太阳系是扁平的,为什么旅行者一号不垂直向上飞?

用户69282890670


答:向上飞需要达到的逃逸速度,是水平飞出去的3倍多,而且向上飞就不能借助其他行星的引力弹弓效应进行加速,将大大增加发射难度。


我们知道,在地球上的飞行器,需要达到第三宇宙速度v3=16.7km/s,才能凭借惯性飞出太阳系。

像旅行者二号,当初离开地球的速度是10km/s,但是经过木星和土星的加速后,最后还是脱离了太阳引力,目前速度15.5km/s。


之所以不垂直黄道平面向上飞,主要有两个原因:

发射速度大大增加

其中一个关键,就是第三宇宙速度是相对于地球而言的,飞行器要脱离太阳引力,在地球轨道处的逃逸速度为42.2km/s,飞行器正是借助了地球的公转速度29.8km/s,才使得发射速度大大降低。

若飞行器要想垂直黄道平面向上飞,也不是不可以,只是无法利用地球的公转速度,那么发射速度将高于42.2km/s,才有可能脱离太阳引力;若要严格向上飞行,还得克服一部分地球的公转速度,最终的发射速度在53km/s之上。

如此可见,垂直向上飞需要53km/s的发射速度,水平飞行只需要16.7km/s的发射速度,换算成能量可相差了十倍多,目前的航天技术,根本达不到如此高的发射速度。


无法利用引力弹弓效应

另外,飞行器在经过大天体时,如果切入方位合适,就可以利用该天体的引力为自身加速,加速的前提,就是飞行器的离开速度方向,和天体的运动至少有一个分量方向一致。

这个很好理解,天体的动量是向前的,那么被加速的飞行器,增加的动量方向必然也是向前的,这样才能保证动量守恒;若飞行器垂直向上飞,当然就无法利用引力弹弓效应加速,也会大大增加飞行器的发射成本。

以上两点,决定了人类目前的飞行器,只能在黄道平面上飞行,无法实现垂直向上飞;或许等若千年后,人类实现了星际航行技术,就有条件垂直向上飞出太阳系。


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艾伯史密斯


题主误解太阳系了,太阳系的范围其实呈现为球体,而非扁平状的。

我们在很多有关太阳系的照片中可以看到,太阳系中的各大行星几乎在同一个平面上绕着太阳运动,但这并不意味着太阳系是扁平的。拥有巨大质量的太阳是太阳系的主宰者,它的引力控制着太阳系中各个天体的运动。而太阳的引力作用并没有方向性,它会朝着各个方向产生相同的引力作用。

因此,太阳系的范围不是扁平状的,而是球形的。如果以太阳引力的控制范围作为太阳系的范围,那么,太阳系是一个半径为1至3光年的巨型球体空间。在太阳系的外边缘,有一个呈现为球壳结构的奥尔特云,其中分布着大量的小天体。

之所以各大行星的公转轨道几乎共面,这与太阳系如何形成有关。在46亿年前,太阳系从一团旋转的原始星云中诞生,随着星云的自转,大量的物质被集中到中心形成太阳,而整个星云也变得扁平化,所以从残留星云中形成的行星几乎会在相同的平面上绕着太阳公转。

因此,旅行者1号不管朝着哪个方向飞出太阳系都是一样的。但由于地球拥有公转速度,旅行者1号朝着太阳系黄道面飞行能够利用这个速度,以达到节省燃料,所以垂直于太阳系黄道面飞出太阳系很费燃料。并且沿着太阳系黄道面飞行,旅行者1号还能顺路去探测木星和土星。


火星一号


额,我想提问者对于太阳系有一定的误解,在我们通常看到的图片当中,太阳系是圆盘状,像一个盘子一样,各大行星也在同一个平面进行运动,但这并不意味着,太阳系就是是扁平的。

