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2019/10/22 0:05:56
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  在影戏《火星营救》中,NASA 核算了马克·沃特尼的食品储藏和他种马铃薯的供应状况,最后决议先发射一艘食品补给飞船过来,等下一次履行火星空中使命,再用阿瑞斯 4 号接沃特尼回去。千万没想到运载补给船的火箭刚升空就爆破了,NASA 职员们心里必定有一万头草泥马奔流而过。不外这何尝不是一件功德,究竟在地球这端失事,总好于补给飞船花了八个多月时面前降火星时再发作事变的好,否则沃特尼真的将成为“迄今为止惟一死在火星上的人”了。

  这个时分,NASA 的黑人小哥心血来潮,想出一套救命沃特尼的绝(he)妙(he)的计划。为了考证这个计划,小哥还用超等核算机演算了一遍。这一段还真是槽点满满的,且不说未经请求小我电脑就能接入超等核算机太扯淡,NASA 小哥用的引力弹弓办法也仅仅一种飞翔器减速罕用的办法,并且还要用让 5 个原本失常履行任务的宇航员冒着极大的危险去救命一个根本会要狗带的宇航员。真不清楚该说这是美国的英豪主义特征,仍是《火星营救》作者安迪·威尔是个白莲花呢。

  引力弹弓究竟是甚么鬼?

  为了让观众弄懂引力弹弓的计划究竟是怎样回事儿(由于 NASA 作业人员才不会这么小白啊),黑人小哥还用了一个形象的比方来阐明他的营救计划。

  引力弹弓其实不奇异,咱们能够把“赫尔墨斯”号飞船设想成一个乒乓球,当它飞向一壁运动的球拍时,反弹速率是雷同的(不思考重力、氛围阻力、非弹性磕碰,实际上是速度,那些理工宅想要作对小编的状况)。但如果是这个球拍向着来球方向挪动,那这个球与拍相撞后反弹速率就会变快。在这里,这面挪动的球拍那是绕太阳自转的地球,飞船从地球自转中盗取了少点动能,然后取患了更快的速率。跟球拍在球静止轨道外侧施力磕碰反弹相同的是,“赫尔墨斯”号的“反弹”是遭到地球引力的牵引,所所以在绕过地球时,遭到来自静止轨道内侧的力。

  如许的运用非常常见,咱们向地球之外的天体发射飞翔器时,常会使用到其余行星或天体做引力弹弓,以此来节俭燃料、时刻和方案成本。比拟典范的多是美国的“卡西尼”号了,它于 1997 年 10 月 15 日从地球发射返回意图地——土星,但只带了很少的燃料,它在 1998 年 4 月 26 日应用了金星的弹射,在 1999 年 7 月 24 日应用了金星的第2次弹射,又于 1999 年 8 月 18 日应用了地球的弹射,后于 2000 年 12 月 30 日应用了木星的弹射,最后于 2004 年 7 月 1 日到达到土星。

  “卡西尼”号从地球到土星的路程

  像“卡西尼”号如许,应用引力弹弓算是十分温顺的,由于这些行星引力都太弱,无奈供给激烈的偏转。而在影戏《星际穿梭》中,库珀运用引力弹弓的剧情就更极其了。他的意图是使“巡查者”号飞船达到米勒星球,这就需求降速c/3,他选用的计划是应用一颗中子星停止引力弹弓加速。

  仍是用乒乓球的比如来讲,若是要加速,就需求球拍跟球挪动方向雷同,如许乒乓球反弹后的速率就变慢了。“巡查者”号飞船的飞行轨道的引力会拉拽中子星,低落飞船的速率,这个进程叫做“能源学磨擦”。

  用引力弹弓的办法减速

  用引力弹弓的办法加速

  想要辨别引力弹弓是减速仍是加速,首要看飞翔器通过天体时,是在天体静止方向的后方仍是前方,若是是前方那是减速,后方则是加速。

  影戏《星际穿梭》的惟一科学领导基普·索恩经过核算发觉,中子星的引力其实不克不及餍足加速需要,要到达如许的加速大略需求品质为卡冈都亚千分之一的黑洞,他还用本人的方程和 Mathematica 模仿出了它们的图象。下面这一系列图像,那是库珀将会在引力弹弓旅途中看到的现象。

  以卡冈都亚为布景,用中等黑洞品质作引力弹弓时会看到的场景

  怎么巧用引力弹弓,把飞船减速至光速?

  现实上,引力弹弓另有更多妙用。在基普·索恩为同名影戏写的《星际穿梭》一书中说到,能够应用双黑洞体系制作一个飞船加快器,然后以少少的燃料将飞船减速至濒临光速。

  这个双黑洞体系有很多制约前提,需求两个黑洞充足大,不会呈现潮汐力毁掉飞船的状况,并且两者处在极端椭圆的轨道上,使得人们能够驾御着化学或核燃料飞船濒临双黑洞体系中的一个,开端所谓的变焦-扭转轨道。

  飞船应起首向黑洞(变焦)下降,绕黑洞扭转几圈,之前期待黑洞运转到简直正对着它的“火伴”时,(变焦)飞离黑洞,与伴黑洞交汇,滑入伴黑洞的扭转轨道。若是这两个黑洞仍是相互相向而行的话,那末通太短暂的扭转后,飞船还能够(变焦)升轨回到榜首个黑洞去。

  若是两个黑洞曾经不再相向而行,那末飞船就要在扭转轨道上待久一些;你必需把本人驻留在第二个黑洞的轨道上,直到两个黑洞下一次见面时,再回到榜首个黑洞。用这类方法——老是等双黑洞相互濒临的时分去跃迁,你就能让飞船就能减速得愈来愈快。只有双黑洞的轨道充足椭圆,你想多濒临光速就能多濒临。

  这个计划的不凡的地方是,你只需少少的火箭燃料去操控在每一个黑洞边上该待的时刻。关键在于,飞船应进入黑洞的临界轨道,以及在那边对盘旋停止掌握。一旦你到达了想要的濒临光速的速率,就能够动员火箭分开临界轨道,飞向世界深处的目的星系。

  变焦-盘旋轨道能把飞船的速率晋升到濒临光速

火星营救中的引力弹弓是甚么?

  动员火箭分开临界轨道,飞向悠远的星系

  这趟游览路途边远,差未几有 100 亿光年的间隔。但当你挪动的速率濒临光速的时分,你的时刻消逝比起地球将大为缓解。若是你充足濒临光速,就能依照本人的构想在几年乃至更短的时刻里达到意图地——依照你丈量的时刻。能够的话,你还能够在乎图地左近找一个用来加速的高度椭圆轨道双黑洞体系。

火星营救中的引力弹弓是甚么?

  双黑洞体系内的加速弹弓效应

  这品种型的引力弹弓效应可以供给一种办法,以逾越星系际标准的间隔,而后把文化散布进来,首要的停滞(或许是难以跨越的)是怎么找到或许制作所需求的双黑洞体系。若是你处于一种充足兴旺的文化当中,那末发射真个体系能够还不是成绩,但加速体系就另当别论了。

  你也能够用一样的办法回家,但你的返来能够不会十分欢快。由于时刻收缩效应,地球曾经曩昔了十几亿年,而你的春秋只长了几岁。设想一下,你会见临甚么样的现象?

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