什么是引力弹弓?
发布网友
发布时间：2022-05-05 00:37
共4个回答
热心网友
时间：2022-06-27 20:56
利用引力弹弓使我们能探测冥王星以内的所有行星。在航天动力学和宇宙空间动力学中，所谓的引力助推（也被称为引力弹弓效应或绕行星变轨）是利用行星或其他天体的相对运动和引力改变飞行器的轨道和速度，以此来节省燃料、时间和计划成本。
引力助推既可用于加速飞行器，也能用于降低飞行器速度。
定义：
行星的引力助推作用能够改变飞行器相对于太阳的速度，但由于必须遵守能量守恒定律，所以它和行星间的相对速度并没有改变。在飞行器第一次从远距离接近行星时，产生的运动效果就像该飞行器被行星反弹开了。科学家们称这种情况为弹性碰撞，不过两者之间并没有发生实体接触。
假设你是一个静止的观测者，那么你就会看到：行星以速度U向左运动，飞行器以速度v向右运动。由于两者的运动方向相反，所以当飞行器运行至行星右侧时，其轨道就会发生弯曲，进而以U+v的相对速度（相对于行星表面）运行。当飞行器脱离环行星轨道时，其相对于行星表面的速度仍然为U+v，但是此时的运动方向与原来相反——即向左运动。而由于行星本身正以速度U向左运动，所以在观测者看来，飞行器正以2U+v的速度向左运行——其速度提升幅度为2U，即行星运行速度的两倍。
由于未考虑轨道的各种细节，所以这是一个过于简单化的模型。但是事实证明如果飞行器沿双曲线轨道运行，则其无需启动引擎即可从相反方向离开行星，同时只要其脱离了该行星引力的控制，那么它就可以获得2U的速度增量。
该理论看似违背了能量守恒和动量守恒定律，但这是由于我们忽略了飞行器对行星的影响。飞行器获得的线性动量在数值上等同于行星失去的线性动量，不过由于行星的巨大质量，使得这种损失对其速度的影响可以忽略不计。
在现实宇宙空间中飞行器与行星的相遇实际上会出现两个维度上的因素。在上述理论所提供的案例中，由于要求提高飞行器的速度，所以需要实现的是矢量增益。
同时，引力助推也能被用于降低飞行器的速度。1974年的水手10号以及后来的信使号即通过引力助推实现了减速，两者都是飞往水星的探测器。
如果飞行器需要获得更多的加速度，最经济的做法是当其位于行星近拱点时点燃火箭。火箭助推为飞行器提供的加速度总是相同的，但是它引起的动能变化则与飞行器的实时速度成正比。所以为了从火箭助推中获得最大动能，火箭必须在飞行器速度最大时——即处于近拱点时点火。在奥伯特效应中该技术得到了详细阐释。
为什么要这样？
在太阳系中，由于飞往内行星的飞行器的轨道方向是朝向太阳的，所以其可以获得加速度；而飞往外行星的飞行器由于是背向太阳飞行的，故其速度会逐渐降低。
虽然内行星的轨道运行速度要比地球的快得多，但是飞往内行星的飞行器由于受到太阳引力作用而获得加速，其最终速度仍远高于目标行星的轨道运行速度。如果飞行器只是计划飞掠该内行星，就没有必要为飞行器降速。但是如果飞行器需要进入环该内行星的轨道，那么就必须通过某种机制为飞行器降速。
同样的道理，虽然外行星的轨道运行速度要低于地球，但是前往外行星的飞行器在受到太阳引力作用而逐渐减速之后，其最终速度将仍低于外行星的轨道运行速度。所以也必须通过某种机制为飞行器加速。同时，为飞行器加速还能够减少飞行所耗时间。
使用火箭助推是为飞行器加减速的重要方法之一。但是火箭助推需要燃料，燃料具有重量，而即使是增加很少量的负载也必须考虑使用更大的火箭引擎将飞行器发射出地球。因为火箭引擎的抬升效果不仅要考虑所增加负载的重量，也必须考虑助推这部分增加的负载质量所需的燃料的重量。故而火箭的抬升功率必须随着负载重量的增加而呈指数增加。
而使用引力助推法，则飞行器无需携带额外的燃料就可实现加减速。此外，条件适宜的情况下，大气制动也可用来实现飞行器的减速。如果可能，两种方法可以结合起来使用，以最大程度地节省燃料。
例如，在信使号计划中，科学家们即试用了引力助推法为这艘前往水星的飞行器进行减速，不过由于水星基本上不存在大气，所以无法使用大气制动来为飞行器减速。
而飞往离地球最近的行星——火星和金星——的飞行器一般使用霍曼转移轨道法，该轨道呈椭圆形，其开始一端与地球相切，末尾一端与目标行星相切。该方法所消耗的燃料得到了尽可能的缩减，但是速度较慢——使用该方法的飞行器从地球达到火星需要1年多的时间（模糊轨道法使用的燃料更少，而速度则更慢）。
如果使用霍曼转移轨道法前往外行星（木星、土星和天王星等），途中可能就要消耗掉数十年的时间，所需的燃料仍然很多，因为飞行器的航程长达8亿公里，同时还要抵抗太阳的引力。而引力助推则提供了一个无需附加燃料即可为飞行器加速的方法。所有飞往外行星的飞行器都使用了该方法。
