一、引言

2020年7月23号，中国首次火星探测任务“天问一号”探测器在中国文昌航天发射场点火升空，此次探测器顺利升空，将飞行约7个月抵达火星。天问一号的发射对我国的深空探测领域有重要的意义，对个人而言，也极大的激发了我们对太空的兴趣。

对于未知太空的探索，人类始终抱有巨大的热情，从1957年第一颗人造卫星发射上天开始，人类已经发射了数百颗空间探测器。而探测路程最远的旅行者1号和旅行者2号，分别在2012年2018年相继飞出太阳系。如果你留意的话你会发现，旅行者1号和旅行者2号都几乎在一个平面上航行的。我们都知道，我们生存的空间都是三维立体的，但是太阳系的八大行星几乎都在同一平面上绕着太阳旋转。这个平面被我们称为“黄道面”，通俗来说，太阳和八大行星的形状就像我们盛菜的盘子一样，是一个扁平状的恒星系。

那么，为什么探测器不垂直于这个平面飞出太阳系呢？这样的路程会不会更短呢？太阳系真的如我们所认为的一样是盘状的吗？为什么太阳系的行星不是从各个方向绕着太阳转呢？而想要解决这些问题的话，要从太阳系的诞生开始说起。

行星从各方向绕太阳旋转的假想图（图源网络）

二、太阳系的形状

太阳系由太阳、行星及其卫星、小行星、彗星和星际物质构成，太阳是中心天体，其质量占太阳系总质量的99.8%，其他天体都在太阳引力作用下绕太阳公转^①。太阳进行着热核反应并向外辐射能量，其他行星基本没有核能源辐射(有观点认为巨星内可能存在核反应)，八大行星都在接近同一平面的近圆形轨道上朝同一方向绕太阳公转大行星都以相同方向 (与太阳自转方向相同 )绕太阳作公转运动，称为同向性；行星公转运动的轨道面都在同一平面上(几乎都在太阳的赤道面上)，称为共面性。大部分卫星的运动也具有这种同向性，共面性。

那么，为何太阳系会呈现这种状态呢？这要从太阳系的形成开始说起。太阳系的形成尚未有确定的结论，但是科学家们提出了多种学说，其中太阳星云假说是目前被广泛认可的一个假说之一，最早是1755年康德和1796年拉普拉斯各自独立提出。这种假说认为，太阳系是46亿年前，在一个巨大的分子云的塌缩中形成。这个星云原本有数光年的大小，并且同时诞生了数颗恒星。研究古老的陨石追溯到的元素显示，只有超新星爆炸后的心脏部分才能产生这些元素，所以包含太阳的星团必然在超新星残骸的附近。可能是来自超新星爆炸的震波使邻近太阳附近的星云密度增高，使得重力得以克服内部气体的膨胀压力造成塌缩，因而触发了太阳的诞生^②。

太阳系中行星有几乎圆形的和共面的轨道，这可能表明行星形成在一个扁平的、绕太阳旋转的盘中。天体物理模型认为这种盘是来自旋转分子云核坍缩的恒星形成的一个自然的副产品。但是，流体力学的计算没有把星际间介质的观测状态与被盘围绕的恒星连结起来。在准主序星附近的太阳系尺度的盘子的存在的观测证据在近些年显著增加。这些观测表明，原行星盘的寿命为 100万年到 3000万年。而在2017年2月10日， Science发表了来自美国麻省理工学院的多国科学家所组成的研究团队的科研论文“Lifetime of the solar nebula constrained by meteorite paleomagnetism”，这项研究通过测量陨石中所记录的太阳系早期磁场的变化，首次准确限定了太阳星云的消散时间为太阳系形成之内380万年，为研究太阳系早期的演化过程提供了准确的时间限定^③。

角动量（angular momentum) 在物理学中是和物体到原点的位移和动量相关的物理量。它表征质点矢径扫过面积速度的大小，或刚体定轴转动的剧烈程度。角动量守恒定律是物理学的基本守恒定律之一，大到宇宙天体，小到原子内部都服从这一定律，它在生产、生活、工程技术等方面有着广泛的应用。角动量守恒定律可以通俗的解释为：对一个固定点O或转轴，当物体不受力矩或所受的合外力矩M=0时，物体的角动量L保持不变^④。对于质点，角动量守恒定律的表达式如下：

L=r×mv=常矢量

其中，L为角动量，r为半径，m为质量，v为速度。

对于很多星系来说，它们都是扁平状旋转结构。数学家拉普拉斯的“星云说”指出，星系旋转盘状结构的成因是角动量守恒。对于星系来说，其一开始是一个缓慢旋转的球状气体云，具有初始角动量。在垂直于轴向的径向上，星系由于引力作用慢慢向内收缩，因为引力为有心力，因此星系对转轴的角动量L=rmv守恒，当星系半径r减小时，其速率增大，离心力也随之增大，当离心力增大至与引力恰好平衡时，星系停止收缩。对于轴向不存在离心力，则星系持续收缩，最终在引力的作用下，轴向变得非常扁平。因此星系形成了具有一定半径大小的扁平状旋转结构。

