当前位置:首页 >> 教育精萃
引力跳板
发布日期:2018-10-31    点击次数:870

【字体: 】  【关闭窗口】  【打印该页】

    在借助行星引力改变轨道的同时,又获得更大的速度,使探测器飞向目标行星,就可以减少飞行时间。这种借助行星引力支援的飞行,通常称为引力“跳板”。这就是说,在星际航行中可以利用行星的引力作用改变探测器的日心运动速度,从而可以在没有任何动力消耗的情况下对探测器加速,最终缩短星际航行的时间。

简要原理说明

编辑

空间探测器为了能以最近的路线和最省时、省力地飞向目标,必须选择合理的飞行路线。

如果是月球探测器,无论是绕月飞行进行探测,还是在月球上管陆进行探测,由于月球本身处在地球引力范围内,所以一般不必达到第二宇宙速度、只要初始速度大于10.8千米/秒.就可飞向月球。月球探测器的飞行轨道在离月球6.6万千米之外时,主受地球引力作用.是相对地球的椭圆轨道在离月球6.6万干米之内以后,主要受月球引力作刚,是相对于月球的双曲线轨道。为了节省能量,月球探测器一般先进入绕地球飞行的停泊轨道,然后进入过渡轨道飞向月球。有的月球着陆探测器在飞向月球过程中,不是先进入绕月飞行的轨道.再降落到月面.而是直接从过渡轨道下降到月而着陆。由于月球上没有可用作减速的大气,所以其探测器要么直接撞向月面硬着陆.要么火箭减速实现在月面软着陆。

如果是行星探测器.则发射它的运载火箭必须达到第二宇宙速度.使其进入绕太阳飞行的轨道。们若要使探测器与被探测的行星会合,或绕行星运行甚至在行星上着陆,就需要选择适当的发射时时间和飞行路线。因为地球与其他行星都同绕太阳运行,而且轨道平面大致重叠.只是轨道半径大小不同。因此.行星探测器为了用最省的能量飞抵目标行星,通常选择相切于地球轨道和目标行星轨道的椭圆形航线。

行星探测器飞向被探测目标的轨道通常分成三段。第一段是发射段,即从地面起飞进入行星际飞行轨道;第二段是自由飞行段,即进入行星际飞行轨道后,在太阳引力作用F飞向目标天体;第三段是进入绕目标天体运行或向目标天体降落的阶段。如果被探测的天体离地球不算太远,随着运载火箭能力的增大,可以让探测器以较大的速度飞行,使其沿着大椭圆轨道以最短的航线飞向被探测的天体。如果被探测的天体离地球较远,为了节省发射能量,通常先用较小的速度飞行,在航行过程中借助行星的引力来加速或改变探测器飞行方向,从而最终飞向目标。

由地球飞往行星,最经济的轨道就是双切轨道,即与地球轨道和目标行星轨道相切的日心椭圆轨道,采用这种轨道可以很好地利用地球和行星的公转运动。若按此轨道飞行,探测器只要在初始时候得到

必要的速度就行,然后大部分时间按惯性飞行。但是,这样飞行的时间较长。如果探测器从相当近的地方飞越某颗行星.在借助行星引力改变轨道的同时,又获得更大的速度,使探测器飞向目标行星,就可以减少飞行时间。这种借助行星引力支援的飞行,通常称为引力“跳板”。这就是说,在星际航行中可以利用行星的引力作用改变探测器的日心运动速度,从而可以在没有任何动力消耗的情况下对探测器加速,最终缩短星际航行的时间。

在太阳系行星际探测中.已广泛采用了引力“跳板”的原理和方法。它从两个方面使探测器向飞行轨道发生变化;一是根据探测天体的质量、探测器的飞越高度和相对速度,使轨道受到一定程度的偏转:二是根据探测器的飞人角大小而改变其速度。因此,为了准确地利用借力飞行.应当事先确定探测器的飞入高度和飞入角度,并随时注意其速度的微小变化。这样,探测器在星际航行中,必须进行跟踪、监测和调整,而且只要确切知道探测器在任何时刻的位置和速度,就 有可能对它的轨道进行必要的调整,从而最终飞向目标。

优点描述

编辑

一是可以节省运载火箭和探测器所带的燃料.运载火箭只要达到一定的初始速度,就能利用行星引力“跳板”.飞向遥远的星际空间。二是可以缩短星际航行时间,如果探测器选择最经济的双切椭圆轨道飞行,飞向土星需要6年,飞向天王星需要16年,飞抵海王星需要31年,而假如借助木星引力“跳板”的作用,飞抵土星只需3~4年.飞到天王星只需8~9年,飞近海王星也只需12年.三是可使探测器进入非常特殊的轨道进行难得的探测活动。例如.美国发时的旅行者1号和2号探测器,利用1982年“九星联珠”的机会.先后借助木星、土星、天王星的引力作“跳板”,一次又一次地从木星跳到土星,再从土星跳到天王星,继而再跳到海王星.成为探测太阳系行星最多、探测成果最丰富的行星际探测器。1990年10月6日由发现号航天飞机携带升空发射的尤利西斯号太阳探测器,在飞近木星之后,借助木星的引力作用,偏转90。而跳入垂直于黄道面的太阳极区.对从未接触过的太阳的两极地区进行了探测,取得了许多新成果。

原理分析

编辑
由地球飞往行星,最经济的轨道就是双切轨道,即与地球轨道和目标行星轨道相切的日心椭圆轨道,采用这种轨道可以很好地利用地球和行星的公转运动。若按此轨道飞行,探测器只要在初始时候得到必要的速度就行,然后大部分时间按惯性飞行。但是,这样飞行的时间较长。如果探测器从相当近的地方飞越某颗行星.
引力是保守力,在引力场中航天器的机械能是守恒的,因此当航天器飞离行星引力场时机械能不变,在势能相同的条件下动能也不应该改变。但是,如果将飞行器和行星视为一个系统,情况就不一样了。如果入轨合适,行星的一部分机械能会在轨道加速时转移到航天器上,这部分能量对行星而言无足轻重,但对航天器而言却是巨大的,进而帮助航天器完成引力加速。相反,如果入轨时机不当,航天器的机械能也会转移到行星上,使航天器能量损失,因此引力跳板的轨道需要精确设计。

有趣的事件

编辑
美国休斯公司在1998年5月利用月球引力成功地挽救了未入轨的亚洲3号卫星,从而为今后挽救未能进入地球同步轨道的卫星开辟了一条新路。亚洲3号卫星是1997年12月发射的,由于火箭故障.它被搁浅于地球同步转移轨道。此后,利用星上燃料把卫星送入月球轨道,接着再借助月球引力改变卫星轨道,使它进入地球同步轨道。其实,美国以前就曾利用月球引力挽救成功几乎濒临绝境的阿波罗13号飞船。

利用引力事件

编辑
二十世纪六七十年代,美国阿波罗13号由于在前往月球途中(距地球33万公里时)服务舱发生爆炸,服务舱电源和指令舱氧气贮罐被炸坏,休斯顿紧急取消登月计划,并利用登月舱的电力 氧气 及燃料,进入绕月轨道利用月球的引力跳板使3名宇航员安全返回地球。引力助推不仅能加速,也能用来给航天器减速。信使号就是六次使用重力助推来减速,最终进入轨道的。
         利用引力减速           
  66666.gif        
利用引力加速
   77777.gif
12.jpg
333.jpg555.jpg
888888888888.jpg



相关阅读