引力彈弓是怎麼一回事?

寧靜廣闊


對宇航技術不瞭解的朋友可能不知道“引力彈弓”是怎麼一回事,其實它就是大型天體的引力場對所經過物體的拖拽效應,比如航天器利用宇宙中星體的引力進行加速或者減速的技術就是對引力彈弓效應的應用,實際上這種技術的應用很常見,除了地球軌道上的人造衛星以及美國人的阿波羅登月活動之外,人類發往遙遠空間的航天器基本上都會應用到這種技術,比如早些年美國人發射的旅行者號、先驅者號、伽利略號、卡西尼號、朱諾號、新視野號等探測器,都應用到了金星,地球,火星,木星等的引力彈弓效應,其目的就是等航天器一步步加速,使其具有更快的速度,但是到了目的地之後,則會利用某星體進行引力彈弓效應下的減速了。



引力彈弓效應也會在一些天然的流浪天體中出現,當它們路過大型天體的時候,其軌道往往就會被這種效應所改變。人類技術操控的引力彈弓效應可以使航天器在節省大量燃料的情況下獲得更快的速度,而且也彌補了火箭發射推力的不足,比如我們向木星、土星等天體發射探測器,地球現有的火箭包括重型獵鷹9號的推力都不夠用,那怎麼辦呢?一個好方法就是將航天器發射到太空中之後,利用地球火星等的引力彈弓效應進一步加速,以獲得飛往木星土星等遙遠天體的速度,這樣就可以到達目的地了,不過這種方法的一個缺點就是比較耗時,另外就是需要對航天器進行精準的入軌、先前的計算和入軌的技術都不能出差錯,不然就會前功盡棄,但是如果成功的話將可以獲得相當於天體公轉速度兩倍的速度。


通常質量越大的星球其引力彈弓效應越強,所以太陽系八大行星中,木星的引力彈弓效應極大,所以它也格外受到宇航學家們的重視,據說它的引力彈弓效應可以將飛行器甩出太陽系,旅行者號的速度就主要是靠木星的引力彈弓效應做到的。

而美國人發射的卡西尼號探測器所經歷的引力彈弓效應尤為複雜,土星在我們地球軌道的外側,但是卡西尼號發射之後,卻是飛往了地球軌道內側的金星,利用金星的引力彈弓效應後又飛向地球外側,經過變軌之後,重新飛往金星,又利用了一次金星的引力彈弓效應,之後它直接飛往地球,通過地球的引力彈弓效應進一步加速後甩向了木星,發射後三年零六個月到達火星,又利用木星強大的引力彈弓效應開始飛向土星,直到發射六年九個多月之後才到達了土星,卡西尼號可以說是繞了一大圈,飛行了幾十億公里,但是它最終到達了目的地。



其實之所以這樣做,也是因為人類還造不出直接將航天器發往遙遠天體的火箭,如果單靠火箭發動機來助推讓卡西尼號到達土星的話,所需要的火箭要比美國人發射阿波羅登月的土星5號還要大得多,其實人類歷史上最大最重的火箭土星5號,也只是做到了把載人飛船阿波羅號直接發射到了距離地球最近的天體月球上而已。


所以,正因為引力彈弓效應的存在,很多大型天體都可以作為航天器的助推發動機或減速器,今後我國的太空探索計劃也將更多地走向深空,對引力彈弓效應的利用也將會越來越多。


人類的方向


除了美國人當年的阿波羅登月之外,世界上所有的關於月球、金星、火星、木星等的探測活動幾乎都要用到引力彈弓效應,不然的話很多探測活動都將無法完成。



先解釋一下什麼叫做引力彈弓?說白了它就是利用行星的重力場來給航天飛行器加速,將它甩向目標,又被稱為引力助推或者繞行星變軌,其原理就是把行星當作"引力助推器"使航天器獲得更大的速度前往目標。


在人類航天史上,凡是進行深空探測的的航天飛行器基本都是經過引力彈弓效應加速的,如今全人類已經發生了近200顆深空探測器,比較著名的有旅行者號、先驅者號、卡西尼號、伽利略號、開普勒號、機遇號等等,其中以美國為最多,這些深空探測器在發射升空之後,根據前往目的地的不同,會經過諸如地球,金星,火星,木星等的引力彈弓效應加速,從而飛向更遠的深空的,質量越大的星球的引力彈弓效應越強,所以太陽系八大行星中,木星的引力彈弓效應極大,據說它的引力彈弓效應可以將飛行器甩出太陽系。


比如美國人往土星上面發射卡西尼號探測器,並非是讓它直接飛向土星,而是首先讓它飛往太陽系內的金星,通過金星的引力彈弓效應再加速飛向地球,接著通過地球的引力彈弓效應將它甩向木星,發射之後的三年兩個來月的時候終於到達了木星,接著依靠木星強大的引力彈弓效應開始飛向火星,終於在發射六年九個多月之後到達了目的地土星,期間卡西尼號飛行了幾十億公里,如果單靠目前的火箭推力的話,這是無法想象的。


可能有的朋友要問了,那麼為什麼美國人當年阿波羅登月計劃時為什麼不用地球的引力彈弓效應呢?這是因為他們造出了推力牛到無敵的土星5號火箭,可以把阿波羅登月和返回艙直接送往月球軌道。而美國人之所以要這樣做,也是因為每次都有宇航員參與的登月活動歷時不能太久,如果利用引力彈弓效應的話,不但耗時太長,而且容易夜長夢多,所以他們選擇了製造巨大的土星5號火箭來完成阿波羅登月計劃,如果其探測計劃不載人的話,美國人很可能不用土星5號火箭,而去利用地球的引力彈弓效應了。



看到這裡,可能朋友們大致都明白了,行星實際上就是天然的航天器發動機,通常只需要航天器做一下變軌就能利用,這樣省時省力省錢的買賣宇航學家們當然不會錯過?更何況目前人類的火箭技術還滿足不了深空探測呢!


科普大世界


引力彈弓是怎麼一回事?

引力彈弓是航天器使用行星的引力進行加速或者減速的一種技術,這對於人類的探測器來說是一種非常常見的技術。原因是我們的深空探測動力技術不夠,為節省燃料起見,需要大質量的行星來提供加速,一般有如下幾種方式。

卡西尼從地球到土星,兩次金星引力彈射和一次地球引力彈射還有一次木星引力彈射,最終到達土星。

進入的角度與方向的不同,獲得的結果也不一樣,一般能達到目標天體公轉速度2倍的加速,這對於在深空探測寶貴的燃料來看絕對是一項免費的加油站。

加速:如果上圖理解起來有些困難,那麼GIF更容易理解一下

減速

總的來說,引力彈弓就是一種不花錢但時間漫長的加速技術,不限時間無人深空探測是沒有問題的,趕時間的救援或者在人登陸火星就得不償失了。


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