简单的说整个太阳系的范围应该是一个球形,这个球形的范围直径大约有2光年左右,那么这个球形内的所有天体,都要受到太阳引力的作用,因为太阳才是主宰一切的中心点。

那么有的同学会问,为什么太阳系会是球形的呢,答案应该和太阳的引力有关,引力是没有方向性的,没有左右和上下之分,它是一种全方位的力,所以引力影响的范围必然是球形的,否则就解释不通。

所以在遥远的宇宙空间之外,科学家们认为有一个球形的云团包裹住了整个太阳系,而这个云团就是奥尔特云,奥尔特云当中有无数的小行星,彗星,陨石等,这里是目前公认的太阳系的边缘地带。

那么既然说整个太阳系是球形的,旅行者一号往哪里飞都是一样的,但是由于地球是围绕太阳进行公转的,我们的飞行器就可以利用公转的速度进行运动,所以不管是运载火箭还是宇宙飞船,沿着黄道面进行飞行是可以节省燃料的。

另外由于八大行星差不多都在同一个平面,且公转的方向都是一样的,所以旅行者一号沿着地球公转的方向飞,不仅可以节省燃料,还可以顺路变轨前往其他的行星,所以旅行者一号就这么一路考察过土星,木星等其他行星。

所以说到这里,答案的结果已经很清楚了,旅行者一号之所以不直直的往上飞,是因为整个太阳系是球状的,而太阳位于这个球的中心点,那么既然是球状的,我们的宇宙飞船往哪里飞都是一样的。

而且我上面已经说了,人类的宇宙飞船在发射的时候,很大程度上利用了地球的公转,如果直直的往上飞的话,非常的浪费燃料,所以不管是航天飞机,还是宇宙飞船,它们都会自西向东进行飞行,然后等到合适的时候再进行变轨……


科学薛定谔的猫


地球之外哪有那么多王法?当然也是可以的呀!

只是…………

人类目前还很弱,垂直往上飞的话,就占不到其他行星便宜了,另外就是无法一窥其他行星的那些个小秘密。

而如果不能给其他行星拍几张写真,还要多花钱(也不知多花钱能不能办到),那么你说,旅行者1号还有什么用?能审批通过吗?

反正我是不会批准的。

八大行星与太阳大小比较,地球在哪儿?图片来自Lsmpascal。


借助其他行星的力量,以便让自己获得加速,这是引力助推。(上图是飞船借助地球的力量)

旅行者2号比旅行者1号更甚,所以,先以2号来举例:

图片来自张天蓉的博文(美国德州大学奥斯汀分校理论物理博士)

注意看上图(可以放大图片看),纵坐标是飞行器相对太阳的速度,横坐标是飞行器飞过的距离AU(太阳到地球的距离)。

图中红色的线代表旅行者2号的速度变化图,你会发现,从地球发射后,其速度一直在降低,因为有个东西在扯着它,这就是太阳引力。

但是,当它飞到木星,通过引力助推,从木星获得一些动量后,其速度哗的一下,就垂直上去了,就好像有主力在拉升(股票用语),离开木星后,其速度又逐渐降低,后来,它来到土星,速度再次被拉升,土星也是个大主力机构,同样,来到天王星海王星,都被再次拉升……


图中绿色的线代表探索冥王星的“新地平线号”探测器,它只借助了一次木星的力量,然后就获得了逃逸太阳系的速度。


上图箭头所指的那根蓝线,代表不同的距离处,逃出太阳时所需要的最小速度。

可以看到,距离太阳越近,需要的逃逸速度就越大,而旅行者2号从地球发射后,其速度一直在太阳逃逸速度之下,也就是说,如果没有木星、土星等兄弟拉一把,它终究还是跳不出太阳的手掌心。

但奇怪的是,新地平线号从发射离开地球后,其速度一直在逃逸速度之上,这是为何?因为它是有史以来以最快的发射速度离开地球的人造物体。

但即使如此,新地平线号也借助了一次木星的引力拉扯,这才不至于后来降到逃逸速度之下。


图片来自张天蓉的博文。

从上图可以看到,旅行者1号只借助了木星和土星的引力助推,由于不再打算去天王星和海王星家借力,这家伙马上就翻脸不认人了,离开土星后,旅行者1号立即与太阳黄道分道扬镳(不是横着飞了),直接朝蛇夫座的方向前进,一直到今天也如此。


对了,上图(b)中有一处错误,你能挑出来吗?


