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双黑洞作引力弹弓加速!这是疯了吗?但接近光速的加速很诱惑!

《火星救援》中的引力弹弓加速大家看得云里雾里,《流浪地球》则是地球利用木星的引力弹弓加速来给予地球逃离太阳系的最后助力,但可能很多朋友搞不明白一个道理,行星好端端的在那里,探测器去绕了一圈就加速了?那么卫星天天绕着地球转,也没见得它们跑走嘛,为什么探测器去绕木星就能加速呢?

什么叫引力弹弓,它是如何加速的?

引力弹弓就利用行星的引力来获得加速、减速或者变轨的一种特殊轨道,要达到行星引力加速的目的必须要满足几个条件:

  • 探测器与行星必须有相对速度

  • 探测器必须有一条精确控制的轨道

前者将卫星环绕地球获得加速这个可能性排除了,但大家可能非常不解,卫星绕地运动接近第一宇宙速度,为什么还没有相对速度?其实这完全理解错了,卫星绕地球公转只是相对于地面的速度,跟地球的相对速度是0,因此这个系统中的关系不能满足第一个要求。

  • 探测器如何被加速?

探测器进入行星轨道的角度与方向决定了它是来加速还是减速的,这一点必须要了解,因为引力弹弓除了加速还能减速和改变轨道方向。

加速:探测器脱离行星轨道的方向与行星公转轨道方向相同

减速:探测器脱离行星轨道的方向与行星公转轨道方向相反

变轨则根据不同需要设计不同的轨道。

上图是引力弹弓加速与计算过程示意图,其实原理很容易理解,我们可以简单的解释为当探测器切入行星轨道时,让行星的引力拉这探测器在行星的轨道上飞奔一会,等加速到足够速度时再行脱离

进入行星轨道时由于行星引力作用,速度会越来越高

逃离行星轨道时由于行星引力作用,速度会越来越慢

两者相互抵消,我们也可以简单的理解为相当于探测器进入行星轨道没有速度损失,但却有一个多余的行星引力拖着探测器在轨道上前进的速度增加了,当然这个加速是以降低行星公转速度为前提的,但事实上两者由于质量相差太悬殊,行星的公转速度降低是被忽略不计的!

如果难以理解的话,不让以上图这个向高速前进的火车扔出一个网球来辅助理解,这个网球会以两倍火车速度+原有速度被弹飞,当然火车速度会降低,但这个值也可以忽略。

引力弹弓的应用

最早提出引力弹弓的是苏联科学家尤里·康德拉图克,他在1918-1919年发表的论文中提出了飞船可以在两颗行星之间利用行星的引力与轨道速度进行加速和减速。

1925年弗里德里希·灿德尔也提出了类似的设想

1959年的月球3号探测器是引力弹弓的第一个用户,因为地月系月球存在公转速度(1.023千米/秒 ),可以用来加速或者减速。

1974年的水手10号是第一个利用引力弹弓到达另一颗行星的探测器,在1974年2月5日经过金星时,利用了引力弹弓减速后顺利飞向水星(水手10号是飞掠探测器)。

旅行者一号和二号则是引力弹弓的极致应用,其中二号尤甚,因为它彻底耗尽了太阳系内天体的引力弹弓效应,从木星开始到飞掠冥王星。

上文说了卫星无法利用地球来获得引力弹弓加速,那么地球就不能加速了吗?完全不是,脱离了地球轨道的探测器在公转轨道上和地球相遇时,一样可以利用地球来进行引力弹弓加速。

引力弹弓那么好用,没有缺点吗

引力弹弓是探测器的免费加油站,但有一个致命的缺点,如果利用行星加速的话,比如要设计轨道路过每一颗行星,尽管这并不难,但极其耗费时间,如果赶时间,那就只能少用甚至不用了。

比如执行冥王星探测新视野号,就仅仅在路过木星时顺路弹了一次,此后一路直达冥王星,再无等待其他行星引力弹弓加速的大量时间(因为行星公转轨道不同,要设计轨道绕行每一颗行星)

当然我们相信即使在未来火箭发动机再也无需引力弹弓助力加速时仍然有用,比如进入行星轨道时用一下引力弹弓减速并不浪费时间,但却也节省燃料,为什么不用呢?

引力弹弓的极端应用展望

也许这是各位没有想过一个问题,利用双黑洞互相绕行来反复对飞船加速,直至飞船认为这速度够高了,然后在轨道顶端点火脱离黑洞引力弹弓加速轨道。

这是一种叫做变焦-回旋的轨道,理论上能把飞船的速度提升到接近光速。似乎有种与狼共舞的感觉,但其实这黑洞比狼可狠多了。

如果太阳有一颗伴星的话,不妨可以试试这种方式操作,不过太阳是恒星,伴星太近不会诞生生命,太远没有意义(相互绕行公转速度很慢),因此两个接近中的黑洞明显更合适,但距离地球最近的黑洞也在2800光年外,而且也不是双黑洞,要想在银河系中找到这样的超级加油站,似乎有点难,或者加入找到了的话,谁敢去尝试一下?其实只要轨道设计合理,风险也不大,并且还有各种时间延缓效应,也许可以比大家多活几十年,甚至更久哦!

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