“引力弹弓”效应是个啥?

简单来说引力弹弓就是利用行星的重力场来给太空探测船或其他单位加速,将它甩向下一个目标,也就是把行星当作“引力助推器”。

简单来说引力弹弓就是利用行星的重力场来给太空探测船或其他单位加速,将它甩向下一个目标,也就是把行星当作“引力助推器”。

下面就给大家做一个简单模型分析。

“引力弹弓”效应是个啥?

如上图,这里的V是指火箭进入引力场时的速度 U是指行星速度

假设你是一个静止的观测者,那么你就会看到:行星以速度U向左运动,飞行器以速度V向右运动。由于两者的运动方向相反,所以当飞行器运行至行星右侧时,其轨道就会发生弯曲,进而以U+V的相对速度(相对于行星表面)运行。

“引力弹弓”效应是个啥?

当飞行器脱离环行星轨道时,其相对于行星表面的速度仍然为U+V,但是此时的运动方向与原来相反——即向左运动。而由于行星本身正以速度U向左运动,所以在观测者看来,飞行器正以2U+V的速度向左运行——其速度提升幅度为2U,即行星运行速度的两倍。由于未考虑轨道的各种细节,所以这是一个过于简单化的模型。

“引力弹弓”效应是个啥?

但是事实证明如果飞行器沿双曲线轨道运行,则其无需启动引擎即可从相反方向离开行星,同时只要其脱离了该行星引力的控制,那么它就可以获得2U的加速度

该理论看似违背了能量守恒和动量守恒定律,但这是由于我们忽略了飞行器对行星的影响。飞行器获得的线性动量在数值上等同于行星失去的线性动量,不过由于行星的巨大质量,使得这种损失对其速度的影响可以忽略不计。

当飞行单位使用 引力弹弓 效应时,不仅可以获得足够多的能量用以支持星际旅行,还能为飞船本身节约不少燃料。现实生活中就有不少飞行器用引力弹弓完成太空探索任务,包括旅行者1号 罗塞塔号

旅行者1号

罗塞塔号

现在人类利用引力弹弓使我们能探测冥王星以内的所有行星。在航天动力学和宇宙空间动力学中,所谓的引力助推(也被称为引力弹弓效应或绕行星变轨)是利用行星或其他天体的相对运动和引力改变飞行器的轨道和速度的一种方案,以此来节省燃料、时间和计划成本。和真正的航天科技来比,或许本文阐述的某些地方或许还不够严谨,但是简单来说,引力弹弓就是这么一回事。

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本文作者:氘氚

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