寒木钓萌


太阳系不是扁平的,只是各大行星基本上在黄道面附近运行。

旅行者为什么要沿着黄道面飞行,而不是垂直向上飞行呢?

我觉得有以下几个原因,可能不完全,但是这些因素还是有的。

1,旅行者的飞行目的

旅行者号探测器是外层星系空间探测器,由美国研制并建造,共发射两颗。原名分别是“水手11号”和“水手12号” 。旅行者2号和旅行者1号分别于1977年8月20日和9月5日发射升空。这两个姊妹探测器沿着两条不同的轨道飞行。担负探测太阳系外围行星的任务。

所以如果垂直与黄道面发射,还上哪里去探测太阳系外围行星呢?直接找外星人玩去了!

2,燃料重量有限

旅行者号发射时,太空技术还没有今天这样成熟,再加上成本控制,它能携带的燃料有限,既没有现在成熟的电发动机,也没有太阳风帆之类的未来技术,所以需要靠一种“引力弹弓”的方式接力经过太阳系的各大行星,也就是先到一个行星,在行星周围绕几圈,把速度提上去,然后再摆脱行星才有力气前往下一个行星,不知道是有没有士力架,要是有的话其实给它吃上几条估计也不用这么费劲了。

3,地球在黄道面上自带角动量

尽管地球的赤道和太阳黄道有20多度的交角,但是地球在黄道平面上的角动量分量还是大于垂直方向上的,所以向黄道面发射,探测器还是能借到一部分地球自带的惯性的。

4,银河系还算比较厚

银河系平面和太阳黄道平面有60多度的交角,所以如果外星人来袭击地球,想大刘等科幻作家说的那种,先攻击天王星,木星,一步步再进攻地球的可能性比较小,更大概率来说,外星人会从银河平面角度直接进攻地球,不用绕道去别的行星。

换句话说,如果旅行者的目的单纯,只是向星际邻居表明我们的存在的话,那实际上应该直接60度仰角发射,直接进入银道平面,这样被发现的机会远远超过沿黄道平面离开的概率。

但时候在银盘还是有厚度的,而旅行者号那点可怜的小速度,几千万年也不见得能飞出银河这个盘子,还是有一定的希望被其他文明发现,给他们带去点惊喜的。


科幻直通车冯志刚


正因为太阳系个大行星的运行轨迹是盘形的,旅行者一号才要按照盘形方向飞,因为它要去考察这盘中之物。

迄今为止,人类发射的各种宇宙探测器,都是为了探测太阳系内个大行星或者卫星、小行星的,而向上垂直飞,空无一物,怎么探测?所以题主的这个问题有些荒唐可笑。

当然除此之外,即使今后发射了不需要探测太阳系以内天体的探测器,也还是要在盘中飞,这是因为两个原因,一是利用地球自转公转的力量,借力把飞行器“甩”出去,就像运动员扔铅球一样,转几个圈,那力量就省了许多。二是在飞行途中,还要利用各大行星的引力弹功效应,为探测器获得加速度。

旅行者一号就是在经过木星和土星时,通过引力弹功效应的助推,获得了足以完全摆脱太阳引力的动能。它现在的速度是每秒17.043 公里,超过了摆脱太阳引力每秒16.7公里的第三宇宙速度,已经飞到距离地球213.8亿公里的星际空间,正在向着太阳系以外飞去。

这就是时空通讯的观点,欢迎点评讨论。


时空通讯


之前看过一些类似的问题,比如「人造卫星为何不垂直向上飞」,那些问题的解答很容易——人造卫星并不是要脱离地球引力,所以向上飞不合算。到了旅行者一号的问题上,它本身就是要离开太阳系,所以看起似乎「垂直向上飞」还算是合理的选择。

