利用行星引力将探测器甩出去?发明引力弹弓的人真是个天才

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1979年1月,星际探测器旅行者一号正在面临著一个巨大的难题,此时的旅行者一号正处于抵抗太阳引力飞向木星的途中。由于旅行者一号已经在宇宙中飞行了差不多1年半的时间,这使得旅行者一号的速度已经被来自太阳的引力「拖拽」变得更慢,速度最低甚至达到了14公里每秒,而这种速度想要飞出太阳系几乎没有办法办到,如果再不对旅行者一号进行「加速」,那麽旅行者一号的速度会变得越来越慢,飞出太阳系的任务也将无法完成。

飞行中的旅行者一号

木星将探测器「甩」了出去?

木星上空的旅行者一号

飞跃木星于是在接下来的时间中,旅行者一号近距离地飞掠了木星,并借助于木星强大的引力将自己「甩」了出去,通过这次借助于木星「甩」的力使得旅行者一号获得了加速,日心速度一度达到37公里每秒,而此时由于旅行者一号已经距离太阳有了一定的距离,使得它此时的速度达到了太阳系的逃逸速度,旅行者一号因此才能够继续抵抗太阳的引力向著太阳系之外飞去。

引力弹弓

飞船借力于行星那麽木星是如何为旅行者一号进行加速的呢,科学家们又是怎样办到的呢?其实这种借力于其它天体为自己加速的办法被称作为引力弹弓,不得不说发明引力弹弓的人简直就是一个天才,它将我们宇宙中的星球当作了一个个的「加油站」,这些天体为我们的探测器提供了一种天然的加速「燃料」,使得我们的探测器只需要极少的燃料便能够进行长距离的星际旅行,那麽究竟什麽是引力弹弓,又是哪位天才提出了这个办法呢?

太阳系的构造对探测器的影响

想要瞭解引力弹弓我们必须瞭解一下我们太阳系的构造,太阳是我们太阳系的核心,所有的天体都在围绕著它旋转,而我们的地球是太阳系由内向外的第三颗行星,因此我们想要在太阳系内进行星际旅行必将面临著两种情况,第一种我们将背著太阳向著太阳系的边缘飞去,第二种我们向著太阳也就是太阳系的中心飞去。

向著太阳系之外飞

这两种情况都会面临著一个巨大的问题,那就是太阳强大的引力,当我们向著太阳系的边缘飞去时,太阳的引力会在核心「拖拽」著我们,我们的速度将会逐渐变得更慢。而想要逃离太阳系,我们必须要达到一定的速度,通过计算这个速度值大约为16.7km/s,而这个速度也被称之为第三宇宙速度,想要一直保持这个速度甚至达到这个速度以上,那麽我们必须携带更多的燃料,不然就算我们达到了一定的速度我们也会被太阳的引力将速度减缓下来,从而无法飞出太阳系。但是携带的燃料越多所需要负荷的也要呈指数增加,这就使得我们无法携带无限多的燃料。

向著太阳系内飞

第二种当我们向著太阳系的核心飞去,如我们将要飞到水星时,太阳会对我们进行加速,使得我们的速度太快从而无法被水星所捕获。

引力弹弓的提出

而这时候引力弹弓就可以发挥巨大的作用,引力弹弓用一句话来说明就是我们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,简单来说就是我们利用行星的重力场来给探测器加速甚至减速,其实最早提出这个办法的人是前苏联科学家尤裡·康得拉图克,它在1918年发表的一篇论文《致有志于建造星际火箭而阅读此文者》中首次提出了这个概念,同时他还设计出了人类登月的一些办法并被NASA所採纳。

引力弹弓的初次使用

行星排列然而在当时,人类并未飞出地球,飞机也才出现十几年的时间,航太技术也还远远不完善,同时这种技术需要经过大量精确的计算,因此人类真正运用引力弹弓效应的时间是在上世纪70年代。

在当时人们通过天文观测和计算,发现当时的太阳系给我们提供了一次绝无仅有的探测环境,那就是木星、土星、天王星、海王星这四颗气态行星几乎都处于太阳的同一侧,如果在当时我们发射一颗探测器就可以利用它们的引力进行加速,从而达到使用较少燃料一次性造访这四颗气态行星的目的,而这种排列机会大约需要176年才会出现一次。

旅行者号取得的伟大成就

两艘旅行者号发射NASA利用当时这绝无仅有的机会发射了两艘星际探测器旅行者一号以及旅行者二号,两艘探测器的发射都取得了巨大的成功。儘管在44年后的今天,这两艘探测器所创造的历史依旧无人超越,其中旅行者一号仍然是人类目前飞得最远的探测器。而旅行者二号也是人类唯一一艘一次性造访四颗气态行星的探测器。也是人类唯一一颗造访过海王星和天王星的探测器。

探测水星面临的问题

信使号

信使号其实除了旅行者号利用了引力弹弓效应加速以外。在2004年NASA的水星探测任务中信使号探测器也利用了引力弹弓效应进行了减速。在信使号前往水星的过程中。由于信使号受到了太阳引力的拉扯。使得它的速度越来越快。如果我们不人为地对它进行干扰的话。那麽信使号只需要3个月左右的时间便可以到达水星附近。然而当信使号以如此高速的速度冲向水星时,它将面临两种结果,第一种直接撞击到水星大陆之上粉身碎骨,第二种绕开水星直冲太阳并被太阳的高温熔化。

信使号的梦幻旅程

信使号路线图

到达水星为了防止这种情况的发生,NASA指挥著信使号在长达6年半的飞行时间裡,历经5次轨道修正以及一次飞跃地球、两次飞跃金星、三次飞跃水星的过程,最终飞行总里程达到了惊人的飞行了约79亿千米。

在这6次飞跃行星的过程中的信使号充分进行了引力弹弓效应进行了减速,并最终在2011年03月18日成功进入水星轨道,成为人类历史上的第一颗水星卫星。

没有捷径可言

当然也有人会提出这样的一个问题,既然向内飞太阳会对我们加速,向外飞太阳会对我们减速,那麽我们向著上下飞会怎麽样?其实这是对我们太阳系的一个误解,虽然我们的太阳系的天体排列是一个近乎扁平的状态,然而太阳对整个太阳系的引力束缚是一个「立体」的状态,也就是说我们就算向著上下飞也是会面临太阳的引力影响,而上下飞我们还无法获得行星的引力弹弓效应进行加速和减速,因此上下飞的想法也就无法实现!

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