太阳系的结构（图源网络）

转动的星云形成于一个收缩的或坍缩的星际气体云。角动量守恒的趋势导致气体云旋转的更快，变得更平。在一些条件下，气体云分开为两个或更多的块团，这些块团最终形成双星或多星系统。在另一些条件下，转动的星云形成，伴随一个中心集结物（原恒星），它被一个转动的气体（和尘埃）盘所包围^⑤。在这个结构中可能有一个延长的吸积阶段。随后转动盘浓缩为很多小部分（小行星和原行星），它们通过吸积周围小块物质成长为现在大小的行星。在这种消散环境下的太阳系统的形成或许能解释为什么当前的行星包含太阳系中98%的角动量而太阳占总质量的99.9%。气体盘中的消散过程可能也能解释为什么行星的轨道在一个平面上，自转轴是平行的，轨道是近圆形的^⑥。

因此，我们可以得出结论，太阳系之所以是扁平的，是因为在太阳系形成之初，太阳星云就存在角动量，而因为超新星爆炸后，震波使邻近太阳星云密度增高，使得重力得以克服内部气体的膨胀压力造成塌缩，因而触发了太阳的诞生。又因为角动量守恒，导致气体云旋转的更快，变得更平。就形成了太阳系最初的样子。

三、为什么探测器不垂直黄道面飞出

由上面我们可以得出结论，太阳系的确是扁平的。那么，是否垂直于这个扁平的黄道面起飞，探测器就能更快的飞离太阳系呢？答案是，不能。那么，探测器为什么要平行于黄道面发射呢？我们可以从两个方面来解释这个问题。

1、获得更快的初始速度

我们知道，想要逃离太阳系，就必须克服太阳的引力。而引力的方向，是从外面的方向指向质心的。也就是说，无论是否垂直黄道面，都要克服相同的太阳引力。那么，我们为什么要从黄道面发射探测器呢？

探测器要克服太阳的引力逃离太阳系，就必须达到第三宇宙速度。宇宙速度有三级，第一宇宙速度是指人造卫星围绕地球表面作圆周运动时的速度，经过计算为7.9千米/秒。第二宇宙速度是指航天器脱离地球引力场所需的最低速度。经过计算得到第二宇宙速度的值为11.2千米/秒。第三宇宙速度是指航天器脱离太阳引力场所需的最低速度，经过计算可以得到第三宇宙速度为42.1千米/秒。

如果选择从黄道面垂直方向发射探测器，那么，想要逃离太阳系，发射速度就必须达到42.1千米/秒。这需要消耗非常大的能量与火箭级数，目前人类还没有做到这个标准。

但是如果从黄道面水平方向发射，就不需要那么高的速度。这是因为只要从地球公转轨道的前进方向逃逸，就可以加上地球公转轨道的速度大约29.8千米/秒，但逃逸需要同时逃离地球和太阳，因此整体所需的速度为：16.7千米/秒。也就是说朝着地球轨道上再加速16.7千米/秒，即可从太阳系逃逸。这就要比直接加速到42.1千米/秒容易得多。

2、引力弹弓效应

另一方面，由于黄道面存在着八大行星，因此科学家们想出了利用行星的引力来给探测器加速的方法，这个原理也很简单，从天体侧后方切入，让高速公转天体的引力带着探测器跑一会，从理论上来看这个加速加成大约有公转速度的2倍^⑦。

比如为了获得飞出太阳系的最大动能，旅行者1号先后利用了木星与土星的引力来进行弹弓操作，从而获得了完全摆脱太阳引力的能量。旅行者2号先后利用木星、土星和天王星来进行重力加速，但为了观测海王星最大的卫星泰坦，它选择越过海王星的北极。这使得旅行者2号获得了黄道平面外的加速度，同时使它与太阳的相对速度下降^⑧⑨。

总而言之，垂直于黄道面发射一方面并不能使探测器更快的脱离太阳系，另一方面需要更强的动力，需要耗费更多的能源，更多的经费。因此，无论是经济效益还是时间效益都是不合算的。而选择从平行于黄道面的方向发射，我们需要的动力相比之下会更小，具有更好的经济效益，另一方面还可以利用引力弹弓效应，让探测获得额外的动能，因此，我们选择的是更具经济效益和可行性的发射方法。

参考文献

①孙骏, 党兴菊. 太阳系角动量特殊分布的思考[J]. 昭通师范高等专科学校学报, 2003.

②隋宁. 太阳星云的演变[D]. 吉林大学, 2010.

③Huapei W , Weiss B P , Xue-Ning B , et al. Lifetime of the solar nebula constrained by meteorite paleomagnetism[J]. ence (New York, N.Y.), 2017, 2017年355卷6325期:623-627页.

④李小芳, 王志梅. 角动量守恒定律的应用[J]. 长春工业大学学报, 2019.

⑤陈丰, 李雄耀, 王世杰. 太阳系行星系统的形成和演化[J]. 矿物岩石地球化学通报, 2010, 29(1):67-73.

⑥Pfalzner S, Davies M B, Gounelle M, et al. The formation of the solar system[J]. Physica Scripta, 2015, 90(6):068001.

⑦阿门. "引力弹弓"技术将地球推离太阳[J]. 宁波广播电视大学学报, 2015(02):135.

⑧Steed. 旅行者1号驶入星际空间[J]. 求知导刊, 2013, 000(002):39-40.

⑨蔡璐. 旅行者2号传回首批星际数据[J]. 科学世界, 2019(12).