太陽系是扁平盤狀為何發射的探測器不垂直往上飛?

幽草Vic


在這裡有一個誤區,你如果僅僅把太陽和八大行星看成是太陽系,那麼在這種情況下你可以把太陽系看成是扁平狀的。因為八大行星的軌道面都貼近於黃道面,這與太陽系的形成有必然的聯繫也是必然的結果。但是除了八大行星之外,還有大量的小行星、彗星或者太空碎片等都受太陽的引力作用,那麼太陽系就不能被看作是扁平的。


首先八大行星之外還有柯伊伯帶,在這裡有著大量的小行星和矮行星,冥王星被開除大行星行列之後被定義為矮行星,位於柯伊伯帶。科伊伯帶的整體外形也接近於扁平狀,本質原因還是距離太陽有點近。在更外的一圈就屬於假想中的奧爾特雲了,在這裡存在著大量的長週期彗星,外邊緣的半徑大約是1光年,因此太陽系可以看成是直徑2光年的一個球狀系統,而並不是扁平的。

而人類發射探測器之所以不垂直於向上或者下飛,大體上有幾點原因:

首先探測器探測目標是什麼?

任何國家都一樣發射一艘探測器消耗數億資金,不能就為了看看“煙花”而已吧?例如上個世紀七十年代NASA發射的旅行者號姐妹,它們的主要任務就是探測木星、土星、天王星、海王星及其它們的衛星。那麼垂直向上飛是探測什麼?

旅行者號姐妹在探測任務結束後不受控撞擊也不返回,而是向著太陽系外飛行,目前旅行者一號已經飛行42年距離我們220億公里。

其次要想探測器要想飛出太陽系,無論怎麼飛都要受到太陽引力

即使是向上飛行依然要受到太陽的引力作用,必須要超過第三宇宙速度才可以逃離太陽的束縛。那麼意味著在飛行的過程中需要時刻進行加速,消耗大量的燃料。並非是燃料消耗不起,主要是帶不了那麼多的燃料。

而在黃道面上飛行實際上是跟加節省燃料的,只有在變軌的時候才會用到自身的燃料,大多數的時候都是在慣性運動。其次由於外層這幾顆大行星的存在,探測器每次繞其運動再離開都是一次加速過程,這就是引力彈弓效應。


圖:旅行者二號的速度變化

綜上所述,探測器垂直上下飛是“既費力又不討好”的飛行方式,因此任何國家都不會這樣設計探測器的飛行軌道,並且也幾乎是難以完成這樣的軌道。


科學黑洞


太陽是一個巨大的熾熱的理想化的球體,但是在現在所瞭解的太陽系構想的圖中,為了更加形象,太陽系像是一圈一圈的波紋一樣為扁平狀。


由於太陽系的範圍是由太陽引力範圍決定的,但是引力又是沒有方向性的導致飛行器垂直飛並不會早點飛出太陽系。

我們都知道地球公轉軌道大都在太陽系平面內。如果飛行器從太陽系平面飛出的話,不僅可以節省燃料,而且當我們知道飛行器在探測遠處的行星時,需要較大行星的引力給以加速,這樣子飛行器就會更快的飛出太陽系。

垂直飛行

飛行器要垂直黃道平面發射,需要達到相對於太陽的逃逸速度42.2km/s,而且地球公轉是速度29.8km/s。根據速度合成法則,得出飛行器脫離太陽系的最小初速度為52.9km/s,而且在此時飛行器不能借助地球公轉。


平面內飛行

地球公轉速度大約是29.8km/s,飛行器發射時需要利用地球的公轉速度向地球公轉前方飛出,不僅可以減少燃料,而且如果要達到太陽的逃逸速度42.2km/s,還需要飛行器提供的速度為12.4km/s。這樣的話計算出飛行器從地球出發要逃離的太陽引力的速度是16.7km/s。