但是,这只是只考虑了旅行者1号自身推力时的结论。大家可能就会疑惑了,除了自身的推力,难道还有其他的推力吗?这还真有,就是「引力弹弓」。

旅行者一号在飞行过程中,多次利用引力弹弓效应,大幅提高自身的速度,大大减少了能量的消耗。下面,我来解释一下引力弹弓到底是什么。

引力弹弓,用形象的语言来说,就是以一定速度「撞向」飞来的行星,然后发生了弹性碰撞,所以会以更快的速度离开。但是,旅行者一号如何与行星发生弹性碰撞呢?难道不会一头扎进去,就灰飞烟灭了吗?

其实,这里的「碰撞」并不是严格的碰撞,而是一种近似。它是与引力势能发生了碰撞。举个例子,假设飞行器飞向木星,与木星速度相反。但是,这时我稍稍偏一点,就会进入木星的轨道,绕一圈之后,再从木星的轨道飞出。在这个过程中,动量一定守恒,两个天体的动能也守恒。但是,木星由于被航天器的引力微微的拉了一点点,速度有了极其微小的减慢,而航天器的速度却有了大幅的提升。这就是所谓的「引力弹弓效应」。之所以不垂直向上飞,就是因为「上面」并没有什么可以用来加速的行星。


章彦博


首先吧,太阳系是扁平的这种说法本身就是不正确的。太阳的引力作用在以太阳为中心的每个方向都有,因此严格来说太阳系应该是一个球形的。只不过由于太阳系形成之初的某些因素,导致了已知的太阳系的行星都在近似同一平面公转,才让大多数人认为太阳系是扁平的。一些太阳系示意图也无意中误导了一部分人,实际情况并不是这样的。

关于旅行者一号为什么不垂直向上飞,个人认为主要有以下两点原因:

  1. 人造航天器只有达到第三宇宙速度,也就是16.7千米每秒的时候才可以在无需后续加速的情况下摆脱太阳引力的束缚,离开太阳系。但目前人类的科学技术水平很难使航天器加速到这么快,甚至可以说根本不可能。因此说句不好听的,如果垂直向上飞根本飞不出太阳系。庆幸的是天文学上有一个好方法,叫做“引力助推”,也被称作“弹弓效应”。就是借助行星公转速度获得一定的速度增加。经过这样的速度增加,航天器很轻易就可以达到第三宇宙速度。不过这个做法需要航天器接近行星,因此航天器必须朝着行星轨道平面这个方向飞。我的头条有发表过相关文章有详细介绍,有兴趣的读者们可以去看看。

  2. 个人认为航天器成本巨大,制造不易,因此肯定会尽可能的发挥其潜力。如果垂直向上飞行的话,会经过很大一部分空旷的宇宙空间,没有观测成果。单以飞出太阳系为目标不足以发挥其作用。如果在轨道平面附近飞行的话,可以对太阳系的各个行星都进行一个简单的探索,也对人类深入了解太阳系其他行星贡献了一份力量。

旅行者一号目前究竟有没有飞出太阳系,众说纷纭,但不可否认的是,作为一个有着远大目标的航天器,无论在当时还是在现在,都对人类探索未知宇宙做出了不朽的贡献。


张家小智儿


谁告诉你太阳系是扁平的?

自己体会。



哔乎


首先说,太阳系不是扁平的,我们从小学的教科书画的是平的, 这是因为书上画的不会有立体的,实际是,太阳在前领着9大行星一直在向前奔跑着,但为什么要奔跑着,是不是有东西在追它?跑向哪里,哪里是终点,这个我们不知道,总之,太阳是有点忙,有点事,所以领着9个孩子向前跑。

所以,旅行者一号不是垂直向上飞,而是向一侧飞,想飞出太阳系,能不能飞出去,就看太阳让不让了!

还有,如果我们按立体的方式来思考这个问题,地球还到底是不是绕着太阳转的?

地球与太阳是不是在逃难时的偶遇,才跟着太阳跑的?


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