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猎鹰 发布于2017-02-05 23:32
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【轨道力学科普】4.如何利用弹弓效应与奥伯特效应

楼层直达
之前几篇都讲解了轨道力学最基础的理论,那么现在就来一篇有关实际应用的。

1.为何要使用弹弓效应

       扯那么多高大上也没啥用,说白了就是火箭性能不够,时间来凑。下面举两个例子来说一下使用了弹弓效应可以做出那些以火箭无法完成的事情。
       第一个便是尤利西斯号,其飞行轨道位于垂直于八大行星的轨道。如果要直接发射,首先在地球平面的速度得从30km/s减到0。而发射400kg的新视野号探测器使用了500T的火箭,其速度也不过16km/s。按照这样计算如果要直接用火箭完成,那么这个火箭差不多600000T的重量,相当于十艘辽宁舰,175枚土星五号的重量,显然这个做不出。

       尤利西斯号充分利用了木星作为跳板,先加速至木星的下方,利用木星的引力作用使其轨道发生了偏折。完成了这个看似不可能的任务。

图片:cd6eb501a18b87d653c16fd1060828381d30fdf4.jpg


        第二个例子便是卡西尼号探测器。之前nasa就发射了很多探测器到木星,不过其重量大部分都是800kg左右(旅行者号),其发射的火箭起飞质量也在1000T左右。而这次发射的卡西尼号重量达到了6.4T,如果要直接发射,大概要2-3枚土星5号这种火箭,在那时显然也是不可能完成的任务。最后虽然浪费了大概两年的时间(相比于总共6-7年的路程也不算啥了),但是整个任务还是取得了成功。

图片:1105735786_oraGhG.jpg


图片:nasa2.jpg



2.用于弹弓效应的天体选择
用于引力加速的天体通常具备了以下的特征
1.引力要够大,这样轨道弯折幅度大,速度增加明显。
2.距离近,这样容易飞到,不然为了利用这一点引力还需要飞那么远,得不偿失,而且时间不能太久。

其实综合考虑下来只有三颗星球可供选择,分别是金星、地球和木星。
为什么没有水星火星和土星呢?
水星离太阳太近,很难减速飞到那里,而且引力太小。火星也是因为引力太小。
土星感觉也不算很远啊,为什么不能用?

图片:68080257_2.jpg



其实很多时候我们都是接触的上面那张图,其实这张图的比例是不正确的,真实的太阳系是下面这样的,后面的四颗气态巨行星的距离与内部是四颗固态行星的轨道距离相去甚远,相比于土星,木星近了太多。

图片:timg.jpg



3.适合利用奥伯特加速的天体选择

      由于奥伯特效应的精髓就是速度,其中这个速度有两个关键,一个是行星的环绕速度,另一个就是飞行器在行星表面的速度。符合要求的天体大致有这样的要求,一是轨道靠近内侧,运行速度巨大,二是引力巨大,使得飞行器在表面的速度很大。这样的天体正巧也是之前的那三个~~~
      其中木星是三个代表中最特别的,他的逃逸速度达到了60km/s,甚至远远大于了金星的轨道速度,再加上13km/s的轨道速度,简直是利用奥伯特效应的神器。

图片:屏幕快照 2017-02-05 05.03.56.png



图片:屏幕快照 2017-02-05 05.04.48.png


4.飞行轨道的编排

首先说一个万能的方式用于给大家入个门,这种方式对天天的排布要求并不高。加速向外发射,使其轨道周期大约为两年,在太空飞行了两年之后再次与地球相遇,利用地球完成引力加速。使用这种轨道的飞行器最典型的便是朱诺号,用于探测木星。
视频:http://www.bilibili.com/video/av6410091/

图片:313123.jpg



要加速到两年地球轨道对火箭的要求还是比较高,如果发射窗口合适,还可以先发射至金星,利用金星的引力使轨道偏折使其飞向地球并完成了第一次加速。当相遇地球时,引力加速至两年的轨道。

最典型的就是伽利略号
视频:http://www.bilibili.com/video/av1767692/

图片:timg.jpg



上面的方案虽然很好,但是在光是为了加速就得在内侧兜圈花去三年时间,感觉在时间上的利用率并不高的。相比于两个地球年,如果是多次利用金星完成加速,使用两个金星年是坠吼的。
最典型的就是卡西尼号,卡西尼号的视频资料居然非常少,所以这里没有视频资料了。