看似是一个完美得计划，但是它也有一个大局限。那就是周期长。我们需要花费很长的时间来等待行星运行到正确的位置，才有极小的可能性利用引力弹弓（即引力助推）获得速度。
当年的旅行者号航天器就是利用引力弹弓飞出太阳系的。
望采纳
热心网友
时间：2022-06-27 20:56
一般人会说：当飞行器朝向行星飞行时，由于受到行星的引力，因此能够加速，这好理解；但难以理解的是，当飞行器飞过行星以后，即飞离行星时，行星的引力会使其减速，正负抵消，似乎不可能起到加速作用。但其实利用弹弓效应时，飞行器并不是直线飞掠过行星，而是会在行星引力作用下绕着行星转一个弯，被行星带着向前飞一段，类似卫星绕行星运动。卫星围绕行星运动时，除了自身的速度外，它还和行星以同样的速度一起向前运动，当卫星运动方向与行星一致时，卫星的运动速度就是两者速度相加。
不仅如此，精确的计算还会利用上行星的引力对飞行器加速，由于飞行器是作曲线运动，可使飞近和飞离行星的引力作用不一样大，因此不会产生上面所说直线运动完全抵消的情况，即使得加速作用大于减速作用。
准确计算好角度、距离和速度，就可使得飞行器不会被行星捕获成为其卫星，只是被其带着向前飞一段，然后由于引力使速度增加，离心力也增加，故飞行器又被甩出去，但这时飞行器被甩出去的速度就是加上了行星运动的速度以及引力增加的速度。
想象你奔跑着跳上一辆运动的火车（是那种一块平板的货车），上了车你仍以惯性向前跑，可你没想到，火车这时正好进入转弯，被火车带着向前运动了一小段后你又被离心力甩出了火车，此时你被甩出去的速度就是你原来跑的速度加上火车的速度。这个问题的核心在于「碰撞」，是「碰撞」的过程给了航天器以能量。
有的读者可能会疑惑：航天器分明没有撞上天体啊，为什么要称其为碰撞呢？
所谓「引力弹弓」，就是让航天器进入某个行星的引力范围之内，绕着它转半圈，然后从相反方向飞走，走的时候，速度就叠加上来行星的速度，从而大大提高了航天器的速度。这种技术常常用在行星际旅行之中，比如如果要想飞出太阳系，就需要利用一些大质量天体，例如木星，来加速。
我们先考虑一个日常能够见到的模型：乒乓球和汽车。我们知道，汽车的质量远远大于乒乓球，所以乒乓球撞到汽车上，汽车的速度变化几乎可以忽略。然而乒乓球则不同：相对地面1m/s的乒乓球，撞上1m/s驶来的汽车，会反弹回来，而且速度是2m/s。也就是说，在这个近似完全弹性的碰撞之中，乒乓球从汽车那里吸收了一点点能量，大大提高了自己的速度。
同时，汽车也失去了一点点能量，然而由于其本身质量很大，所以速度并没有可见的变化。这就给我们了一个启示：既然行星都在以极高的速度运动，那只要将航天器与它进行「弹性碰撞」就可以了。然而传统意义上的碰撞显然是不可行的——那将会摧毁航天器。
这时，就需要考虑更广义层面的「碰撞」了。在处理粒子相互作用的时候，常常也会用到碰撞的概念，而由于粒子很难真正的碰到一起，所以这里的「碰撞」，其实指的是其中一个粒子的运动轨迹受到了另一个粒子的影响。
在这里，恰恰如此，航天器从天体的后方绕过，又折返回来，就如同是被撞回来了一样，在这个过程中，就吸收了行星自身的动能。也就是所谓「引力弹弓效应」。
引力弹弓这是一种非常成熟的航天技术，现实中有着广泛的应用。人类第一次利用引力弹弓效应发生在1959年，当时苏联的月球3号探测器从月球南极后方飞过，借助月球的引力绕到月球背面并拍摄了人类第一幅月球背面的图像。这次的引力助推不但改变了探测器的飞行轨道平面，也少许增加了速度。
1977年，NASA著名的旅行者1号和旅行者2号发射升空，各携带带有人类信息的金唱片飞往宇宙深处。目前，旅行者1号和旅行者2号分别于2013年和2018年先后成为进入星际空间的人类探测器。这两枚探测器就充分利用过引力弹弓效应，旅行者1号在飞掠木星和土星时，利用了这两颗大行星进行了加速，然后才达到了太阳的逃逸速度。旅行者2号利用了木星、土星以及天王星的加速，但在接近海王星时，为了探测海王星的卫星”海卫一“，飞掠海王星的角度导致了相反的引力弹弓效应，速度下降了一些。导致最终速度旅行者1号比旅行者2号要快，首先进入星际空间。
热心网友
时间：2022-06-27 20:57
热心网友
时间：2022-06-27 20:57
例如：“旅行者1号”航天器经过木星漩涡时，速度从13千米/秒提高到了25千米/秒。如果“旅行者1号” 没有漩涡效应的加速，是不可能飞离太阳系的。
