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2022/11/03 | |||||
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如虎添翼 引力弹弓助力 航天器飞向远方
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露西探测器探访小行星示意图 露西探测器于2021年10月16日发射升空,开启为期12年的太空旅程,将首次探索在木星轨道内运行的特洛伊小行星群,帮助人类了解太阳系形成早期的状况。 借力天体用处大 引力弹弓又称重力弹射,是一种利用大天体的引力为航天器改变速度的方法,既能加速,又能减速,还可以改变速度方向。 引力弹弓的原理其实并不复杂,我们可以把航天器想象成一个正在跑步的小个子,当他的运动路线和另一个同样在跑步的大个子交叉或接近时,大个子伸出手来拉了他一把,帮助小个子加速、减速或者改变方向。在这里,大个子就是行星之类的大天体,那只手则是引力。 那么航天器改变运动状态所需的能量来自哪里呢?不是来自行星的引力场,而是来自行星的动能。也就是说,根据能量守恒定律,当航天器速度改变后,行星速度也会出现相应的变化,但两者的质量相差太大了,行星远比航天器重得多,所以行星速度改变幅度可以忽略不计。 引力弹弓在航天器的星际旅行中用处很大,最重要的好处就是借力更轻松地改变轨道,降低发射能量,节省燃料。 一方面,航天器上堪称“寸土寸金”,携带的燃料越多,对火箭的要求就越高,综合成本也随之上涨,节省燃料可以收获很大的经济效益。另一方面,在目前的技术水平下,在轨航天器补加燃料并不容易,如果想完成扩展任务,或者需要紧急变轨,燃料越多,可操作的空间就越大。 “轨道设计师”很努力 有人难免疑惑:“借力转移”会不会让航天器飞行很多“弯路”,浪费时间?实际上,在某些情况下,引力弹弓反而能缩短航天器星际航行用时。 比如探测器选择最经济的双切椭圆轨道飞行,从地球飞到土星需要约6年,飞到天王星需要约16年,飞抵海王星更是需要31年左右。假如借助木星作为引力“跳板”,探测器从地球飞抵土星只需3至4年,飞到天王星只需8至9年,飞抵海王星附近,用时应不超过12年。 当然,航天器要借助外星球引力变轨,不是那么简单的,需要计算出合适的变轨时间和位置,以保证航天器最终能到达目标轨道,最好在整个变轨过程中耗费燃料最少。 同时,深空探测器的航程往往很漫长,途中要考虑的变量很多,比如行星、恒星的引力及它们之间的相互作用,太阳光压摄动,借力飞行的时间范围和轨道参数等。 航天科研人员需要充当“轨道设计师”,事先建立轨道动力学模型,根据航天器状态,一步步进行推算,并借助计算机对轨道参数进行反复迭代和优化,可以说是技术含量很高的工作。 航天器长期受益多 正是由于具备多种优势,科研人员很早就开始求助于引力弹弓。一般认为,航天器第一次利用引力弹弓发生在1959年,当时苏联月球3号探测器从月球南极附近飞过,借助月球引力,绕到月球背面,拍摄了第一幅月背图像。 之后,美国“先驱者10号”“先驱者11号”在20世纪70年代分别借助木星和木星、土星的引力弹弓,首次探测外太阳系。“旅行者2号”更是利用了多颗行星的引力弹弓,尝试“触摸”太阳系边缘。 还有美欧合作的卡西尼-惠更斯号土星探测器,利用行星引力弹弓抵达土星后,又多次利用土卫六的引力弹弓效应,进行各种“花式变轨”,帮助人类对土星及其卫星系统有了更深入全面的认知。 除了加速外,引力弹弓也多次帮助航天器“悬崖勒马”。航天器一旦向太阳飞去,就会受到太阳的强大引力而不断加速。在探测水星或者太阳时,航天器一不小心,不但无法进入预定轨道,还会被“拉”进太阳的酷热环境中。凭借现有技术(如推进器反向减速等)不可能使航天器直接“刹车”并留在目标轨道上,所以需要利用引力弹弓效应及时减速,综合借助地球、金星、水星的作用,反复调整轨道,再加上航天器发动机“拼尽全力”,航天器才有可能完美地进入轨道。例如,2020年2月升空的美欧“环日轨道器”规划借助引力弹弓减速达9次之多。 至于文章开头提到的露西探测器,同样是利用引力弹弓的“高手”。2021年10月16日发射升空后,“露西”预计在12年内行程64亿公里,探索8颗小行星,由此将成为单次任务探测小行星数量最多的航天器。飞行途中,“露西”规划了3次利用地球引力弹弓效应提速,首次就是今年10月16日经过澳大利亚上空300多公里高度的轨道,未来再进行2次借力加速,最终将在2025年与第一颗目标小行星相逢。 引力弹弓是航天科研人员在复杂工作的基础上巧妙利用天然条件的创举。显然,在可预见的未来,引力弹弓将进一步把航天器乃至人类探索宇宙之梦推向太空的更深处。 如果更进一步,未来人类想要开展星际旅行,引力弹弓应该是不可或缺的助力之一。考虑到人类目前还没掌握飞出太阳系的技术,未来航天器或许不排除尝试利用恒星甚至黑洞的引力助推,开展跨星系远征。 ■ 相关链接 露西探测器 露西探测器是第一个设计用于访问和观测特洛伊小行星群的探测器,这些小行星是太阳系早期的遗迹。这项任务将帮助研究人员有效地回顾历史,从而了解45亿年前太阳系是如何形成的。 此次任务借用了1974年在埃塞俄比亚发现的古人类化石“露西”的名字。那具骨架为研究人类进化提供了线索,露西探测器探测团队成员希望,他们的任务能在研究太阳系历史方面取得同样的成就。 特洛伊小行星群是由岩石颗粒和冰组成的集群,它们在太阳系形成时没有结合成行星,是那个时期留下的保存最完好的证据之一,因此是了解太阳系演化史的关键。 露西探测器将用3台科学仪器研究这些小行星,包括彩色和黑白相机、温度计以及用于确定小行星表面物质成分的红外成像光谱仪。在整个任务过程中,露西探测器将三次返回地球轨道接受引力助推,使其能够沿正确的路径飞行。露西探测器将成为第一个前往木星并返回地球轨道的探测器。 据《中国航天报》、新华社客户端
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