要摆脱一个引力场的束缚,就必须要达到一定的初始速度。
以地球为例,如果人造卫星想要升空进入地球轨道围绕地球做圆周运动,那么就必须要达到第一宇宙速度,也就是7.9km/s。如果想要彻底摆脱地球引力束缚,去探索地外星球,那么就必须达到11.2km/s的初始速度。
而要想一鼓作气冲出太阳系,去往更为遥远的宇宙空间,那么就必须要达到16.7km/s的初始发射速度才行,这个速度又被称之为第三宇宙速度。要在发射时就实现16.7km/s的初始速度实非易事,所以要想让航天器冲出太阳系就需要让它们在飞行的过程中获得加速,而在太阳系之中,有很多天然的加速器,而在这些加速器之中,木星无疑是其中的佼佼者。
木星是太阳系中最大的行星,质量达到了地球质量的318倍。
除去太阳以外,将太阳系中其余的所有天体加在一起,总质量还不足木星质量的一半。木星是一颗大质量行星,拥有很大的引力,所以是一颗非常优质的加速器。迄今为止,人类为了探索更为遥远的宇宙空间,已经向太阳系外发射过很多航天器,其中最著名的有旅行者1号、旅行者2号、先驱者号等等,而这些太空探测器无一例外都利用了木星的引力弹弓效应进行加速。
以旅行者2号为例,它在经过木星的时候,速度只有约10km/s,以这样的速度要离开太阳系是有难度的,而且作为一名旅行者,它要旅行的时间也太过漫长了。所以它利用了木星的引力弹弓效应进行加速。
旅行者2号在加速完成离开木星的时候,其速度已经达到了约35km/s。
正是因为有了这样的速度,旅行者2号才能航行到如今距地球200多亿公里的地方。利用引力弹弓效应进行加速的目的主要有两个,一个就是提高速度,另一个则是为了节约燃料。目前所发射的无人探测器是无法在航行的过程中获得燃料补给的,所以一旦燃料耗尽,那么只能在宇宙中漫无目的的飘荡,所以多节约一分燃料,它们便能走得更远一些。
那么,引力弹弓效应是如何给航天器进行加速的呢?这个原理其实并不复杂,我们可以用比喻的方式来进行讲解。首先我们可以把具有引力的天体想象为一个人,这个人用一根绳子拖拽着一个球,这个球就是航天器。
当一个人以自身为中心,牵着绳子旋转起来,绳子上所拴着的球的转速就会越来越快,然后这个人一松手,球就以相同的速度飞出去了,这就是引力弹弓效应。
当然这只是为了便于理解而进行的形象比喻。在宇宙之中,只要拥有质量的天体都可以产生引力弹弓效应,也就是都可以用来加速,不仅木星可以,太阳、火星,甚至是地球都可以作为加速器。而在现实之中,利用地球本身的引力弹弓效应来进行加速的例子也是很多的。
比如在将嫦娥四号月球探测器送入月球轨道的过程中就利用了地球的引力弹弓效应进行加速。因为搭载嫦娥四号的长征三号乙型运载火箭的初始速度并不足以将嫦娥四号直接推送到月球轨道上,所以就必须要在发射升空之后利用地球的引力弹弓效应完成加速。
木星虽然是太阳系中最为优质的加速器,但也并不是可以给任何东西加速。
在现实之中,我们会利用木星的引力弹弓效应为航天器加速,但如果把航天器换成地球本身,那就是另外一回事了。如果人类想要携带地球一起离开太阳系,那么在利用木星引力弹弓效应的时候就会面临极大的风险。
因为木星本身质量很大,如果地球距离木星过近,那么木星的引力牵扯就会导致地球变形,如果不能成功摆脱木星的引力拉扯,还有可能被彻底撕碎。而如果距离木星过远,引力弹弓效应又不能充分发挥作用。所以就必须要进行精密的计算。在科幻作品《流浪地球》之中,人类在利用木星加速的时候,就由于木星引力的不稳定而险些坠入了木星。#这很科学#
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