探测器上有额外的能源,比如化学燃料、原子能、太阳能或者等离子体,主要是用于调整姿势、调整轨道、小加速和小减速。比如在“火星全球测量”探测器进入环绕轨道时,需要燃烧燃料来减速。
《火星救援》中的太空船“赫尔墨斯”使用了等离子推进器。这种推进器的特点是效率极高,比通常的化学火箭高出近两个量级,因而很适合长期的太空任务。然而这种火箭的推力相对较小,在大多数时候,“赫尔墨斯”的速度每秒钟只能增加2毫米。这也导致“赫尔墨斯”的变轨需要长时间的积累,计算它的轨道也会比普通的太空船困难。采用化学火箭发动机的太空船的加速时间只有几十到几百秒,相对整个任务来说几乎是一瞬间,每次变轨可以看成是被“猛地踹了一脚”。而计算“赫尔墨斯”的轨道则需要考虑等离子引擎推力的积累效应,会复杂很多。不过对于现代计算机来说,这种计算是小菜一碟,电影里想出变轨方案的物理学家不得不偷偷利用超级计算机来推算轨道的剧情,是过于夸张了。
从科幻电影《火星救援》到霍曼转移轨道,到着陆火星,再到木星和土星探测器,探测器的轨道设计需要精密的规划、精确的计算,在恰当的时刻,经过恰当的地点,并以恰当的角度与恰当的天体相遇。所有这一切,都让我们见识到了数学和物理学的美丽和严谨。