太陽系是扁平的,為什麼旅行者一號不垂直向上飛?

用戶69282890670


答:向上飛需要達到的逃逸速度,是水平飛出去的3倍多,而且向上飛就不能借助其他行星的引力彈弓效應進行加速,將大大增加發射難度。


我們知道,在地球上的飛行器,需要達到第三宇宙速度v3=16.7km/s,才能憑藉慣性飛出太陽系。

像旅行者二號,當初離開地球的速度是10km/s,但是經過木星和土星的加速後,最後還是脫離了太陽引力,目前速度15.5km/s。


之所以不垂直黃道平面向上飛,主要有兩個原因:

發射速度大大增加

其中一個關鍵,就是第三宇宙速度是相對於地球而言的,飛行器要脫離太陽引力,在地球軌道處的逃逸速度為42.2km/s,飛行器正是藉助了地球的公轉速度29.8km/s,才使得發射速度大大降低。

若飛行器要想垂直黃道平面向上飛,也不是不可以,只是無法利用地球的公轉速度,那麼發射速度將高於42.2km/s,才有可能脫離太陽引力;若要嚴格向上飛行,還得克服一部分地球的公轉速度,最終的發射速度在53km/s之上。

如此可見,垂直向上飛需要53km/s的發射速度,水平飛行只需要16.7km/s的發射速度,換算成能量可相差了十倍多,目前的航天技術,根本達不到如此高的發射速度。


無法利用引力彈弓效應

另外,飛行器在經過大天體時,如果切入方位合適,就可以利用該天體的引力為自身加速,加速的前提,就是飛行器的離開速度方向,和天體的運動至少有一個分量方向一致。

這個很好理解,天體的動量是向前的,那麼被加速的飛行器,增加的動量方向必然也是向前的,這樣才能保證動量守恆;若飛行器垂直向上飛,當然就無法利用引力彈弓效應加速,也會大大增加飛行器的發射成本。

以上兩點,決定了人類目前的飛行器,只能在黃道平面上飛行,無法實現垂直向上飛;或許等若千年後,人類實現了星際航行技術,就有條件垂直向上飛出太陽系。


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艾伯史密斯


題主誤解太陽系了,太陽系的範圍其實呈現為球體,而非扁平狀的。

我們在很多有關太陽系的照片中可以看到,太陽系中的各大行星幾乎在同一個平面上繞著太陽運動,但這並不意味著太陽系是扁平的。擁有巨大質量的太陽是太陽系的主宰者,它的引力控制著太陽系中各個天體的運動。而太陽的引力作用並沒有方向性,它會朝著各個方向產生相同的引力作用。

因此,太陽系的範圍不是扁平狀的,而是球形的。如果以太陽引力的控制範圍作為太陽系的範圍,那麼,太陽系是一個半徑為1至3光年的巨型球體空間。在太陽系的外邊緣,有一個呈現為球殼結構的奧爾特雲,其中分佈著大量的小天體。

之所以各大行星的公轉軌道幾乎共面,這與太陽系如何形成有關。在46億年前,太陽系從一團旋轉的原始星雲中誕生,隨著星雲的自轉,大量的物質被集中到中心形成太陽,而整個星雲也變得扁平化,所以從殘留星雲中形成的行星幾乎會在相同的平面上繞著太陽公轉。

因此,旅行者1號不管朝著哪個方向飛出太陽系都是一樣的。但由於地球擁有公轉速度,旅行者1號朝著太陽系黃道面飛行能夠利用這個速度,以達到節省燃料,所以垂直於太陽系黃道面飛出太陽系很費燃料。並且沿著太陽系黃道面飛行,旅行者1號還能順路去探測木星和土星。


火星一號


額,我想提問者對於太陽系有一定的誤解,在我們通常看到的圖片當中,太陽系是圓盤狀,像一個盤子一樣,各大行星也在同一個平面進行運動,但這並不意味著,太陽系就是是扁平的。

