2024-01-31 13:06:17 | 来源: 互联网整理
弹弓是一个很好玩的东西。 我们小时候都玩过它。 我们用它来射麻雀，有时也用来射人。 可惜现在的孩子很少有机会玩，因为他们容易受伤，而且有危险，所以不让他们玩。 弹弓的制作可以很复杂，也可以很简单。 你可以捡起一根树枝，在两端系上橡皮筋，做成弹弓。 它可以用来发射用废纸制成的“子弹”。 那些用粗铁丝做的，带着皮豆的弹弓，自然是“富贵级”，肯定会引来朋友们羡慕的目光，流口水长长的。
弹弓
当然，本文所说的弹弓与儿童玩具并不是一回事。 毕竟，你不能使用橡皮筋将卫星或其他航天器发射到太空。 只是它们在力学上有一定的相似之处，所以在视觉上被称为“重力弹弓”。 其实，在天体力学中，它有一个标准的名称，叫做“重力辅助”。
太空发射是力量的科学
当我们想要发射一艘飞船到另一个星球时，通常有两种方法：一是使用蛮力，利用大推力火箭和大量燃料将飞船直接推上来；二是用蛮力，用大推力火箭和大量燃料将飞船直接推上来。 二是用“巧”，充分利用各个行星对飞船的引力，包括重力的辅助作用来加速飞船。
虽然马斯克说火箭燃料很便宜，但火箭发动机的推力毕竟有限。 您携带的燃料越多，您需要的发动机就越强大。 同时，为了多携带一吨燃料到天空，需要燃烧100吨燃料。 建造更大的火箭意味着更多的重量和更多的钱，这是一个恶性循环。 因此，仅靠蛮力来发射火箭是不可行的。 我们还需要充分利用机械原理来运用“巧”。
用于深空发射的火箭很大，但这还不够
在太空发射期间，火箭通常在升空后向东转向。 这是因为地球自转方向是自西向东，地球绕太阳公转的轨道也是自西向东。 当火箭转向东时，它可以获得大约30公里/秒的额外速度。 这是地球赤道表面自转线速度（0.466公里/秒）与地球绕太阳公转速度（29.78公里/秒）之和。
我们知道，当火箭的速度大于11.2公里/秒时，就可以逃离地球，称为第二宇宙速度。 但第二宇宙速度不足以让火箭飞得很远，因为太阳的引力非常巨大。 火箭需要达到16.7公里/秒（第三宇宙速度），与地球速度叠加才能逃离太阳。
当航天器在太空中向外飞行时，由于受到太阳引力的影响，其速度会不断降低，最终会被太阳拉回来。 这就需要飞船不断加速才能摆脱它。 前面说过，飞船携带的燃料是有限的，我们需要它从外部“借力”。 这就是我们接下来要讲的重力辅助。
弹性碰撞力与速度的关系
为了使复杂的概念更容易理解，让我们从一个例子开始。 假设一个顽皮的孩子在铁路边向高铁车头扔了一个球，会发生什么？ 不存在侥幸心理，球撞到火车后会弹回来。 这在力学中称为弹性碰撞。
球击中火车后的速度
球反弹回来的速度有多快？ 这是个有趣的问题：
假设顽皮的孩子扔球的速度是30公里/小时，而从相反方向过来的火车的速度是50公里/小时。 当火车司机看到球来时，球的速度是多少？ 没错，每小时80公里，这就是小球相对于火车的速度。
当火车撞到球时，它会将球弹开。 火车司机看到球以每小时80公里的速度弹起（这是它撞击火车的速度）；
同时，列车前进速度为50公里/小时。 火车将其动量传递给球，使球加速。 此时，反弹的球相对于地面的速度为130公里/小时。
弹性碰撞与两者的速度和质量有关。 显然，向骑自行车的人踢足球的效果会非常不同。
当然，向火车扔东西是违法的。 我们身边也可以找到很多类似的弹性碰撞的例子。 例如，当我们打球时，球与球拍之间存在弹性碰撞。 球拍将动能传递给球，使其改变方向并加速。
不等质量弹性碰撞时的速度变化
重力辅助的实际应用
说起重力弹弓，可能是因为小孩子用的弹弓。 有些人喜欢用下图来表示。 这张图看起来不错，但实际上违反了力学原理。
重力弹弓错误图解
