巧說引力彈弓

2020-12-05 和訊科技

多彩世界

　　大家小的時候一定玩過彈弓吧？食指和拇指捏住的同時拉緊橡皮筋，突然一放鬆，「子彈」嗖地離弦而出，很過癮，甚是好玩，但是大家有聽說過「引力彈弓」嗎？

　　沒錯，許多航天迷應該都聽說過這個詞，它又被稱作「引力助推」效應，是指利用某些天體的引力，改變飛行器的軌道和速度，從而達到節省燃料和時間的目的，一般來說，火箭能為探測器提供的動能是比較有限的，若想讓探測器能脫離地球乃至太陽的引力控制，火箭必須非常的龐大，且造價昂貴，為了解決這一問題，科學家們想出了許多的辦法，使得探測器在太空中不必使用火箭就能獲得動能，例如：電推、太陽風帆等，其中，最為傳統且成熟的方法就是使用「引力彈弓」。

　　在許多的探測任務中，這種方法被用於加速。利用行星彈射，「新視野號」飛掠冥王星時速度達到13.8KM/S，歐空局著名的「羅塞塔號」更是完成了經地球內側的水星、金星的彈射再接近地球「回家看看」的壯舉，並最終實現與一彗星在其軌道遠日點交匯並著陸的目標。另外，最為著名的兄弟星「旅行者1號」和「旅行者2號」在1977年利用難得的行星連珠時機大幅加速，其中「旅行者1號」以17.8KM/S的速度創下了航天史最快紀錄，至今尚未被打破。而在另一些需要進入行星軌道的任務中，引力彈弓則被用來減速。當高速飛行的探測器需要被行星捕獲時，必須來一個「急剎」，叫做「空中剎車」，像探測木星的「朱諾號」「伽利略號」探測土星的「卡西尼號」，都是憑藉這一辦法進入環繞行星的軌道的。

　　那麼，究竟是什麼原理造就了這一天然的彈弓呢？這裡大家需要了解碰撞和動量的概念，物體動量值數上等於物體速度與質量的乘積，方向與速度相同，在對心碰撞中，只研究運動的初末狀態，兩物體組成的系統前後動量和相等，稱為動量守恆。其中，碰撞可分為彈性碰撞和非彈性碰撞，完全非彈性碰撞時兩物體合二為一，動能的損失最大，這如同兩塊橡皮泥碰撞，「啪」的一聲便粘住了，而完全彈性碰撞要求系統前後動能守恆，兩桌球的碰撞是接近這種情況的，碰撞發生後，各自彈開。而在太空中，幾乎沒有空氣阻力，所以我們的飛行器在與行星「周旋」時並不直接與之接觸，加上在這極短的飛掠時間裡，行星可以看作近似在直線軌道上運行。因此，在平行於該直線的方向上，這個過程的動量和機械能皆守恆，是個實實在在的彈性碰撞過程。

　　以加速過程為例，飛行器進入行星範圍之後迎面向行星衝過來，繞過行星背面被其引力往前一拉，掉頭離開行星引力範圍，這就好比兩顆質量不一樣的小球迎面相撞，質量小的球以更快的速度被彈回去。這個過程結束後，飛行器的初速度與行星的速度之和比上飛行器末速度與行星速度之差，正好等於飛行器質量與行星質量之間的和與差的比值。由於飛行器質量相對於行星很小，可以忽略不計，那麼飛行器末速度與初速度相比，增加了兩倍的行星速度，而行星速度近似不變，其實這雖然看上去並不滿足機械能守恆，但是若將飛行器質量考慮進去的話，行星是會有微弱減速的。我們的探測器巧妙地利用引力彈弓，從行星的動能中竊取了一小部分化為己用。同樣，只要將飛行器「迎面飛來」換成「身後超車」，就可以減速了。

　　然而，引力彈弓並不是什麼時候都能用的，它講究時間窗口，而且以上都是在直線方向上的簡單討論。引力彈弓的形成與行星的密度、質量、飛行器初速大小、方向都有關係，若飛行器的速度太大，行星密度較小，那麼很可能還未到達足以使軌道正確改變的位置，就已經和行星相撞了。

　　（作者系廣西柳州鐵一中高三年級學生）

（責任編輯： HN666）

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