引力助推(引力加速,引力跳板)的原理
作者:未知 文章ID:524 浏览:
“引力助推”是如何起作用的呢?
“引力助推”可以帮助探测器在不耗费大量助推剂的情况下,飞往遥远的外行星执行探测任务。当探测器接近行星时,行星好像以一根弹力强大的橡皮筋套住宇宙飞船,拉住它一起快速绕着太阳跑。当探测器以切线飞越行星时,行星像是弹弓一样,将探测器以一定的角度由另一方向甩射出去,达到不费燃料就能加速并急转弯的目的。
为了准确利用借力飞行,科学家事先确定了探测器飞入行星的高度和角度,并进行跟踪、监测和调整,只要确切掌握探测器在任何时刻的位置和速度,就能对它的轨道进行必要的调整,保证探测器不被行星捕获,又能顺利获得加速。
那么探测器是如何借到了那么多速度的呢?或许简化在一个平面上来探讨这个问题更好理解,如果以静止的行星为参照,飞船切入行星轨道前并不受行星引力作用,因此速度是一个定量。当顺势切入行星轨道时,由于受到行星引力作用而加速飞行,当达到行星的逃逸边缘后,行星引力消失,飞船速度大小又回复到飞入行星时的定量。这个过程和我们骑自行车上下一个U坡的情形相似。当我们骑车从坡顶向坡底行进时,由于地球引力作用,速度会越来越快,到坡底时达到最大速度,但是当我们接着从坡底冲上对面的坡面的时候,速度又会逐渐地降下来,等到达对面的坡顶的时候,速度又回来原来的下坡前的速度。但这个时候我们的行进方向却产生了改变,原来我们是向下而行,而现在是向上而行。
如果真是这么简单的过程,那么何来引力加速呢?秘密就在于行星并非真的静止不动,它以巨大的角动量绕太阳转动。如果我们把太阳系的运动看成一个整体,那么在太阳系整体的角动量中,太阳自身的角动量只占2%,其它98%的角动量都被围绕太阳的星体占有,可以想象,行星的角动量是大得惊人的!飞船切入行星轨道后,像行星的其它卫星一样也同时分得了行星的一部分角动量,如图所示,这个角速度分别加在了飞船飞入和飞出行星时的速度里,如果以太阳为参照,飞船最终飞出行星的速度不仅改变了方向,同时也增加了大小。行星损失了极小一部分角动量,对它本身来说微不足道,可是飞船得到的这些角动量对它可是意义非凡,这些能量足以支撑它飞抵下一个加油站,顺利到达目的地。
而且,引力助推技术也能减少飞船的轨道运行动力,比如像“伽利略”号就有过那样的经历。伽利略号曾在木星的最大的卫星爱莪前面作定点飞越,由于是从爱莪卫星前面定点飞越而不是从其后翼,所以情况和前面提到的正好相反。当飞船飞离时,其运行方向也会改变,但速度却降低了,这就如同我们骑车上下一个∩形的坡一样。在分析这个情况时,请大家别忘了,爱莪卫星也不是一个固定不变的点,只是它不是围绕太阳转动,而是围绕木星运行。这样,伽利略号就能利用引力助推降低飞行速度。
根据引力助推原理,科学家们为“卡西尼”号设计了一条通往土星的智慧曲线,这条智慧曲线的奇特之处在于:首先是它没有直接向土星飞去,而是先向内跑到了金星上空;其次是它围绕地球绕了好几个圈子,才把目的地对准土星,整个行程达到了35.2亿千米,是地球与土星的实际距离的2.5倍以上。它的飞行轨迹是一条旋转的曲线,是若干条双曲线截线的组合,看起来就像田螺背上的螺旋。如图: