太阳系是扁平盘状为何发射的探测器不垂直往上飞?

幽草Vic


在这里有一个误区,你如果仅仅把太阳和八大行星看成是太阳系,那么在这种情况下你可以把太阳系看成是扁平状的。因为八大行星的轨道面都贴近于黄道面,这与太阳系的形成有必然的联系也是必然的结果。但是除了八大行星之外,还有大量的小行星、彗星或者太空碎片等都受太阳的引力作用,那么太阳系就不能被看作是扁平的。


首先八大行星之外还有柯伊伯带,在这里有着大量的小行星和矮行星,冥王星被开除大行星行列之后被定义为矮行星,位于柯伊伯带。科伊伯带的整体外形也接近于扁平状,本质原因还是距离太阳有点近。在更外的一圈就属于假想中的奥尔特云了,在这里存在着大量的长周期彗星,外边缘的半径大约是1光年,因此太阳系可以看成是直径2光年的一个球状系统,而并不是扁平的。

而人类发射探测器之所以不垂直于向上或者下飞,大体上有几点原因:

首先探测器探测目标是什么?

任何国家都一样发射一艘探测器消耗数亿资金,不能就为了看看“烟花”而已吧?例如上个世纪七十年代NASA发射的旅行者号姐妹,它们的主要任务就是探测木星、土星、天王星、海王星及其它们的卫星。那么垂直向上飞是探测什么?

旅行者号姐妹在探测任务结束后不受控撞击也不返回,而是向着太阳系外飞行,目前旅行者一号已经飞行42年距离我们220亿公里。

其次要想探测器要想飞出太阳系,无论怎么飞都要受到太阳引力

即使是向上飞行依然要受到太阳的引力作用,必须要超过第三宇宙速度才可以逃离太阳的束缚。那么意味着在飞行的过程中需要时刻进行加速,消耗大量的燃料。并非是燃料消耗不起,主要是带不了那么多的燃料。

而在黄道面上飞行实际上是跟加节省燃料的,只有在变轨的时候才会用到自身的燃料,大多数的时候都是在惯性运动。其次由于外层这几颗大行星的存在,探测器每次绕其运动再离开都是一次加速过程,这就是引力弹弓效应。


图:旅行者二号的速度变化

综上所述,探测器垂直上下飞是“既费力又不讨好”的飞行方式,因此任何国家都不会这样设计探测器的飞行轨道,并且也几乎是难以完成这样的轨道。


科学黑洞


太阳是一个巨大的炽热的理想化的球体,但是在现在所了解的太阳系构想的图中,为了更加形象,太阳系像是一圈一圈的波纹一样为扁平状。


由于太阳系的范围是由太阳引力范围决定的,但是引力又是没有方向性的导致飞行器垂直飞并不会早点飞出太阳系。

我们都知道地球公转轨道大都在太阳系平面内。如果飞行器从太阳系平面飞出的话,不仅可以节省燃料,而且当我们知道飞行器在探测远处的行星时,需要较大行星的引力给以加速,这样子飞行器就会更快的飞出太阳系。

垂直飞行

飞行器要垂直黄道平面发射,需要达到相对于太阳的逃逸速度42.2km/s,而且地球公转是速度29.8km/s。根据速度合成法则,得出飞行器脱离太阳系的最小初速度为52.9km/s,而且在此时飞行器不能借助地球公转。


平面内飞行

地球公转速度大约是29.8km/s,飞行器发射时需要利用地球的公转速度向地球公转前方飞出,不仅可以减少燃料,而且如果要达到太阳的逃逸速度42.2km/s,还需要飞行器提供的速度为12.4km/s。这样的话计算出飞行器从地球出发要逃离的太阳引力的速度是16.7km/s。



总结

两个速度和地球的速度相差了3倍多,如果换成能量的话相差近十倍。事实上还没有哪个火箭🚀 能在近地轨道处达到50km/s以上的发射速度,那是很困难的,就算是美国的帕克太阳探测器都是利用太阳引力加速的。



星球上的科学


宇宙非常之奇特,从局部(地球、太阳系或银河系)来看,是有前后左右上下的,也就是三维的。但是从更大尺度来看,宇宙却是平坦的,也就是一张平面。这类似于以蚂蚁的视角来看草坪。蚂蚁只看到了身边的草丛,是立体的。但是在人的高度,就看到一大片草坪,是平坦的,是一张平面。人之观察宇宙,就目前的视野来看,就是这种感觉了。

更为广大的宇宙到底是无限展开的平面,还是由平面闭合而成的球形?人类还无从知晓。这就好像古人认为天圆地方,地是平坦的,天是盖在地上的锅盖,四周有海(所以地叫四海之内)。后来人们才逐渐知道,平坦的地面闭合起来,形成球面,也就是地球,人类是生活在地球表面上的,从大尺度来说,等同于二维生命。同理,我们今天观察到的宇宙是平面,很可能是球形宇宙的一部分,宇宙最终可能是闭合的平面而构成的球体。

这样就好理解了:为什么太阳系的太阳和行星、慧星等天体都基本处于一个平面;为什么银河系也是一个草帽形的扁圆的形状;为什么我们目力所及的范围也都是处在一个平面上的?原来,我们都在宇宙球体的一个面上生存。只是这个球体太大,我们感觉不到它的起伏和弧度。

因此,你要垂直地飞出这个面,就如同在地球表面跳高一样,需要克服地心引力。你所受到的,有来自于附近天体的引力,还有来自于垂直于这个平面的“向下”的引力。这个力远比你在平面上飞行要克服的力大得多。

目前科学家指出,宇宙中的能量,70%以上是暗能量。正是暗能量使得宇宙不断地膨胀。膨胀是所有天体彼此远离,就如同吹气球,球面上的点彼此远离。那么,我们可以再次形象地想像:我们就是生活于宇宙球体的表面——球面上的二维生物。我们要想垂直跳出这个表面,就要受到宇宙中心的引力,即暗能量的束缚。

当然,还有一个简单的问题:既然太阳系的天体都在一个平面上,你要去探测它,就必须也在这个球面上运行才可以接近它。如果你垂直飞出去,就离目标越来越远了,那还探测啥呢?


大武汉小周公


人类发射探测器可不是让它飞着玩儿的,而是为了让人类对太阳系有更清晰的认识,从地球向太阳系外飞可以顺道研究外侧行星。

太阳系扁平盘状只是我们常见的一个简化模型,实际上太阳系构成很复杂,除了绕太阳运行的八大行星、矮行星,还有无数的小行星、彗星,从轨道上来说,八大行星基本绕太阳黄道面运行,与黄道面的夹角比较小,这样看来太阳系是盘状。

而小行星、彗星等天体,绕太阳运行的夹角可以很大,依据计算机模拟和一些科学预测,太阳周围有球形分布的星云、陨石,这样说来太阳又是球形,只是可能太阳系除了太阳,大部分质量都在“扁平盘”上。

人类科学史400来年,走出地球研究太阳系才几十年,没有能力飞出太阳系,但为了研究太阳系,还是发射了大量探测器,去往土星、木星、海王星等,通过天文望远镜,人类还不能知道这些星球表面特性;因为探测器携带燃料有限,也需要借助行星的引力加速、变轨,探测器也就需要向“盘状结构”的外侧飞行。这是人类可以最快、最全获得太阳系各行星信息的途径。

虽然“向上飞”也能探索太阳系,但是能够得到的数据却少很多,至少没办法对其他行星进行较详细的研究,飞船携带的燃料,也难以支持其飞很远。


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