引力弹弓是指利用行星或其他天体的相对运动和引力来改变Tai 空探测器的轨道和速度,从而节省燃料、时间和计划成本。
总的来说,很容易理解,当飞行器飞向一个星球时,因为星球的引力可以加速。然而,很难理解的是,当飞行器飞过星球上空,也就是飞离星球时,星球的引力会使其减速,而加速似乎是不可能的。
但实际上,在使用弹弓效应时,飞行器并不是直线飞越行星。而是会在行星的引力下绕着行星转一个弯,被行星带着前进一段时间,就像卫星绕着行星转一样。
卫星绕行星运行时,除了自身速度外,还与行星同速前进。当卫星与行星运动方向一致时,卫星的速度是两者速度之和。
不仅如此,精确计算还会利用上层行星的引力来加速飞行器。因为飞行器是以曲线运动的,所以飞近和飞离星球的引力效应是不一样的。所以上面说的直线运动,即使加速度大于减速度,也不会完全抵消。
如果角度、距离、速度计算准确,飞行器就不会被星球作为它的卫星捕获,而是被携带前行一段时间。然后由于重力的加速和离心力的增大,飞机又会被甩出去。但是,此时飞机被抛出的速度是行星运动的速度和重力加速度。
想象你在一辆行驶的火车(一辆平板卡车)上奔跑跳跃。上了火车,你还在惯性往前跑,没想到火车刚转弯。在被火车带着前进一小段时间后,你被离心力甩出火车。这个时候你被甩出去的速度就是你原来的奔跑速度加上火车的速度。
这个问题的核心在于“碰撞”,是碰撞赋予了飞船能量。
有些读者可能会疑惑:飞船明明没有撞上天体,为什么还要称之为碰撞?
所谓“引力弹弓”,就是飞船进入某个星球的引力范围,绕着它转半圈,然后反方向飞走。它去的时候,速度叠加在行星的速度上,从而大大提高了飞船的速度。
这种技术常用于星际旅行。比如要飞出太阳系,就需要借助一些大质量天体,比如木星来加速。
我们来考虑一个日常能看到的模型:乒乓球和汽车。
我们知道,汽车的质量远大于乒乓球的质量,所以乒乓球撞击汽车,汽车的速度变化几乎可以忽略不计。
但是,乒乓球就不一样了:相对于地面1m/s的乒乓球,当它以1m/s的速度撞上迎面而来的汽车时,会反弹回来,它的速度是2m/s.
也就是说,在这种近乎完全弹性的碰撞中,乒乓球吸收了汽车的一点能量,大大提高了速度。
与此同时,赛车也损失了一点能量,然而,由于其质量较大,速度并没有明显的变化。
这给了我们一个启示:由于行星都在以非常高的速度运动,所以用它来“弹性碰撞”飞船就足够了。
但是,传统意义上的碰撞显然是不可行的 mdash mdash那会摧毁太空船。
这时候就需要在更广阔的层面上考虑“碰撞”了。
在处理粒子相互作用时,经常会用到碰撞的概念,而由于粒子很难真正相遇在一起,这里的“碰撞”实际上是指一个粒子的轨迹受到另一个粒子的影响。
在这里,确切地说,飞船绕过了天体的后部,转了回来,就像被打了回去一样。在这个过程中,它吸收了行星本身的动能。
也叫“引力弹弓效应”。
引力弹弓是一项非常成熟的航天技术,在现实中应用广泛。
人类首次利用引力弹弓效应是在1959年。当时,苏联月球3号探测器飞到月球南极后面,靠月球引力绕着月球背面转了一圈,拍下了第一张月球背面的图像。
这种引力助推不仅改变了探测器飞行轨迹的平面,还略微提高了速度。
1977年,美国宇航局著名的“旅行者1号”和“旅行者2号”发射了“L 空”,各自携带了一份载有人类信息的金色记录,飞向宇宙深处。
目前,旅行者1号和旅行者2号已经分别在2013年和2018年成为人类进入星际空间的探测器空。
这两个探测器充分利用了引力弹弓效应。旅行者1号飞掠木星和土星时,利用这两个大行星加速,然后就达到了太阳的逃逸速度。
旅行者2号利用了木星、土星和天王星的加速,但在接近海王星时,为了探索海王星的卫星 海逸 海王星的飞行角度导致相反的引力弹弓效应,速度下降一点。
旅行者1号的最终速度比旅行者2号快,首先进入星际空间空。