總結

兩個速度和地球的速度相差了3倍多,如果換成能量的話相差近十倍。事實上還沒有哪個火箭🚀 能在近地軌道處達到50km/s以上的發射速度,那是很困難的,就算是美國的帕克太陽探測器都是利用太陽引力加速的。



星球上的科學


宇宙非常之奇特,從局部(地球、太陽系或銀河系)來看,是有前後左右上下的,也就是三維的。但是從更大尺度來看,宇宙卻是平坦的,也就是一張平面。這類似於以螞蟻的視角來看草坪。螞蟻只看到了身邊的草叢,是立體的。但是在人的高度,就看到一大片草坪,是平坦的,是一張平面。人之觀察宇宙,就目前的視野來看,就是這種感覺了。

更為廣大的宇宙到底是無限展開的平面,還是由平面閉合而成的球形?人類還無從知曉。這就好像古人認為天圓地方,地是平坦的,天是蓋在地上的鍋蓋,四周有海(所以地叫四海之內)。後來人們才逐漸知道,平坦的地面閉合起來,形成球面,也就是地球,人類是生活在地球表面上的,從大尺度來說,等同於二維生命。同理,我們今天觀察到的宇宙是平面,很可能是球形宇宙的一部分,宇宙最終可能是閉合的平面而構成的球體。

這樣就好理解了:為什麼太陽系的太陽和行星、慧星等天體都基本處於一個平面;為什麼銀河系也是一個草帽形的扁圓的形狀;為什麼我們目力所及的範圍也都是處在一個平面上的?原來,我們都在宇宙球體的一個面上生存。只是這個球體太大,我們感覺不到它的起伏和弧度。

因此,你要垂直地飛出這個面,就如同在地球表面跳高一樣,需要克服地心引力。你所受到的,有來自於附近天體的引力,還有來自於垂直於這個平面的“向下”的引力。這個力遠比你在平面上飛行要克服的力大得多。

目前科學家指出,宇宙中的能量,70%以上是暗能量。正是暗能量使得宇宙不斷地膨脹。膨脹是所有天體彼此遠離,就如同吹氣球,球面上的點彼此遠離。那麼,我們可以再次形象地想像:我們就是生活於宇宙球體的表面——球面上的二維生物。我們要想垂直跳出這個表面,就要受到宇宙中心的引力,即暗能量的束縛。

當然,還有一個簡單的問題:既然太陽系的天體都在一個平面上,你要去探測它,就必須也在這個球面上運行才可以接近它。如果你垂直飛出去,就離目標越來越遠了,那還探測啥呢?


大武漢小周公


人類發射探測器可不是讓它飛著玩兒的,而是為了讓人類對太陽系有更清晰的認識,從地球向太陽系外飛可以順道研究外側行星。

太陽系扁平盤狀只是我們常見的一個簡化模型,實際上太陽系構成很複雜,除了繞太陽運行的八大行星、矮行星,還有無數的小行星、彗星,從軌道上來說,八大行星基本繞太陽黃道面運行,與黃道面的夾角比較小,這樣看來太陽系是盤狀。

而小行星、彗星等天體,繞太陽運行的夾角可以很大,依據計算機模擬和一些科學預測,太陽周圍有球形分佈的星雲、隕石,這樣說來太陽又是球形,只是可能太陽系除了太陽,大部分質量都在“扁平盤”上。

人類科學史400來年,走出地球研究太陽系才幾十年,沒有能力飛出太陽系,但為了研究太陽系,還是發射了大量探測器,去往土星、木星、海王星等,通過天文望遠鏡,人類還不能知道這些星球表面特性;因為探測器攜帶燃料有限,也需要藉助行星的引力加速、變軌,探測器也就需要向“盤狀結構”的外側飛行。這是人類可以最快、最全獲得太陽系各行星信息的途徑。

雖然“向上飛”也能探索太陽系,但是能夠得到的數據卻少很多,至少沒辦法對其他行星進行較詳細的研究,飛船攜帶的燃料,也難以支持其飛很遠。


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