引力弹弓原理是什么?旅行者一号如何飞出太阳系?盗取动能是关键

引力弹弓原理是什么?旅行者一号如何飞出太阳系?盗取动能是关键

首页休闲益智飞翔引力更新时间:2024-04-27

引力弹弓早在上世纪70年代就已经被我们成熟运用,目前距离飞行距离最远的是1977年发射的旅行者一号。这颗探测器并不具备远航的持续动力系统,但仍旧已经飞行了237亿公里,是目前为止唯一一颗已经掠过柯伊伯带的人造飞行器。探测器从地球发射升空,其速度只有第一宇宙速度,也就是每秒7.9公里。后续经过加速脱离地球引力时,速度达到了第二宇宙速度每秒11.2公里以上,现在的旅行者一号速度已经超过了第三宇宙每秒16.7公里,目前旅行者一号正以每秒17.043公里的速度飞向太阳系外。

我们知道旅行者一号并没有持续加速功能,它是如何获得第三宇宙速度的呢?这其实就是引力弹弓技术的运用。引力弹弓技术在名字上很容易让人误解,引力对探测器起到的是辅助作用并不是主要作用。很多人认为探测器是被行星引力捕获时,引力将探测器拉扯达到的加速目的,其实并不是,引力势能无法对探测器进行实际的加速操作。真正对探测器加速的是行星的公转动能。

为什么给探测器加速的不是引力势能而是行星动能呢?这一点很多人可能没有想明白,如果你玩过单摆就能大致了解这个问题。单摆其实就是最简单的引力势能运动,当你将单摆按自由落体下落时,单摆会来回摆动,但是摆动的高度不会超过你最初拿起小球时的高度。当你拿起小球时,小球获得了地球引力对小球施加的势能,也相当于你在对小球做功,抵抗地球引力给小球充能。当你放下小球后,小球摆动到最低点时势能转化为动能,获得最高速度。当小球再次摆动到最高点时,动能转化为势能速度降低到零。

这就相当于一颗探测器靠近行星时,当它被行星引力捕获就获得了行星的引力势能,当探测器飞行到行星附近时获得最高速度,可当探测器飞出行星时又会将引力势能赋予的速度还给行星。也就是说,单靠引力是无法为探测器加速的,就算短时间获得速度,在离开行星时也会将速度还给行星,所以单靠引力势能无法实际给探测器加速。但是探测器经过行星轨道时又确实获得了加速效果,这又是为什么呢?

这就要说到行星可以被其他天体分走的动能了,每一颗行星或者恒星都携带一定的动能,这种能动是维持行星公转的能量,比如地球围绕着太阳公转,原因就是由地球本身携带的初始动能,如果没有被撞击或者阻力阻挡,地球的动能被消耗。其他行星也一样,它们同样携带着公转的动能,探测器靠近行星获得加速的能量就来自这些行星的公转动能。

当探测器以特殊角度靠近行星时,首先被行星引力捕获,对其加速并将探测器拉向自己,由于行星也在进行公转,同时会将公转的动能赋予探测器。当探测器飞出行星的引力范围时只归还了引力势能赋予的速度,却留下了公转动能的加速效果,这就是引力弹弓效应。相当于利用行星的引力对探测器施加公转的动能,再将探测器弹射出去。旅行者一号就是利用了木星,土星等行星加速到了第三宇宙速度,使得旅行者一号实现了不需要发动机而进行星际旅行的效果。

引力弹弓不仅可以加速,也可以利用引力弹弓变轨和减速,方法和获得加速的过程相反。加速是盗取了行星的公转动能,那么减速就是将动能还给行星,道理是一样的。那如果人类发送几百万枚探测器,如果都去盗取木星的动能获得加速,会让木星停止公转吗?理论上如果将木星的动能全部抽走的话是有可能的,实际上不太行得通。因为木星质量太大了,其公转动能也是极其庞大的。流浪地球计划的原理不就是让地球去盗取木星的动能达到加速的目的吗?让太阳系内侧的几颗星球都跑去木星那盗取能量对木星也没有什么影响。

不过《流浪地球》中,地球先围绕太阳转十几圈再飞出太阳系的操作严格来说并不是引力弹弓技术,因为我们要飞出的是太阳系,需要脱离太阳引力,对于地球来说本身就携带太阳围绕银河系中心公转的动能,所以地球想从太阳上偷取公转能量行不通。地球围绕太阳旋转的加速原理并不算引力弹弓技术,只能算是利用公转的圈数增加航程,使用行星发动机提供的那点加速度,一点一点获得更高的初速度,将地球轨道逐渐变大,让地球每次公转的半径增加,逐渐靠近木星,再利用木星的引力弹弓效应获得更高速度。

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