很多人在影视剧中都听过“引力弹弓”这个词,但具体含义知道的不多。今天我们就来探究一下,这个经常出现在影视剧的物理名词,是什么意思!
引力弹弓效应是一种利用其它大型天体引力场,来为航天器加速的一种方法。
想要成为地球的卫星,航天器需要达到第一宇宙速度(V1=7.9公里/秒),想要成为太阳的卫星,需要达到第二宇宙速度(V2=11.2公里/秒)。
而想要摆脱太阳引力,航天器就需要加速到第三宇宙速度V3=16.7公里/秒,而平常音速也才340m/s。因此,航天器想要达到第三宇宙速度,就需要庞大的燃料支持,需要不停地加速,才能达到这个速度。但是航天器所携带的燃料是有限的,无可能无限提供能源,在加上航天器需要携带的设备问题。这限制了单纯用化学燃料加速的设想,需要其它的加速方式,综合一起给航天器加速,才能达到第三宇宙速度。
而引力弹弓,就是其中比较省力的方式之一,不需要燃料,只用通过大星球的引力,就能为航天器加速。原理就像你在旋转的同时,接住一个别人抛来的链球铁链,你用力将链球在自己身边旋转了一圈,把链球再抛出去。链球的速度加快了,而你的速度变慢了。简单来说,就是巨大天体(旋转的人)的引力场(铁链),捕获了航天器(铁球)。天体以损失自身的势能和动能(天体的速度),来帮助航天器加速,满足机械能守恒。在这个过程中,天体的速度是会慢下来的,但由于航天器与天体相比太轻了,几乎可以忽略不计。
因此天体失去的速度(动能),也就可以忽略不计。具体原理如下;
其实就是航天器借助天体的引力场,将天体和航天器变成一个整体,整体较重的部分(天体)会将自己的动能传递给航天器。航天器获得了动能后,又会逃离天体。而损失的动能对于天体来说只是九牛一毛,无足挂齿。这种不用太大代价,就能为航天器加速的方法,就是引力弹弓。未来我们想要实现星际旅行,引力弹弓效应是不可或缺的方法之一。不过这种方法也存在一个致命的缺陷,那就是等待时间需要很久。一颗星球只能加速一次,并且增加的速度也有限度。比如旅行者二号的引力加速;
可见,旅行者二号通过土星加速时,出入速度为15km/s,最高速度为35km/s,离开时速度会降低到20km/s,总体来说增加了5km/s的速度。而木星、土星、天王星等行星在旅行者二号轨道上的机会,下一次需要等到22世纪。所以,赶时间的航天器,不太适合引力弹弓效应加速。