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科普| 引力弹弓是怎么一回事?

每一次提到太空探索中的飞行器,比如旅行者1号2号或者卡西尼号的时候,我们都会习惯性地接触到这样子的一个名词:“引力弹弓”。那么引力弹弓到底是怎么一回事呢?今天的我们就来聊一聊“引力弹弓”这么地一回事…

用专业的术语来形容“引力弹弓”的话,也许有些小伙伴们会是满脸的雾水:这不好理解呀…没关系,今天的我们还可以使用另一个更加形象具体的事例来形容“引力弹弓”,就比如…我们在观看体育比赛时所见到的抛铅球运动一样。我们应该可以在电视节目上或者是在体育赛场上见到过那一些抛铅球的运动员们,他们站在一个圆圈里面,双手紧紧地拉扯着一条铁链子,铁链的终端上还系着那么的一个沉重的铅球,当运动员们手拉着铁链旋转上几回之后,手猛地一松开,那条铁链就会随着铅球一起远远地飞向远方。

是的,没有说错,这个掷铅球的运动和在太空探索中的飞行器所使用的“弹弓效应”有着那么的一点相似之处。只不过在太空中的运动员变成了行星,而拉扯着铅球(太空探索器)的铁链却是行星间无形的引力,在太空中没有空气的阻力,所以太空飞行器一旦被行星的引力所抛射出去的话,它们所能够获得的动力要远远地大于赛场上运动员们所抛掷出去的铅球,因此也可以飞得更加地遥远。

最早提出“引力弹弓效应”的科学家是前苏联的尤里·康德拉图克,在他1918-1919年写的一篇论文《给那一些想要制造星际火箭的阅读者们》中,就提出了这么地一种想法,也即是在星际间航行的飞船可以利用两颗行星的引力来实现轨道的加速和减速:当行星在飞船的前面时可以利用行星的引力来获取加速度,当行星在飞船的后方时,可以利用行星的引力来获得减速。另外的一位科学家弗里德里希·詹德,在他1925年的论文《星际航行的喷气推进问题》里,也有着类似的构想,但是他们从来都没有意识到“引力弹弓效应”可以大大地节省飞行器在太空中飞行的燃料消耗。

1961年的美国加州大学洛杉矶分校数学系研究生迈克尔·米诺维奇,在研究一个著名的三体问题时,使用加州大学洛杉矶分校的l B M-7079计算机研究了一个奇怪的问题:在地球升空的飞行器经过其它行星时会发生什么?然后他惊奇地发现了:当飞行器接近某一颗行星的时候,飞行器会被行星的引力所吸引,从而获得一种加速力,只要飞行器不被行星的引力捕获成为卫星,那么飞行器就可以获取比原先的速度快得多的速度而抛射出去,就好像是铅球运动员双手一松的那一个铅球。这是一个人类航天史上的里程碑的发现,人们将这一个物理过程称之为“引力弹弓效应”。

只不过,早在1959年的前苏联的探测器月球3号上,“引力弹弓”就己经被首次运用到星际探索中了,由前苏联的克尔德什应用数学研究所设计的程序,使月球3号运行至月球的背面,并拍摄探索了月球的背面。而第一个使用“引力弹弓效应”从地球飞往另一颗行星的探测器,则是水手10号,1974年2月5日途经金星,经过“引力弹弓效应”减速之后到达水星,成为人类史上第一艘探测水星的飞行器。水手10号探测器与之后1977年发射的旅行者探测器的不同之处在于:水手10号探测器是往太阳系的内环行星方向飞去的,而太阳的引力本身就是水手10号最大的加速力,因此水手10号到达金星的轨道时,不是以金星的引力来做为加速,而是以金星的引力来进行减速。1964年的加里·弗兰卓在N A S A喷气动力实验室实习的时候,发现了一条非常重要的行星轨迹:在1976-1977年间,木星、土星、天王星和海王星会运行排列成一个非常适合探测器进行“引力弹弓”进行加速的轨道,这一条航线能够将原本探测器所需要飞行的四十年的时间缩短到十二年…当然,后来的事情大家想必也是知道的了,1977年两个旅行者探测器相继升空,并且,旅行者1号也成为了人类航天史上的第一个飞出太阳系的太空探测器。

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