利用行星引力將探測器甩出去?發明引力彈弓的人真是個天才

薛定諤的貓 2021/08/03 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

1979年1月,星際探測器旅行者一號正在面臨著一個巨大的難題,此時的旅行者一號正處於抵抗太陽引力飛向木星的途中。由於旅行者一號已經在宇宙中飛行了差不多1年半的時間,這使得旅行者一號的速度已經被來自太陽的引力「拖拽」變得更慢,速度最低甚至達到了14公里每秒,而這種速度想要飛出太陽系幾乎沒有辦法辦到,如果再不對旅行者一號進行「加速」,那麼旅行者一號的速度會變得越來越慢,飛出太陽系的任務也將無法完成。

飛行中的旅行者一號

木星將探測器「甩」了出去?

木星上空的旅行者一號

飛躍木星於是在接下來的時間中,旅行者一號近距離地飛掠了木星,並借助於木星強大的引力將自己「甩」了出去,通過這次借助於木星「甩」的力使得旅行者一號獲得了加速,日心速度一度達到37公里每秒,而此時由於旅行者一號已經距離太陽有了一定的距離,使得它此時的速度達到了太陽系的逃逸速度,旅行者一號因此才能夠繼續抵抗太陽的引力向著太陽系之外飛去。

引力彈弓

飛船借力於行星那麼木星是如何為旅行者一號進行加速的呢,科學家們又是怎樣辦到的呢?其實這種借力於其它天體為自己加速的辦法被稱作為引力彈弓,不得不說發明引力彈弓的人簡直就是一個天才,它將我們宇宙中的星球當作了一個個的「加油站」,這些天體為我們的探測器提供了一種天然的加速「燃料」,使得我們的探測器只需要極少的燃料便能夠進行長距離的星際旅行,那麼究竟什麼是引力彈弓,又是哪位天才提出了這個辦法呢?

太陽系的構造對探測器的影響

想要瞭解引力彈弓我們必須瞭解一下我們太陽系的構造,太陽是我們太陽系的核心,所有的天體都在圍繞著它旋轉,而我們的地球是太陽系由內向外的第三顆行星,因此我們想要在太陽系內進行星際旅行必將面臨著兩種情況,第一種我們將背著太陽向著太陽系的邊緣飛去,第二種我們向著太陽也就是太陽系的中心飛去。

向著太陽系之外飛

這兩種情況都會面臨著一個巨大的問題,那就是太陽強大的引力,當我們向著太陽系的邊緣飛去時,太陽的引力會在核心「拖拽」著我們,我們的速度將會逐漸變得更慢。而想要逃離太陽系,我們必須要達到一定的速度,通過計算這個速度值大約為16.7km/s,而這個速度也被稱之為第三宇宙速度,想要一直保持這個速度甚至達到這個速度以上,那麼我們必須攜帶更多的燃料,不然就算我們達到了一定的速度我們也會被太陽的引力將速度減緩下來,從而無法飛出太陽系。但是攜帶的燃料越多所需要負荷的也要呈指數增加,這就使得我們無法攜帶無限多的燃料。

向著太陽系內飛

第二種當我們向著太陽系的核心飛去,如我們將要飛到水星時,太陽會對我們進行加速,使得我們的速度太快從而無法被水星所捕獲。

引力彈弓的提出

而這時候引力彈弓就可以發揮巨大的作用,引力彈弓用一句話來說明就是我們利用行星或其他天體的相對運動和引力改變飛行器的軌道和速度,簡單來說就是我們利用行星的重力場來給探測器加速甚至減速,其實最早提出這個辦法的人是前蘇聯科學家尤裡·康得拉圖克,它在1918年發表的一篇論文《致有志於建造星際火箭而閱讀此文者》中首次提出了這個概念,同時他還設計出了人類登月的一些辦法並被NASA所採納。

引力彈弓的初次使用

行星排列然而在當時,人類並未飛出地球,飛機也才出現十幾年的時間,航太技術也還遠遠不完善,同時這種技術需要經過大量精確的計算,因此人類真正運用引力彈弓效應的時間是在上世紀70年代。

在當時人們通過天文觀測和計算,發現當時的太陽系給我們提供了一次絕無僅有的探測環境,那就是木星、土星、天王星、海王星這四顆氣態行星幾乎都處於太陽的同一側,如果在當時我們發射一顆探測器就可以利用它們的引力進行加速,從而達到使用較少燃料一次性造訪這四顆氣態行星的目的,而這種排列機會大約需要176年才會出現一次。

旅行者號取得的偉大成就

兩艘旅行者號發射NASA利用當時這絕無僅有的機會發射了兩艘星際探測器旅行者一號以及旅行者二號,兩艘探測器的發射都取得了巨大的成功。儘管在44年後的今天,這兩艘探測器所創造的歷史依舊無人超越,其中旅行者一號仍然是人類目前飛得最遠的探測器。而旅行者二號也是人類唯一一艘一次性造訪四顆氣態行星的探測器。也是人類唯一一顆造訪過海王星和天王星的探測器。

探測水星面臨的問題

信使號

信使號其實除了旅行者號利用了引力彈弓效應加速以外。在2004年NASA的水星探測任務中信使號探測器也利用了引力彈弓效應進行了減速。在信使號前往水星的過程中。由於信使號受到了太陽引力的拉扯。使得它的速度越來越快。如果我們不人為地對它進行干擾的話。那麼信使號只需要3個月左右的時間便可以到達水星附近。然而當信使號以如此高速的速度沖向水星時,它將面臨兩種結果,第一種直接撞擊到水星大陸之上粉身碎骨,第二種繞開水星直沖太陽並被太陽的高溫熔化。

信使號的夢幻旅程

信使號路線圖

到達水星為了防止這種情況的發生,NASA指揮著信使號在長達6年半的飛行時間裡,歷經5次軌道修正以及一次飛躍地球、兩次飛躍金星、三次飛躍水星的過程,最終飛行總里程達到了驚人的飛行了約79億千米。

在這6次飛躍行星的過程中的信使號充分進行了引力彈弓效應進行了減速,並最終在2011年03月18日成功進入水星軌道,成為人類歷史上的第一顆水星衛星。

沒有捷徑可言

當然也有人會提出這樣的一個問題,既然向內飛太陽會對我們加速,向外飛太陽會對我們減速,那麼我們向著上下飛會怎麼樣?其實這是對我們太陽系的一個誤解,雖然我們的太陽系的天體排列是一個近乎扁平的狀態,然而太陽對整個太陽系的引力束縛是一個「立體」的狀態,也就是說我們就算向著上下飛也是會面臨太陽的引力影響,而上下飛我們還無法獲得行星的引力彈弓效應進行加速和減速,因此上下飛的想法也就無法實現!

 

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