事实上，根据牛顿理论，在正确的重力辅助应用中，航天器的运行轨迹往往是双曲线轨道，其轨道偏心率需要大于1。否则，航天器无法逃脱行星的引力，引力也将无法逃脱。弹弓变成重力。 陷阱。
当e>1时，航天器有可能摆脱F行星的引力影响
航天器不能利用弹性碰撞在太空中加速。 它将在地球表面坠毁。 因此，航天器利用行星的引力来加速或改变其轨道。
为了获得飞出太阳系的最大动能，航海者一号先后利用木星和土星的引力进行弹弓操作，从而获得了完全逃离太阳引力的能量。
航海者一号的轨迹
航海者二号先后利用木星、土星和天王星进行引力加速，但为了观测海王星最大的卫星泰坦，它选择穿越海王星的北极。 这导致航海者 2 号在黄道面外获得加速度，同时降低其与太阳的相对速度。
航海家二号的轨迹
下图是航行者二号经历4次引力弹弓后相对太阳的速度变化曲线。
Voyager 2 速度曲线
如果你细心的话，你可能会发现，在上面航行者二号的速度变化曲线中，航天器在每次因重力加速后都会明显减速。 为什么是这样？
这是因为，当航天器接近行星时，它会因行星引力的影响而加速； 当它飞过时，行星的引力势阱会反过来拉动飞船，使其迅速减速。 当航天器最终脱离行星引力场时，太阳的引力会作用在航天器上，使其速度一点点减慢。 这就是为什么航海者二号曾经在海王星附近达到了29公里/秒，但现在它相对太阳的速度还不到15公里/秒。
行星的引力势很好地作用在航天器上，改变了它的速度
为了获得更大的逃逸速度，航天器需要启动其推进器。 根据奥伯特效应，航天器以较高速度使用发动机会比以较低速度使用发动机产生更大的机械能。 也就是说，当航天器在距离行星最近的地方开启加力时，可以更有效地提高飞行速度。 当然，这也要求飞船拥有大推力的火箭发动机。 最新的电动推力发动机毫无用处。 它们的推力太小，需要很长时间才能一点点提高速度。
轨道选择是重力辅助的决定性因素
行星绕太阳运行，并且在其轨道上具有前进速度。 这就像一个顽皮的孩子向火车扔球。 当火车停下来时，球会以与他扔球相同的速度反弹回来。 但当火车快速接近时，球反弹回来的速度会更快。
同样的原理也适用于航天器利用行星进行轨道加速。 它需要以一定的角度进入行星的引力范围，才能很好地利用行星的引力进行弹弓弹射。 这涉及非常复杂的计算，我们用以下动画图像来可视化：
重力辅助的各种轨道应用
在上面的动画中，黑点代表行星的轨迹，蓝点代表航天器。 为了获得最大重力加速度：
重力弹弓只能用来加速吗？
并不真地。
在太阳系内部，太阳无法加速航天器。 而当你接近前进轨道上的行星，或者在行星轨道上接近行星时，航天器的速度会迅速降低，甚至掉头（如上面的d和g所示）。
1990年，美国宇航局发射了欧空局尤利西斯号宇宙飞船来研究太阳的两极地区。 为了进入经过太阳两极的极地轨道，航天器必须消除它从地球绕太阳轨道继承的 30 公里/秒的速度，并获得在两极之间绕太阳运行所需的速度。 仅靠火箭的推进系统是不可能实现这一点的。 科学家们想到了利用木星作为引力弹弓，最终成功将尤利西斯号送入了垂直于黄道面的围绕太阳的极地轨道。
尤利西斯利用木星进入绕太阳的极地轨道
总结：
重力弹弓是重力辅助效果的直观表现。 其目的是利用行星引力改变航天器的速度和轨迹，从而完成相应的科学任务。
重力弹弓广泛应用于星际探索过程中。 一方面，人们可以通过科学计算节省燃料和太空发射成本。 同时，他们还可以用尽可能小的火箭，将尽可能大的航天器发送到其他星球。 比如，印度利用地球引力一点点加速自己的飞船，最终将“月船二号”送入月球轨道。
印度“月船2号”多次使用地球重力弹弓
重力弹弓的有效实施取决于极其精确的测量和仔细的计算。 稍有不慎就会错失千里，到最后连飞船的影子都找不到。
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