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天体力学

引力弹弓 是什么

在行星参考系里,探测器速率不变,只有方向弯曲。可换到太阳参考系,行星速度叠加上去,速率就增大或减小。这就是免费加速的秘密。

飞船不烧燃料也能加速,诀窍是贴着行星身边掠过。从随行星一起运动的角度看,飞船的速率丝毫不变,进来多快出去就多快,只是方向拐了个弯。可一旦换到固定在太阳上的角度,情况就不同了:行星自身的速度会叠加到飞船的速度上,所以从行星后方经过就会加速,从前方经过就会减速。同一件事,在不同的参考系里量,得出的速率并不相同。

把同一次近距离飞越放在两个参考系里并排对照。在行星参考系中,飞船绕过金色行星,以进来时的速率离开,绿色标注的 vin 和 vout 大小相同,只是方向不同。用按钮切换到太阳参考系,从原点伸出一支金色箭头 vp,它就是行星的速度,并等量地加到两个速度上。于是蓝色箭头 vout 明显比 vin 长,下方读数中离开时的速率也大于进入时。物理规律只有一个,用哪个参考系来量,决定了速率是多少。

掠过得有多近,决定了一切。瞄准距离 b 表示飞船偏离行星中心多远经过,在图中就是行星与虚线之间的间隔。用滑块减小 b,飞船靠得更近,被引力抓得更紧,蓝色轨迹的偏转角 δ 随之增大。偏转角越大,在太阳参考系中得到的增速也越大。不过靠得太近就会撞上大气层或地表,所以实际任务会选一个安全的 b,只偏转所需的角度。

偏转的方向不同,飞船可能加速,也可能减速。图中的行星正向右运动;从它的后方经过,行星会沿运动方向拖着飞船走,使速率增加。反之,从前方经过,飞船就会被向运动的反方向拉扯而损失速率。用按钮切换两种情形,下方两根条中 vout 一会儿比 vin 长,一会儿比它短,速率变化的符号随之翻转。所以飞往外行星时用后方飞越来加速,飞向太阳附近的内侧时用前方飞越来减速。

速度是矢量,要用三角形来相加。按“下一步”,三角形一条边一条边地搭起来。先有行星参考系中的相对速度(绿色箭头),加上行星速度 vp,就得到太阳参考系中进入的速度 vin。近距离飞越只转动相对速度的方向而不改变其长度;把转过之后的相对速度再加上 vp,就得到离开的速度 vout。由于方向转到了行星前进的一侧,vout 更长。增加的动能是从行星的公转运动中借来的:行星极其轻微地变慢,飞船则不用燃料就加了速。

一次借力不够,就多次串联。每按一次“增加飞越”,飞船就掠过下一颗行星,太阳参考系中的速率一点点累积,下方的条随之变长。到第二次飞越时,累积速率越过虚线标出的逃逸临界,此后轨道就朝向外太阳系。真实的探测器也是这样借助多颗行星的引力,到达仅凭自身携带的燃料远远到不了的地方。

实际应用引力弹弓是一种随参考系而呈现不同面貌的速度交换。在行星参考系中,速率保持不变,只有方向偏转;在太阳参考系中,行星的速度叠加上去,从后方经过就加速,从前方经过就减速。获得的能量不是来自燃料,而是来自行星的公转运动,一次飞越的增速不会超过行星速度的两倍。把这样的借力多次串联起来,探测器就能飞到外太阳系。
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