「引力彈弓」助力探索太陽系——淺談引力助推

相信絕大部分人都知道,如果從地球發射航天器到太陽系以外,在發射方向與地球公轉方向一致的情況下,速度最起碼要達到16.7千米每秒才可以成功脫離太陽引力的束縛。這個速度被稱為第三宇宙速度。雖然在宇宙尺度上,16.7千米每秒的速度並不算大,但對於人類目前的科技來說還是有些困難。應該說目前人造飛行器還達不到這樣的高速。可是那怎麼辦?難道人類就被困在太陽系中永遠出不去了嗎?

“引力彈弓”助力探索太陽系——淺談引力助推

太陽系 來自網絡

非也非也,雖然目前人類的科學技術還辦不到,但探測器可以多跑點路,去找太陽系其他行星“借”點能量,最終達到同樣的目的。這種做法在天文學上有一個專業的名詞,叫“引力助推”,也被稱作“彈弓效應”。這個想法是由前蘇聯科學家尤里.康德拉圖克首次提出的,也確實進行了一番實際應用。但直到1961年,天文學家邁克爾.米諾維奇才真正意識到引力助推在星際航行中的重要作用。他在解決“三體問題”的時候無意發現航天器在經過繞日行星時,可以藉助行星公轉速度獲得一些速度的增加,這使得航天器很輕鬆就可以達到第三宇宙速度,從而逃離太陽系。進一步研究表明,20世紀七十年代後期,是一次絕佳的機會。在自己的努力下,美國最終開始了旅行者號計劃。到目前為止,兩艘飛船已經到達太陽系的邊緣,甚至已經飛出太陽系了也說不定。

“引力彈弓”助力探索太陽系——淺談引力助推

引力助推 來自網絡

“引力彈弓”助力探索太陽系——淺談引力助推

旅行者號路徑 來自網絡

說到這,引力助推究竟是什麼意思呢?簡單來說,航天器在以合適的角度接近某行星時,會受到行星引力作用,把航天器拉到附近,然後由於航天器速度太快,不會被行星捕獲而是甩出去。但在這個過程中,航天器已經獲得了該行星公轉速度賦予它的速度增量了。也就是說航天器的速度更快了。

“引力彈弓”助力探索太陽系——淺談引力助推

引力彈弓示意圖 來自網絡

也許有人還會問了,這樣看來,這個速度是平白無故來的,好像違反了能量守恆?其實並不是這樣。實際上在這個過程中,該行星的速度有了一部分損失,也就是說行星的公轉速度變慢了。不過由於行星與航天器的質量差異實在是太大了,大到這點速度損失可以忽略不計,因此感覺這部分能量像是憑空多出來的一樣。實際情況和理想情況在這兒是十分接近的。

目前,幾乎所有地外行星的探索都需要藉助引力彈弓效應。雖然路程多跑一些,但飛船可以在現有技術條件下加速到第三宇宙速度。在將來如果我們的征途是銀河系的話,也許還可以藉助太陽繞銀河心的速度。太陽繞銀心的速度大約是250千米每秒,這麼一個性能優良的加速器人類可千萬不能棄之不用啊。

不過引力助推也有自身的缺點和不足。比如合適的發射時機可能需要等好長時間,除此之外距離行星越近速度增加越多,但距離近了行星大氣也會引起飛行器減速,這是一個自相矛盾的問題。不過不管怎麼說,“引力彈弓”確實在太陽系探索過程中幫助人類不少。

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