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引力弹弓效应是怎么回事?

引力弹弓是大质量天体对小质量飞行器的一种加速效应。

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这种加速效应基于动量守恒。当一个飞行器经过一个大质量天体,比如行星,运动方向会被天体的引力偏转,如果飞行器速度足够不被天体捕获,那么就会在被天体偏转一定角度后飞离该天体。而飞行器在靠近天体和远离天体时会受到天体重力加速度的加减速,加速和减速是对称的,所以飞行器离开时与靠近时与天体的相对速度是一样的。但是由于天体本身存在速度,比如绕恒星公转的速度和自转的速度,而飞行器最终与天体相对速度不变,因此当与天体运动方向不同方向靠近然后以天体运动方向离开时,就会得到天体的公转速度。

比如用效率最高的情况,飞行器以天体公转反方向进入天体引力场,偏转方向后从天体公转方向离开,那么它将增加天体公转速度两倍的速度,见下图:

由于靠近前和离开后,飞行器与天体的相对速度不变,但是方向相反了,因此速度将变成原有速度V+天体公转速度U×2。

由于动量守恒,飞行器增加的动量将降低天体公转的动量。当然在两者质量相差巨大的情况下,这种变化可以忽略不计。

除了可以通过窃取天体公转动量做引力弹弓,其实也可以通过窃取天体的自转角动量做引力弹弓,只不过一般天体的自转并不太快,质量也不大,产生的空间拖拽效应并不明显。但当有中子星黑洞这样转得快的大质量天体就不一样了。比如电影《星际穿越》里,男主角库珀就利用了黑洞的自转做引力弹弓加速飞船。这是利用了广义相对论的一个现象:参考系拖拽。当大质量天体转动时,会对周围的空间产生拖拽,带动周围的空间跟着旋转,这就使空间产生一个指向转动方向的速度,利用这个就可以为飞行器加速了。

不过电影里,当时飞船已经在黑洞的引力场里了,所以它并不能直接通过空间拖拽加速后脱离黑洞引力场,而是必须往黑洞自转的反方向抛射质量。结果就是电影看到的,把失去能量的推进器全抛掉,然后飞船才获得足够的动量飞往目标星球。

用图来说明!

引力看不见摸不着,不过,咱们可以用一根大麻绳来代替太阳与地球的引力。

而地球对飞行器的引力,用手拉手来代替。

显然,若飞船远离地球几亿公里,则地球对它的引力微乎其微,所以,飞船要想把地球的引力当成“弹弓”来使,就得先靠近它,让地球引力拉着飞船飞一段,之后,飞船加速离开,这个过程,就是引力弹弓效应。

6年前,朱诺号从地球出发,2年后(4年前),朱诺号又回来了,从地球偷了一颗“能量核”,这才壮胆踏上征程,向着太阳系那颗最危险、最巨大的行星,木星飞去。

朱诺号从地球偷取“能量核”的过程如上图:

地球以30公里每秒的高速向右运动,而朱诺号逐渐向地球靠近,然后贴着地球飞一段时间,此过程中,朱诺号一直受到地球无形引力的强力拉扯,当朱诺号来到地球的近拱点,也就是下图这个位置:

对宇航技术不了解的朋友可能不知道“引力弹弓”是怎么一回事,其实它就是大型天体的引力场对所经过物体的拖拽效应,比如航天器利用宇宙中星体的引力进行加速或者减速的技术就是对引力弹弓效应的应用,实际上这种技术的应用很常见,除了地球轨道上的人造卫星以及美国人的阿波罗登月活动之外,人类发往遥远空间的航天器基本上都会应用到这种技术,比如早些年美国人发射的旅行者号、先驱者号、伽利略号、卡西尼号、朱诺号、新视野号等探测器,都应用到了金星,地球,火星,木星等的引力弹弓效应,其目的就是等航天器一步步加速,使其具有更快的速度,但是到了目的地之后,则会利用某星体进行引力弹弓效应下的减速了。

引力弹弓效应也会在一些天然的流浪天体中出现,当它们路过大型天体的时候,其轨道往往就会被这种效应所改变。人类技术操控的引力弹弓效应可以使航天器在节省大量燃料的情况下获得更快的速度,而且也弥补了火箭发射推力的不足,比如我们向木星、土星等天体发射探测器,地球现有的火箭包括重型猎鹰9号的推力都不够用,那怎么办呢?一个好方法就是将航天器发射到太空中之后,利用地球火星等的引力弹弓效应进一步加速,以获得飞往木星土星等遥远天体的速度,这样就可以到达目的地了,不过这种方法的一个缺点就是比较耗时,另外就是需要对航天器进行精准的入轨、先前的计算和入轨的技术都不能出差错,不然就会前功尽弃,但是如果成功的话将可以获得相当于天体公转速度两倍的速度。

通常质量越大的星球其引力弹弓效应越强,所以太阳系八大行星中,木星的引力弹弓效应极大,所以它也格外受到宇航学家们的重视,据说它的引力弹弓效应可以将飞行器甩出太阳系,旅行者号的速度就主要是靠木星的引力弹弓效应做到的。

而美国人发射的卡西尼号探测器所经历的引力弹弓效应尤为复杂,土星在我们地球轨道的外侧,但是卡西尼号发射之后,却是飞往了地球轨道内侧的金星,利用金星的引力弹弓效应后又飞向地球外侧,经过变轨之后,重新飞往金星,又利用了一次金星的引力弹弓效应,之后它直接飞往地球,通过地球的引力弹弓效应进一步加速后甩向了木星,发射后三年零六个月到达火星,又利用木星强大的引力弹弓效应开始飞向土星,直到发射六年九个多月之后才到达了土星,卡西尼号可以说是绕了一大圈,飞行了几十亿公里,但是它最终到达了目的地。

其实之所以这样做,也是因为人类还造不出直接将航天器发往遥远天体的火箭,如果单靠火箭发动机来助推让卡西尼号到达土星的话,所需要的火箭要比美国人发射阿波罗登月的土星5号还要大得多,其实人类历史上最大最重的火箭土星5号,也只是做到了把载人飞船阿波罗号直接发射到了距离地球最近的天体月球上而已。

所以,正因为引力弹弓效应的存在,很多大型天体都可以作为航天器的助推发动机或减速器,今后我国的太空探索计划也将更多地走向深空,对引力弹弓效应的利用也将会越来越多。

到此,以上就是小编对于小云游戏解说飞船的问题就介绍到这了,希望介绍关于小云游戏解说飞船的1点解答对大家有用。

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