引力弹弓的效应是怎么回事,帮忙解释一下在航天领域,如果让飞船在行星间移动,就得需要具有推进能力的太空飞船 。因为太空没有空气,飞船需从尾部喷出气流才能获得加速的推力 。想要获得更高的速度,飞船就需携带更多的燃料,而增加推进能力所需的燃料质量几乎成指数增长的 。
如果要探索较远的太阳系外围的行星,比如木星或者土星,像利用较早期的霍曼转移轨道(Hohmann transfer orbit)的变轨方式,依靠飞船自带的燃料加速进入目标行星轨道,需要的燃料是异常巨大的 。如果仅仅靠飞船自己的推进能力,探索太阳系外围的行星至今仍是不可能实现的 。
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那么,推力不够怎么办?
航天科学家的应对方法是找一个有实力的“朋友”拉一把 。在太阳系内,行星和大卫星都在以很高的速度做轨道运动 。如果飞船飞行的途中遇到这些质量庞大的天体,就会被它们的引力拽上一把,这会帮助飞船增加飞行速度,也可以帮助飞船用很少的燃料就改变飞行方向 。
这种把行星当作“引力助推器”,利用行星重力场给飞船加速或者减速的过程,被称为引力弹弓效应(Slingshot effect),也称引力助推或绕行星变轨 。
第一艘借助引力弹弓效应到达另一颗行星的探测器,就是1973年11月美国发射的“水手10号”(Mariner 10)水星与金星探测器 。它于1974年2月5日经过金星,并借助金星的引力助推前往水星 。
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引力弹弓的助推原理是什么?
引力弹弓效应,是指利用行星或者其他天体的相对运动和引力来改变太空飞船的速度和轨道,以此来节省燃料、时间和计划成本,携带更多的有效载荷 。
上图是引力弹弓效应的一个简单图示,显示了理想情况下的引力加速:飞船以速度V迎面向行星飞来,在经过引力弹弓效应后,飞船的飞行方向完全改变,速度增加了2U 。飞船在此过程中借助行星获得了“加速”效果 。
这很像是迎着火车前行的方向扔一个棒球,在撞击之后,棒球被反弹回来,并且从火车车体上获得了新的动能 。在引力弹弓变轨过程中,行星将动能传递给了飞船,同时改变了飞船的速度方向 。在弹射过程中,飞船越靠近行星,获得的加速度就越大 。
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在实践中,有时飞船并不一定要完全改变方向,有时飞船也会借助引力弹弓效应进行减速,以便进入预定目标行星的轨道 。
引力弹弓助推的成功案例
如果想要通过引力弹弓效应获得最佳的航行速度,科学家和工程师们需要精确地计算轨道,因为引力弹弓的效果对帮助“助推”的行星的相对位置也有极高的要求 。有的太空计划需要漫长的等待,才能获得最有利的发射窗口 。因此,在某种意义上,太空探索最大的障碍不在于技术,而在于如何选择合适的策略,以尽可能小的代价,取得尽可能多的成果 。下面是两个众所周知的成功案例 。
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1、航天历史上,在太阳系内最著名的飞行当属1977年发射的“旅行者号”(Voyager)计划,两艘“旅行者号”飞船的探索旅途是太空时代的传奇,它们的航道轨迹被学界称作通向太阳系外的“伟大航路(Grand Tour)” 。
1977年8月20日,第一艘“旅行者号”飞船发射成功 。有趣的是,这艘飞船反而称作“旅行者2号”,而“旅行者1号”飞船则在9月5日才离开地球 。这两艘飞船都充分利用了引力弹弓效应 。
“旅行者1号”在飞掠木星和土星时,利用了这两颗大质量行星进行了加速,然后才达到了太阳的逃逸速度 。“旅行者2号”利用了木星、土星以及天王星的助推加速,但在接近海王星时,为了探索海王星的卫星“海卫-1”,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 。最后使得“旅行者1号”比“旅行者2号”更快了 。
科学家从它们传回的信息得出,这两艘飞船分别于2013年和2018年先后飞离了太阳系进入星际空间,成为星际空间的人类探测装置 。
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2、由欧航局ESA、美国宇航局NASA和意大利航天局ASI合作的一个土星系空间探索项目,卡西尼号探测器(Cassini Probe)于1997年10月15日在美国发射升空 。
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