簡單的說整個太陽系的範圍應該是一個球形,這個球形的範圍直徑大約有2光年左右,那麼這個球形內的所有天體,都要受到太陽引力的作用,因為太陽才是主宰一切的中心點。

那麼有的同學會問,為什麼太陽系會是球形的呢,答案應該和太陽的引力有關,引力是沒有方向性的,沒有左右和上下之分,它是一種全方位的力,所以引力影響的範圍必然是球形的,否則就解釋不通。

所以在遙遠的宇宙空間之外,科學家們認為有一個球形的雲團包裹住了整個太陽系,而這個雲團就是奧爾特雲,奧爾特雲當中有無數的小行星,彗星,隕石等,這裡是目前公認的太陽系的邊緣地帶。

那麼既然說整個太陽系是球形的,旅行者一號往哪裡飛都是一樣的,但是由於地球是圍繞太陽進行公轉的,我們的飛行器就可以利用公轉的速度進行運動,所以不管是運載火箭還是宇宙飛船,沿著黃道面進行飛行是可以節省燃料的。

另外由於八大行星差不多都在同一個平面,且公轉的方向都是一樣的,所以旅行者一號沿著地球公轉的方向飛,不僅可以節省燃料,還可以順路變軌前往其他的行星,所以旅行者一號就這麼一路考察過土星,木星等其他行星。

所以說到這裡,答案的結果已經很清楚了,旅行者一號之所以不直直的往上飛,是因為整個太陽系是球狀的,而太陽位於這個球的中心點,那麼既然是球狀的,我們的宇宙飛船往哪裡飛都是一樣的。

而且我上面已經說了,人類的宇宙飛船在發射的時候,很大程度上利用了地球的公轉,如果直直的往上飛的話,非常的浪費燃料,所以不管是航天飛機,還是宇宙飛船,它們都會自西向東進行飛行,然後等到合適的時候再進行變軌……


科學薛定諤的貓


地球之外哪有那麼多王法?當然也是可以的呀!

只是…………

人類目前還很弱,垂直往上飛的話,就佔不到其他行星便宜了,另外就是無法一窺其他行星的那些個小秘密。

而如果不能給其他行星拍幾張寫真,還要多花錢(也不知多花錢能不能辦到),那麼你說,旅行者1號還有什麼用?能審批通過嗎?

反正我是不會批准的。

八大行星與太陽大小比較,地球在哪兒?圖片來自Lsmpascal。


藉助其他行星的力量,以便讓自己獲得加速,這是引力助推。(上圖是飛船藉助地球的力量)

旅行者2號比旅行者1號更甚,所以,先以2號來舉例:

圖片來自張天蓉的博文(美國德州大學奧斯汀分校理論物理博士)

注意看上圖(可以放大圖片看),縱座標是飛行器相對太陽的速度,橫座標是飛行器飛過的距離AU(太陽到地球的距離)。

圖中紅色的線代表旅行者2號的速度變化圖,你會發現,從地球發射後,其速度一直在降低,因為有個東西在扯著它,這就是太陽引力。

但是,當它飛到木星,通過引力助推,從木星獲得一些動量後,其速度嘩的一下,就垂直上去了,就好像有主力在拉昇(股票用語),離開木星後,其速度又逐漸降低,後來,它來到土星,速度再次被拉昇,土星也是個大主力機構,同樣,來到天王星海王星,都被再次拉昇……


圖中綠色的線代表探索冥王星的“新地平線號”探測器,它只借助了一次木星的力量,然後就獲得了逃逸太陽系的速度。


上圖箭頭所指的那根藍線,代表不同的距離處,逃出太陽時所需要的最小速度。

可以看到,距離太陽越近,需要的逃逸速度就越大,而旅行者2號從地球發射後,其速度一直在太陽逃逸速度之下,也就是說,如果沒有木星、土星等兄弟拉一把,它終究還是跳不出太陽的手掌心。

但奇怪的是,新地平線號從發射離開地球后,其速度一直在逃逸速度之上,這是為何?因為它是有史以來以最快的發射速度離開地球的人造物體。

但即使如此,新地平線號也藉助了一次木星的引力拉扯,這才不至於後來降到逃逸速度之下。


圖片來自張天蓉的博文。

從上圖可以看到,旅行者1號只借助了木星和土星的引力助推,由於不再打算去天王星和海王星家借力,這傢伙馬上就翻臉不認人了,離開土星後,旅行者1號立即與太陽黃道分道揚鑣(不是橫著飛了),直接朝蛇夫座的方向前進,一直到今天也如此。


對了,上圖(b)中有一處錯誤,你能挑出來嗎?