图片:01300001041710130632290144125.png


1.飞到金星,进入两个金星年的轨道,完成第一次加速。
2.再次使用金星加速,使其飞往地球
3.在飞跃地球时再次利用地球加速,飞往木星
4.利用木星加速,对准最终的目的地土星。

图片:卡西尼.jpg



上面讲了一些常用的飞行轨道,下面我再来讲讲一些比较特殊的轨道。
比如探测器中最出名的旅行者号(主要不是出名于航天界,而是文学界其文学作品遍天下,包括语文考试卷

http://www.bilibili.com/video/av1621725/
http://www.bilibili.com/video/av2911872/
这个轨道是要等一百多年才会出现一次的天体排布,在这种情况之下只需要发射一次,就可以用力引力加速并改变轨道从而一次探测四颗行星。

图片:7a899e510fb30f248168fd46c895d143ac4b0380.jpg


如果你还觉得弹弓效应只能用于加速,那么就真是图样了,在减速方面弹弓效应的作用也是很大的。
比如信使号,他是人类第一个完成环绕水星飞行的探测器。
http://www.bilibili.com/video/av1767609/

虽说水星距离地球也不算远,但是轨道及其靠近太阳。虽然直接使用霍曼转移轨道很容易就能飞到,但是水星的引力极小,在到达水星之后将其减速到其逃逸速度之下几乎是不可能的,所以还是被迫使用弹弓效应。
其飞行轨道可真的算得上山路十八弯,经过了多次减速,才最终进入了水星的轨道。
1.发射出去,其轨道十分接近一年,然后微调使其相遇地球使其减速飞往金星
2.进入金星,完成一次减速
3.再次相遇金星,完成二次减速,飞往水星
4.水星一次减速
5.水星二次减速
6.水星三次减速
7.进入水星轨道

图片:屏幕快照 2017-02-06 03.29.15.jpg



我推荐一款软件可供大家学习一个,那就是nasa`s eyes

图片:屏幕快照 2017-02-05 23.35.49.png



里面有所有nasa的探测器与太空望远镜,其飞行姿态和轨道都是实时的。坠重要的还可以调节时间,看不同时间的航天器的姿态与位置。

图片:屏幕快照 2017-02-06 03.08.52.png


图片:屏幕快照 2017-02-06 03.09.26.png



5.伊卡洛斯计划
      之前讲了这么久的理论了,现在我们可以自动动手设计一个飞行轨道。我的飞行目的就是以最快的速度逃离太阳系。
      在这里的模拟器就是坎巴拉太空计划,具体啥的我就不说了自己百度。

      名字来源的来源于人造天使无关,而是希腊神话中人物,与代达罗斯使用蜡和羽毛造的翼逃离克里特岛时,他因飞得太高,双翼上的蜡遭太阳融化跌落水中丧生,这也展示出了这个飞行轨道的难点在于贴着太阳表面,控制不当就会被烧坏。
视频地址:http://www.bilibili.com/video/av2578557/

多次引力加速与减速:   南辕北辙:先减速,然后加速,再减速,最后加速
      第一次:减速至Eve(金星),利用Eve加速   第二次:飞越Kerbin(地球),加速到周期两年轨道
      第三次:再次飞越Kerbin,加速飞往jool(木星)   第四次:利用jool减速到Kerbol(太阳)表面(利用奥伯特效应加速逃逸)。
      由于在较高的轨道减速到太阳表面需要更少的速度增量(因为离心率与角动量和能量都有着很大的关系,所以已经有着很多离心率的轨道时跟容易调节)所以需要先加速到较高轨道,在高轨道处利用木星引力减速(木星有着极高的引力,可以获得极大的环绕速度,在此可以充分利用奥伯特效应)。



轨道示意图:

图片:屏幕快照 2017-02-05 23.37.10.png


        当然这个飞行的脑洞是极大的,因为太阳表面温度极高,飞行器是吃不消的,假如可以承受这么高的温度,逃逸太阳系可达到110km/s(坎巴拉星系58km/s)。相比之下旅行者才17km/s,这个比它不知道高到哪里去了。
评分1条评分,MT币+50
  • 老爱粉+50MT币2017-02-07 22:49

    内容翔实,例证丰富。

    老爱粉
长空又放核红云, 怒吼挥拳显巨身。 横眉南天震虎口, 寄心北海跃龙门。 敢同恶鬼争高下, 不向狂魔让寸分。 先烈回眸应笑慰, 擎旗已有后来人
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