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利用行星引力將探測器甩出去?“引力彈弓”的神奇之處

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在《流浪地球》的設(shè)定中,人類為了能夠移動地球,在地面上安裝了萬臺超級核聚變發(fā)動機,每座高1.1萬米,總共能產(chǎn)生150萬億噸的推力。嚴(yán)格來講,力的單位要用牛頓,換算一下,大約是150億億牛頓。

我們知道,地球的質(zhì)量大約6億億億千克,利用牛頓第二定律,可很容易計算出發(fā)動機推動地球的加速度,大約等于0.000000025倍的地球表面重力加速度,非常非常小。要想讓地球加速到逃逸太陽的速度需要漫長的時間?;诘厍蚶@太陽的速度為30公里/秒,地球逃逸太陽的速度為42公里/秒,也就是說,還需要12公里/秒的速度增量。

除此之外,劇中還設(shè)定了地球飛往木星的場景。你可能會問,既然是往太陽系之外飛,為什么還要與木星有個約會呢?這是因為利用木星的引力彈弓可以為地球提速。

地球擺脫木星的引力,踏上飛往比鄰星的漫長旅程(劇照)

“引力彈弓”是怎么回事兒?

引力彈弓(gravitationalslingshot)或者叫引力助推(gravityassist)是一種利用大天體的引力為探測器改變速度的方法,既可以增加速度,又可以減小速度,還可以改變速度的方向。

且慢,木星的引力是保守力啊,也就是說當(dāng)探測器靠近的時候是加速過程,當(dāng)探測器遠(yuǎn)離的時候是減速過程,兩次的效果相互抵消啊,這樣分析的話,探測器并不能從木星的引力場獲得能量,只是能改變飛行方向,問題出在什么地方了呢?

為了簡單起見,我們來舉一個生活場景中的例子:當(dāng)你還是個熊孩子的時候,很調(diào)皮的那種,一輛汽車以速度V1從前方駛來,你一腳以速度V2把足球踢飛,正巧與汽車迎面相撞,此時,相對于汽車而言,足球的速度為V1+V2,假設(shè)足球與汽車為完全彈性碰撞,沒有動能損失,那么,當(dāng)足球從汽車上彈開的時候,相對于汽車的速度大小也是V1+V2,但此時足球相對于地面的速度大小為V1+V2+V1=2V1+V2,也就是說足球獲得了2倍的汽車速度的增量。因為汽車的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于足球,所以不用復(fù)雜的能量和動量守恒公式,我們口算就得到了答案。理解了這個簡單的思想實驗,引力彈弓就容易理解多了。

相對于木星而言,探測器進來又飛走了,速度大小并沒有改變,但是木星圍繞太陽以每秒13公里的速度在運動,如果探測器從木星前面進入木星引力場,然后從木星后面繞一下就出引力場,那么就相當(dāng)于探測器與木星進行了一次彈性碰撞!

假設(shè)探測器進入木星和飛出木星引力場后速度平行,那么相對于太陽而言,探測器就獲得了2倍木星速度的增量。但現(xiàn)實中,探測器都是以一定的角度進入木星引力場的,偏折角度沒那么大,獲得的速度增量也沒有那么大,但道理都是一樣的。

那么還有一個問題,探測器增加的能量來自于哪里呢?不是來自于木星的引力場,而是來自于木星的動能。也就是說,探測器增加速度后,木星的速度會降低一點點。鑒于木星與探測器質(zhì)量的巨大差別,速度降低忽略不計。

彈弓效應(yīng)不但能夠加速探測器,而且能夠?qū)μ綔y器進行減速,原理就是上面所說的相反的過程了。

引力彈弓的應(yīng)用實例

引力彈弓是一種非常成熟的航天技術(shù),現(xiàn)實中有著廣泛的應(yīng)用。人類第一次利用引力彈弓發(fā)生在1959年,當(dāng)時蘇聯(lián)的月球3號探測器從月球南極后方飛過,借助月球的引力繞到月球背面并拍攝了人類第一幅月球背面的圖像。那次的引力彈弓不但改變了探測器的飛行軌道平面,也少許增加了速度。

蘇聯(lián)的月球3號探測器傳回的世界第一幅月背照片

1972年,“先驅(qū)者10號”發(fā)射,1973年抵達木星系統(tǒng),探測完木星后利用彈弓效應(yīng)進行了加速,然后踏上了飛往星際空間的旅行。

先驅(qū)者號探測器

1973年,“先驅(qū)者11號”發(fā)射,1974年抵達木星系統(tǒng),探測完木星后利用引力彈弓對速度的大小和方向進行改變,然后飛向土星;在探測完土星后,又借助了土星引力彈弓再次加速,也踏上了飛往星際空間的旅行。

先驅(qū)者10號和11號就是攜帶“地球名片”的著名探測器。所謂的地球名片是由鍍金的鋁板制成,上面刻畫有一對裸體的男女,刻畫有探測器的飛行軌跡,刻畫有太陽系的坐標(biāo)以及代表人類科技發(fā)展水平的中性氫原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)躍遷。萬一將來有一天,這兩枚探測器被外星智慧生命俘獲,他們或許能從中解析出探測器是從何而來,來自于什么程度的文明社會等基本信息。其中裸體男性舉起右手打招呼,表示地球人是友好的,為和平而來。