寒木釣萌


太陽系不是扁平的,只是各大行星基本上在黃道面附近運行。

旅行者為什麼要沿著黃道面飛行,而不是垂直向上飛行呢?

我覺得有以下幾個原因,可能不完全,但是這些因素還是有的。

1,旅行者的飛行目的

旅行者號探測器是外層星系空間探測器,由美國研製並建造,共發射兩顆。原名分別是“水手11號”和“水手12號” 。旅行者2號和旅行者1號分別於1977年8月20日和9月5日發射升空。這兩個姊妹探測器沿著兩條不同的軌道飛行。擔負探測太陽系外圍行星的任務。

所以如果垂直與黃道面發射,還上哪裡去探測太陽系外圍行星呢?直接找外星人玩去了!

2,燃料重量有限

旅行者號發射時,太空技術還沒有今天這樣成熟,再加上成本控制,它能攜帶的燃料有限,既沒有現在成熟的電發動機,也沒有太陽風帆之類的未來技術,所以需要靠一種“引力彈弓”的方式接力經過太陽系的各大行星,也就是先到一個行星,在行星周圍繞幾圈,把速度提上去,然後再擺脫行星才有力氣前往下一個行星,不知道是有沒有士力架,要是有的話其實給它吃上幾條估計也不用這麼費勁了。

3,地球在黃道面上自帶角動量

儘管地球的赤道和太陽黃道有20多度的交角,但是地球在黃道平面上的角動量分量還是大於垂直方向上的,所以向黃道面發射,探測器還是能借到一部分地球自帶的慣性的。

4,銀河系還算比較厚

銀河系平面和太陽黃道平面有60多度的交角,所以如果外星人來襲擊地球,想大劉等科幻作家說的那種,先攻擊天王星,木星,一步步再進攻地球的可能性比較小,更大概率來說,外星人會從銀河平面角度直接進攻地球,不用繞道去別的行星。

換句話說,如果旅行者的目的單純,只是向星際鄰居表明我們的存在的話,那實際上應該直接60度仰角發射,直接進入銀道平面,這樣被發現的機會遠遠超過沿黃道平面離開的概率。

但時候在銀盤還是有厚度的,而旅行者號那點可憐的小速度,幾千萬年也不見得能飛出銀河這個盤子,還是有一定的希望被其他文明發現,給他們帶去點驚喜的。


科幻直通車馮志剛


正因為太陽系個大行星的運行軌跡是盤形的,旅行者一號才要按照盤形方向飛,因為它要去考察這盤中之物。

迄今為止,人類發射的各種宇宙探測器,都是為了探測太陽系內個大行星或者衛星、小行星的,而向上垂直飛,空無一物,怎麼探測?所以題主的這個問題有些荒唐可笑。

當然除此之外,即使今後發射了不需要探測太陽系以內天體的探測器,也還是要在盤中飛,這是因為兩個原因,一是利用地球自轉公轉的力量,借力把飛行器“甩”出去,就像運動員扔鉛球一樣,轉幾個圈,那力量就省了許多。二是在飛行途中,還要利用各大行星的引力彈功效應,為探測器獲得加速度。

旅行者一號就是在經過木星和土星時,通過引力彈功效應的助推,獲得了足以完全擺脫太陽引力的動能。它現在的速度是每秒17.043 公里,超過了擺脫太陽引力每秒16.7公里的第三宇宙速度,已經飛到距離地球213.8億公里的星際空間,正在向著太陽系以外飛去。

這就是時空通訊的觀點,歡迎點評討論。


時空通訊


之前看過一些類似的問題,比如「人造衛星為何不垂直向上飛」,那些問題的解答很容易——人造衛星並不是要脫離地球引力,所以向上飛不合算。到了旅行者一號的問題上,它本身就是要離開太陽系,所以看起似乎「垂直向上飛」還算是合理的選擇。

