新闻源 财富源

2024年06月18日 星期二

财经 > 滚动新闻 > 正文

字号:  

“罗塞塔”是如何成功“追星”的?

  • 发布时间:2014-11-21 01:30:51  来源:科技日报  作者:佚名  责任编辑:罗伯特

  11月13日凌晨,由“罗塞塔”号彗星探测器释放的“菲莱”着陆器,成功登陆“67P/丘留莫夫-格拉西缅科”彗星,这是人类历史上第一次让探测器在彗星上登陆。

  此刻,“67P”彗星距离地球5亿千米,正以6.5万千米的时速往太阳方向飞行,如此远的距离,如此高的速度,我们禁不住要问,“罗塞塔”当初是怎么追上它的?答案是因为“罗塞塔”采用了行星的“拉扯效应”、“跳板效应”。

  那什么是拉扯效应呢?其实,拉扯效应还有别的名字,比如重力助推、引力助推、弹弓效应等。那么,引力助推到底是怎样为航天器提速的?

  “罗塞塔”四借引力助推

  2004年3月2日,“罗塞塔”探测器由一枚阿丽亚娜5型运载火箭发射升空,任务是在2014年追上目标彗星并释放着陆器“菲莱”。在经过一段漫长而曲折的太空之旅后,2014年11月13日,由“罗塞塔”释放的“菲莱”着陆器离开母船,登陆彗星。

  “罗塞塔”的漫漫十年追星路,一共借助了地球的3次引力助推和火星的1次引力助推。

  2005年3月4日,“罗塞塔”接近地球,实现首次地球引力助推;

  2007年2月25日,“罗塞塔”接近火星,实现火星引力助推;

  2007年11月13日,“罗塞塔”再次接近地球,第二次引力助推;

  2009年11月13日,第三次接近地球,再次利用地球引力助推。

  “罗塞塔”快跑

  引力助推是如何实现的?“罗塞塔”主要是利用了地球的引力助推,所以就以地球来举例子。众所周知,地球围绕太阳运转的平均速度大约是每秒30千米,这个速度是很快的,比子弹、炮弹的初速度不知要快多少倍。

  当地球高速运动时,飞行器逐渐向地球靠近,然后贴着地球飞一段时间,最后离开——这就是引力助推的过程。

  为什么飞行器经过这种飞行后,相对于太阳来说,速度就会增加?原来,地球的引力非常大,对于靠近地球的物体,地球就像吸铁石一样,会把那个物体吸过来。这种“吸”是无形的,看不见摸不着,但确实存在。

  整个过程就好像是地球抛出一根长长的隐形铁链——引力。铁链的一端系在飞行器上,当地球不断运动时,铁链也在拉扯飞行器,不断地改变飞行器的方向和速度。

  在地球的这种拉扯下,飞行器相对于太阳的速度就大大地改变了。可以看出,飞行器相对太阳的速度增加,是以牺牲地球的角动量为代价的,而地球质量巨大,牺牲的这点角动量对地球不会有什么影响。

  另外,因为距离越近,引力就越大,所以我们可以得出,引力助推时,飞行器越靠近地球,所获得的助推就越大。当然,飞行器在接近地球的时候,也不能太靠近了,否则一头栽在地球上,就亏大了。不过,这样的情况是不会发生的,因为在使用引力助推时,飞行器的飞行路线是被精确设计好的。

  能加速,也能减速

  引力助推不光是用来提速,同样,也可以用来减速。

  在加速的过程中,飞行器是在地球的后面绕行,假如是在地球的前面,就会取得相反的效果——减速。

  在减速的过程中,可以看成是飞行器在对地球进行拉扯,这种拉扯会减少飞行器的角动量,却会增大地球的角动量。这对地球的影响忽略不计,但是对于飞行器的影响却是巨大的。

  在太阳系进行行星探测,或者要想飞出太阳系,引力助推是现阶段一个必选的步骤。

  飞行器利用燃料获得一个速度后,在前往外行星的过程中,因为是背向太阳前进,也就是在做远离太阳的运动,所以,飞行器会持续不断地受到太阳引力的拉扯而不断减速,等到飞至外行星的周围时,飞行器的运行速度将低于外行星,比如天王星绕行太阳的轨道速度。如果不采取引力助推,现阶段,我们将很难到达外行星,或者冲出太阳系。

  同样,飞行器在飞向内行星比如水星的过程中,因为是做接近太阳的飞行,过程中将一直受到太阳的引力拉扯,导致飞行器到达目标行星时,速度将远大于内行星绕日轨道的速度。如果飞行器只是飞掠内行星倒也无妨,但是如果想进入环绕内行星的轨道,就必须要减速,减速也可以采用燃料,但是这无疑将增大飞行器的体积,结果就是耗资巨大,所以最好的办法是利用内行星的引力助推来刹车。

  以时间换成本

  引力助推看上去美极了,因为给飞行器减少体重,节约大量燃油,本质上就是节约了大量的资金。引力助推让我们得以派出探测器到各大行星一窥究竟,好处太多自不必说。但天下没有免费的午餐,引力助推的代价是什么呢?

  答案当然是时间。所以,我们看到,“罗塞塔”为了追上“67P”彗星,花了10年多时间,而大部分时间就被花在不停地绕行地球和火星上了。

  水星距离地球最近的时候大约只有9100万千米。2004年发射信使号水星探测器时,如果信使号直接飞到水星,并环绕水星运行,只要3个月左右的时间,这样的飞行最节约时间。但是,这样的旅途却需要信使号携带非常多的燃料,这会增加信使号的重量,同时需要更大的火箭才能把它发射出去,成本极高。

  在金钱面前,骄傲的科学家们也不得不低下头,选择在时间上做出牺牲——让信使号在太阳系内漫游了6年多后才进入水星轨道。

  稿件来源:蝌蚪五线谱 作者:寒木钓萌

  ■相关链接

  引力助推发现史

  最早提出引力助推的科学家是苏联的尤里·康德拉图克。1918年,他在《致有志于建造星际火箭而阅读此文者》论文中,首先提出了在两颗行星间飞行的飞船可以使用两行星卫星的引力实现轨道初段的加速和轨道末段的减速。

  后来,苏联科学家弗里德里希·詹德在1925年的论文《星际飞行中喷气推进的问题》中也提出了类似的构想。

  以上两人关于引力助推的想法都不太完整,直到1961年,美国数学家迈克尔·米诺维奇才最终完善了引力助推。他正确地指出,行星对飞行器施加的引力助推能够推进飞行器,并减少飞行器在星际间飞行时的燃料消耗。

  1959年,引力推进法得到了首次应用,当时苏联的探测器月球3号使用该法运行至月球背面并拍摄了该区域的照片。当时这一操作流程由克尔德什应用数学研究所设计。

热图一览

高清图集赏析

  • 股票名称 最新价 涨跌幅