基本上所有的深空探测任务都需要借助于引力弹弓效应,包括旅行者一号、二号,先驱者十号、十一号。利用引力弹弓效应可以极大的提升飞行器的速度,节省燃料,减少飞行时间。
那么引力弹弓效应究竟是怎么一回事呢?
一个以公转速度为u的行星在绕日公转,一个速度为v的航天器向它驶来,此时,飞行器相对于该行星的速度就是u+v,当飞行器飞到该行星附近,引力效应增加,使其飞行器的轨道发生偏转时,飞行器将绕着行星轨道飞约半圈,离开环绕行星的轨道,这个时候飞行器相对于该行星的速度仍然是u+v,但是相对于太阳或者是观测者来说,飞行器的速度为2u+v,这样一看,飞行器的速度增加了2u,是一个非常可观的数字。
然而,我们知道守恒定律,在物理上,无论是机械能还是动量、能量、角动量,这一切都应该是守恒的,在引力弹弓效应上,乍一看好像是飞行器凭空获得了2u的速度增量,可事实真的是凭空吗?
显然不是,引力弹弓效应实则是没有互相接触的弹性碰撞,严格遵循能量守恒定律,飞行器获得的线性动量在数值上是等于行星失去的线性动量的,行星失去了这点线性动量造成的结果就是行星绕日公转的速度降低,公转轨道靠近太阳。然而由于飞行器的质量与行星的质量相比,犹如那蚍蜉与大树,行星失去的速度可以忽略不计,因此,在我们看来,行星好像没有什么异样,其实并不是的哦。
飞行器靠近行星时,飞行器的速度获得了增加,在离开行星附近时,由于要脱离行星附近的强引力场,因此速度是会下降的,但下降的量是很少的,相比较于之前,飞行器的速度依然获得了很大的增加,因此,在诸多深空探测任务中,飞行器的飞行轨道都是预先设计好的,充分考虑了之后在飞行过程中利用引力弹弓效应来加速。
下图是旅行者二号深空探测器的飞行履历,可以看出,旅行者二号在经大行星附近时利用引力弹弓效应,速度都得到了很大的增加。