但是,這只是只考慮了旅行者1號自身推力時的結論。大家可能就會疑惑了,除了自身的推力,難道還有其他的推力嗎?這還真有,就是「引力彈弓」。

旅行者一號在飛行過程中,多次利用引力彈弓效應,大幅提高自身的速度,大大減少了能量的消耗。下面,我來解釋一下引力彈弓到底是什麼。

引力彈弓,用形象的語言來說,就是以一定速度「撞向」飛來的行星,然後發生了彈性碰撞,所以會以更快的速度離開。但是,旅行者一號如何與行星發生彈性碰撞呢?難道不會一頭扎進去,就灰飛煙滅了嗎?

其實,這裡的「碰撞」並不是嚴格的碰撞,而是一種近似。它是與引力勢能發生了碰撞。舉個例子,假設飛行器飛向木星,與木星速度相反。但是,這時我稍稍偏一點,就會進入木星的軌道,繞一圈之後,再從木星的軌道飛出。在這個過程中,動量一定守恆,兩個天體的動能也守恆。但是,木星由於被航天器的引力微微的拉了一點點,速度有了極其微小的減慢,而航天器的速度卻有了大幅的提升。這就是所謂的「引力彈弓效應」。之所以不垂直向上飛,就是因為「上面」並沒有什麼可以用來加速的行星。


章彥博


首先吧,太陽系是扁平的這種說法本身就是不正確的。太陽的引力作用在以太陽為中心的每個方向都有,因此嚴格來說太陽系應該是一個球形的。只不過由於太陽系形成之初的某些因素,導致了已知的太陽系的行星都在近似同一平面公轉,才讓大多數人認為太陽系是扁平的。一些太陽系示意圖也無意中誤導了一部分人,實際情況並不是這樣的。

關於旅行者一號為什麼不垂直向上飛,個人認為主要有以下兩點原因:

  1. 人造航天器只有達到第三宇宙速度,也就是16.7千米每秒的時候才可以在無需後續加速的情況下襬脫太陽引力的束縛,離開太陽系。但目前人類的科學技術水平很難使航天器加速到這麼快,甚至可以說根本不可能。因此說句不好聽的,如果垂直向上飛根本飛不出太陽系。慶幸的是天文學上有一個好方法,叫做“引力助推”,也被稱作“彈弓效應”。就是藉助行星公轉速度獲得一定的速度增加。經過這樣的速度增加,航天器很輕易就可以達到第三宇宙速度。不過這個做法需要航天器接近行星,因此航天器必須朝著行星軌道平面這個方向飛。我的頭條有發表過相關文章有詳細介紹,有興趣的讀者們可以去看看。

  2. 個人認為航天器成本巨大,製造不易,因此肯定會盡可能的發揮其潛力。如果垂直向上飛行的話,會經過很大一部分空曠的宇宙空間,沒有觀測成果。單以飛出太陽系為目標不足以發揮其作用。如果在軌道平面附近飛行的話,可以對太陽系的各個行星都進行一個簡單的探索,也對人類深入瞭解太陽系其他行星貢獻了一份力量。

旅行者一號目前究竟有沒有飛出太陽系,眾說紛紜,但不可否認的是,作為一個有著遠大目標的航天器,無論在當時還是在現在,都對人類探索未知宇宙做出了不朽的貢獻。


張家小智兒


誰告訴你太陽系是扁平的?

自己體會。



嗶乎


首先說,太陽系不是扁平的,我們從小學的教科書畫的是平的, 這是因為書上畫的不會有立體的,實際是,太陽在前領著9大行星一直在向前奔跑著,但為什麼要奔跑著,是不是有東西在追它?跑向哪裡,哪裡是終點,這個我們不知道,總之,太陽是有點忙,有點事,所以領著9個孩子向前跑。

所以,旅行者一號不是垂直向上飛,而是向一側飛,想飛出太陽系,能不能飛出去,就看太陽讓不讓了!

還有,如果我們按立體的方式來思考這個問題,地球還到底是不是繞著太陽轉的?

地球與太陽是不是在逃難時的偶遇,才跟著太陽跑的?


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