先驅(qū)者號探測器攜帶的地球名片

1974年,美國宇航局(NASA)水手10號探測器在飛掠金星并對金星探測后,成功利用金星的引力彈弓進行了減速,使得探測器軌道的近日點降低到水星軌道附近,然后又對水星進行了飛掠探測。

水手10號探測器

1977年,NASA分別發(fā)射了“旅行者2號”和“旅行者1號”探測器(沒錯,“旅行者2號”先于“旅行者1號”發(fā)射),兩顆姊妹探測器上各攜帶有一張名片為“地球之音”的銅質(zhì)鍍金唱片,鍍金唱片內(nèi)記錄了人類日常的116張圖片和各種自然聲音,比如海浪聲、風(fēng)聲、打雷聲以及鳥鳴聲等等,希望有一天能被其他高等外星生命收到和解讀。

目前,“旅行者1號”和“旅行者2號”分別于2013年和2018年先后成為進入星際空間的人類探測器。

這兩枚探測器也充分利用過引力彈弓?!奥眯姓?號”在飛掠木星和土星時,利用這兩顆大行星進行了加速,然后才達到了太陽的逃逸速度?!奥眯姓?號”利用了木星、土星以及天王星的加速,但在接近海王星時,為了探測海王星的衛(wèi)星“海衛(wèi)一”,從海王星的北極飛掠,改變了速度的方向,稍微降低了相對于太陽的速度。

旅行者號探測器利用木星引力彈弓加速示意圖

1989年,NASA的伽利略木星探測器由阿特蘭蒂斯號航天飛機攜帶至地球軌道,然后利用一枚固體末級火箭推動逃逸出地球。1990年分別利用金星和地球的引力彈弓加速,1992年又利用一次地球的引力彈弓加速,隨后踏上前往木星的征程,1995年12月抵達木星。

伽利略木星探測器

實際上,如果用一枚強大一些的末級液體火箭,伽利略探測器可以直接從地球近地軌道飛往木星,無需利用浪費時間的金星和地球的引力彈弓。那為什么沒用液體火箭呢?我們知道,1986年,挑戰(zhàn)者號航天飛機發(fā)射后發(fā)生爆炸,機上7名航天員全部遇難。因此,在后續(xù)的航天飛機發(fā)射任務(wù)中,確保絕對安全成了第一要務(wù)。最后,液體火箭的方案換成了固體火箭方案。由于固體火箭提供的能量比液體火箭少,只能后續(xù)借助金星和地球的引力彈弓才能飛到木星。

1990年,NASA和歐空局(ESA)聯(lián)合研制的尤利西斯太陽探測器由發(fā)現(xiàn)號航天飛機攜帶至地球軌道,同樣利用一枚固體火箭再加速逃出地球引力,由于該探測器的質(zhì)量較小,這次能夠直奔木星。說到這里你可能會問,“尤利西斯”是一枚太陽探測器,為什么要飛往木星呢?實際上,飛往木星的目的是為了借助木星的引力彈弓改變探測器的飛行軌道。尤利西斯探測器為了能夠?qū)μ柕膬蓸O進行探測,要進入太陽的極軌。我們知道,太陽系內(nèi)的大行星都運行在幾乎同一個平面內(nèi),要想獲得一個垂直于這個平面的軌道是很難的,需要很大的速度改變,這里的速度改變主要是指方向的改變,木星的引力彈弓恰恰可以幫助做到這一點。

尤利西斯太陽探測器

1997年,由NASA和ESA合作的卡西尼-惠更斯土星探測器發(fā)射升空,1998年和1999年兩次利用金星的引力彈弓加速,1999年還利用了地球的引力彈弓加速,2000年又利用了木星的引力彈弓加速,2004年進入繞土星的軌道,這一系列的引力彈弓借力堪稱經(jīng)典之作!

卡西尼- 惠更斯探測器

其實,更漂亮的還在后面,探測器在抵達土星后的十幾年里,又多次利用“土衛(wèi)六”的彈弓效應(yīng)進行各種花式變軌,目的是為了對土星及其衛(wèi)星系統(tǒng)有更立體的了解。土衛(wèi)六是土星的最大衛(wèi)星,也是太陽系內(nèi)第二大的衛(wèi)星,最大的衛(wèi)星是木衛(wèi)三。

2004年,NASA的信使號水星探測器發(fā)射升空。2011年,信使號成為第一枚進入水星軌道的探測器(此前,水手10號探測器并沒有入軌)。要想進入水星軌道可沒那么簡單,水星是太陽系最內(nèi)側(cè)的行星,引力相對較小,又沒有大氣,探測器必須想辦法降低速度才能被水星引力俘獲,因此,信使號先后利用一次地球、二次金星和三次水星的引力彈弓減速剎車后才被水星引力俘獲。

此外,還有探測彗星的“羅塞塔”探測器,探測木星的“朱諾”探測器也都利用了引力彈弓。2018年發(fā)射升空的帕克太陽探測器和探測水星的貝皮·科倫坡探測器在接下來的數(shù)年里也將一次次利用彈弓效應(yīng)對軌道進行調(diào)整。

“洛希極限”是什么意思?

