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【流浪地球小科普】(六)引力弹弓

【流浪地球小科普】(六)引力弹弓

作者: 东门之杨PLUS | 来源:发表于2019-03-02 00:02 被阅读21次

弹弓对于大部分人来说应该都不会感到陌生,甚至许多80后的男人小时候都有过自制弹弓玩耍的经历。用树木的枝叉制作,呈“丫”字形,上两头系上皮筋,皮筋中段系上一包裹小石子的皮块,食指和拇指捏住的同时拉紧橡皮筋,突然一放松,小石子嗖地飞向目标。威力视乎皮筋的拉力,皮筋拉力越大,弹弓的威力也越大。

那么,“引力弹弓”是个什么东西呢?

在电影《流浪地球》中,地球为了逃离太阳系,设定了一个飞往木星的冒险轨道,由此引发了一系列危机,上演了惊心动魄的故事。这种冒险的原因是为了利用木星给地球加速。这种加速的方式俗称引力弹弓(gravitational slingshot)或者叫引力助推(gravity assist)。

引力弹弓就是利用行星的重力场来给太空探测船加速,将它甩向下一个目标,也就是把行星当作“引力助推器”。

利用引力弹弓使我们能探测冥王星以内的所有行星。在航天动力学和宇宙空间动力学中,所谓的引力助推(也被称为引力弹弓效应或绕行星变轨)是利用行星或其他天体的相对运动和引力改变飞行器的轨道和速度,以此来节省燃料、时间和计划成本。

链球是田径比赛中的著名项目,比赛时选手运动员双手握住链一端的柄环,站在投掷圈后缘,经过预摆和3~4圈连续加速旋转及最后用力,将链球掷出。其实引力弹弓的原理在一定程度上与此类似。

由牛顿第二定律F=ma可知,当有力作用F在一个物体m上时,该物体m会获得相应的加速度a。在地球靠近木星时,由于木星对地球的万有引力吸引,木星便会给地球一个加速度,地球在行驶到合适的位置时,点燃发动机以特定的角度驶出木星的引力范围,就会获得一个额外的加速度,以达到飞离太阳系的目的。

地球要飞离太阳系,将依次经过火星、木星、土星、天王星和海王星的公转轨道,那为什么要选定木星做引力弹弓呢?

这是因为木星是太阳系八大行星中质量最大、自转最快的行星,它的质量是其他七颗行星总和的2.5倍,是地球的300多倍,体积更是达到了地球的1300多倍。用木星来做引力弹弓,会使地球获得更大的速度。

引力弹弓目前已经是一种非常成熟的航天技术,在现实中有着广泛的应用。人类第一次利用引力弹弓效应发生在1959年,当时苏联的月球3号探测器从月球南极后方飞过,借助月球的引力绕到月球背面并拍摄了人类第一幅月球背面的图像。这次的引力助推不但改变了探测器的飞行轨道平面,也少许增加了速度。

1977年,NASA著名的旅行者1号和旅行者2号发射升空,各携带带有人类信息的金唱片飞往宇宙深处。目前,旅行者1号和旅行者2号分别于2013年和2018年先后成为进入星际空间的人类探测器。这两枚探测器就充分利用过引力弹弓效应,旅行者1号在飞掠木星和土星时,利用了这两颗大行星进行了加速,然后才达到了太阳的逃逸速度。旅行者2号利用了木星、土星以及天王星的加速,但在接近海王星时,为了探测海王星的卫星”海卫一“,飞掠海王星的角度导致了相反的引力弹弓效应,速度下降了一些。导致最终速度旅行者1号比旅行者2号要快,首先进入星际空间。

携带地球名片的先驱者10号和11号探测器也利用过木星的引力弹弓效应进行加速。卡西尼-惠更斯土星探测器,也利用过地球、金星以及木星的引力弹弓效应。此外,还有黎明号探测器、尤利西斯探测器等等都利用过这种技术,简直不胜枚举。这里再强调一句,引力弹弓效应不但能够加速探测器,当然也可以减速探测器,诀窍在于飞掠行星的位置,这里就不展开说啦。最近的例子是2018年发射的帕克太阳探测器,该探测器就要利用金星的弹弓效应一次次逐渐降低轨道速度,逐渐靠近太阳。

引力弹弓既可用于加速飞行器,也能用于降低飞行器速度。例如电影《星际穿越》中,库珀为使“巡逻者”号飞船到达米勒星球,这就需要降速c/3,他采用的方案是利用一颗中子星进行引力弹弓减速。

这次的分享就到这里,下一次我们来聊聊洛希极限。

往期文章:

【流浪地球小科普】(一)流浪的行星

【流浪地球小科普】(二)红巨星与氦闪

【流浪地球小科普】(三)宇宙速度

【流浪地球小科普】(四)人工重力

【流浪地球小科普】(五)重核聚变


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