁的设计，创世纪号升空后会到达距地球一百五十万公里处的一个拉格朗日点，围绕这个地球与太阳重力平衡的点飞行两年半，捕捉太阳风粒子，并预定在二○○四年九月经由另一个拉格朗日点重返地球。刘马丁表示：「如果各种条件完美无瑕，那么创世纪号完全不必使用燃料。然而我们无法控制任务中的变量，因此必须做些修正……节省燃料意谓着任务质量更好、经费更省。」拉格朗日点犹如行星际高速公路的地标，刘马丁认为月球的一个拉格朗日点可以做为太空探索的平台，提供各类服务。同时宇宙飞船能够在各个点之间来回穿梭，进行维修。另一方面，未来的载人太空任务也可望利用行星际高速公路。其实宇宙飞船并不是行星际高速公路唯一的使用者，小行星与彗星都是这条路上的熟客。修梅克－利瓦伊彗星曾经在一九九四年下了高速公路的「交流道」并撞击木星。六亿五千万年前，一颗小行星很可能也是从高速公路奔驰而来，以近似创世纪号的路径撞击地球，造成恐龙的大灭绝。为了脱离地球重力的捆绑，火箭成为了解开重力枷锁的锁匙。但一般现在所使用的化学火箭效率并不高，以为人熟悉的阿波罗11号登月任务所使用的土星5型火箭为例，火箭重量的90%为燃料，真正登月舱的重量只有10%;而登月舱本身的61%也是燃料，这样才可以让太空人登陆月球，和让他们离开月面返回地球。然而，随着太空探测船重量和目的地距离的增加，所需的燃料却以指数方式地上升，如前往土星的卡西尼探测船，发射的泰坦4B型火箭，当中99.5%重量均为燃料，可想而知，化学燃料推进是多么低效率的方法。在太阳系的行星中穿梭，直线航行并非理想的路线，现在的探测船均使用赫曼转移轨道(以太阳为焦点连接行星的椭圆轨道)，再配合行星推助的技术航行(探测船经过行星时偷取行星的能量加速或减速)。可是这方法的成本仍很高，如木星轨道器伽利略号中，它总重量的42%为化学燃料。为了解决这问题，科学家现透过数学方法发展出一套可以用极少燃料甚至是零燃料便可以在行星中穿梭的方法，称为「行星际传输网络」。就像横渡越海洋的船只借助洋流一样，天空中也有类似连接起行星的管道，只要探测船进入了管道，推进探测船就不须能量，便会沿管道滑行在太阳系中穿梭。形成这无形管道的力量，就是宇宙间的万有引力。以太阳和地球为例，太阳和地球之间的重力在5处不同的地方刚好互相抵消，称为拉格朗日点L1-L5，物体可以停留在拉格朗日点中而不受重力影响，即使点中没有物质，物体也可以围绕拉格朗日点公转。选取适当的初始速度，探测船便可以由地球到达绕L1或L2的轨道，这些轨道的集合形成了行星际传输网络的管道。数学家发现，在两颗互相公转的天体，总会存在这些管状的曲面，当物体位处管上，便会被驱往或驱离L1或L2。在管上行走，不用能量，重力自然会把物体送到目的地。近期美国太空总署收集太阳风样本的创世号探测器便是利用这轨道，仅需负载4%的燃料，便可以环绕L1两年时间收集样本再滑行把样本送返地球。这方法虽然令任务时间增加，却大大节省燃料。当不同行星之间的管道在重力之舞下连接，物体更可由一条管道跳往另一管道，因此，在精密的数学计算下，行星间的管道可以变成一条行星际的高速公路，让探测船在行星中穿梭。科学家正考虑，在未来的日子，首先在地月之间的L1点兴建永久的中转站，成为往后前往各行星旅程的起点，那么，到太阳系旅行，就不再是梦想了。