《流浪地球》中,人類為了利用木星的引力彈弓加速,把地球推往飛向木星的危險軌道。

當(dāng)推動地球前進的核聚變發(fā)動機發(fā)生故障時,地球離木星越來越近,即便后來發(fā)動機恢復(fù)運轉(zhuǎn),但仍然無濟于事,地球仍然在接近木星。地球人陷入絕望之中,到了該吃吃該喝喝的狀態(tài)。如果地球越過木星的洛希極限距離時,木星的潮汐力就會把地球撕碎!在千鈞一發(fā)時刻,人類靠點燃木星和地球氧氣混合氣體的方法,成功把地球推離危險軌道。因此,引力彈弓有風(fēng)險,利用需謹(jǐn)慎。

地球靠近巨大木星時,行星發(fā)動機噴出的等離子體火焰顯得非常纖弱無力(劇照)

地球的部分大氣層已被木星的引力吸走(劇照)

要想說明白什么是洛希極限,要先來了解一下什么是潮汐力。當(dāng)我們在海邊的時候,能看到潮漲潮落現(xiàn)象,這是由于太陽和月球?qū)Φ厍虻某毕ΑS捎谠虑虮忍柦枚?,對地球的潮汐力大約是太陽的兩倍,因此,我們主要考慮月球?qū)Φ厍虻某毕?。地球和月球其實可以看做一個雙星系統(tǒng),月球的非均勻引力場加上地球繞系統(tǒng)質(zhì)心的轉(zhuǎn)動,使得地球靠近月球的一側(cè)和遠(yuǎn)離月球的一側(cè)都會隆起一個“鼓包”,這兩個鼓包的隆起就是潮汐力的撕扯作用。

在天體力學(xué)中,洛希極限又稱洛希半徑,最早由法國天文學(xué)家洛希提出,因此稱為洛希極限。我們就拿地球接近木星作為特例簡單說一下:地球的物質(zhì)結(jié)合在一起的主要作用力是自身的引力,當(dāng)?shù)厍蚩拷拘堑臅r候,木星會對地球產(chǎn)生強烈的潮汐撕扯作用,當(dāng)潮汐力超過地球自身物質(zhì)的重力結(jié)合作用時,地球就會被撕裂。地球剛開始被撕裂時,離木星的距離就是洛希極限。

實際上,計算表明,地球飛往木星的洛希極限小于木星的半徑,因此,直到地球撞上木星的時候也還沒被撕裂呢。嚴(yán)格來講。洛希極限有兩種:一種是流體的洛希極限,一種是剛體的洛希極限,實際情況總是介于兩者之間。

有一個有趣的例子,土星是一個美麗的天體,像一個大草帽,又被喻為“宇宙指環(huán)王”。土星的光環(huán)就位于洛希極限內(nèi),光環(huán)中的物質(zhì)無法靠自身的引力聚合成較大的天體。實際上,土星環(huán)可能就是由土星的一顆天然衛(wèi)星越過洛希極限被撕裂形成的。當(dāng)然也可能是土星形成時剩余的物質(zhì)。

美麗的土星環(huán)就位于洛希極限內(nèi)

還有一個有趣的例子,火星的衛(wèi)星“火衛(wèi)一”早晚會進入火星的洛希極限內(nèi),被火星撕裂,形成圍繞火星的環(huán)狀系統(tǒng),科學(xué)家估計這個時間大約只有3000萬年到5000萬年。

評論
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大學(xué)士級
引力彈弓效應(yīng),它是航天領(lǐng)域中一種巧妙利用行星或天體引力來改變探測器速度和軌道的技術(shù),它不僅能夠加速探測器,還能改變其飛行方向,是深空探測中節(jié)省燃料、延長任務(wù)壽命的關(guān)鍵策略。這一技術(shù)的應(yīng)用,不僅展現(xiàn)了人類對天體力學(xué)的深刻理解,也體現(xiàn)了航天工程師的智慧與創(chuàng)新。
2024-08-08
科普:zhf
少師級
引力彈弓是一種有效利用天體引力場的技術(shù),可以用于節(jié)省燃料,使航天器能夠到達更遠(yuǎn)的目的地。這種技術(shù)不僅在科學(xué)任務(wù)中被廣泛應(yīng)用,也被科幻作品所采納,成為許多故事中的重要元素。
2024-08-08
無為通達
學(xué)士級
引力彈弓效應(yīng)是一種利用行星或其他天體的引力場來改變航天器軌道和速度的方法,?它不僅可以為航天器加速,?也可以在特定情況下減速,?同時還能節(jié)省推進劑的使用,?是太空探索中一項非常重要的技術(shù)。?
2024-08-08