人类想要逃逸太阳系,可行吗?

  • 黄亚芳
  • 日期:2019-11-09
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        小编带大家看看,具体的逃逸路线该如何规划。

 

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        首先大体上描述一下地球的逃逸路线,然后在对其中的关键部分进行详细的介绍。地球在自身公转轨道的近地点,进行第一次机动加速(也是唯一一次)。转移到木星和地球轨道之间构成的霍曼(Hohmann)轨道。霍曼轨道的远心点和木星轨道的近心点交会,利用木星和地球之间的引力弹弓效应提供一定的加速度,从此之后地球就开始飞向广阔的太空。

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对霍曼轨道进行一个简单的介绍

        在太空动力学,霍曼转移轨道(Hohmann transfer orbit)是一种变换太空船轨道的方法,途中只需一次引擎推进,相对地节省燃料。此种轨道操纵名称来自德国物理学家瓦尔特·霍曼。本次地球逃逸的霍曼轨道使用的地球的轨道的短半轴作为霍曼轨道的短半轴,使用木星轨道的短半轴最为霍曼轨道的长半轴。

        地球在近日点的速度为30.3km/s,在近日点进行加速进入霍曼转移轨道。在近日点转移到霍曼轨道之前,我先来看看木星的轨道,为了简化问题,我们考虑一种最简单的情况,即当地球和木星恰好在木星的近日点,发生引力弹弓效应。因为此时木星的速度是整个公转轨道上的最大值,所以可以从木星那里获得比较大的能量。木星在近日点的速度经过计算为14.340km/s。

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        经过复杂的计算,如果地球想要加速进入霍曼转移轨道,是需要通过动能的额外能量来抵消增加的引力势。换句话说地球需要加速才能进入到霍曼转移轨道,那么至少需要多少的加速呢。

       上面已经介绍过地球在近日点的速度大约是30km/s。而转移到霍曼轨道上的速度要求为38.649km/s。也就是说地球在霍曼轨道上的速度增量大小至少为8km/s。加速所需要的能量大约是1.7205*10的33次方焦耳。

       有的同学说,干嘛要通过霍曼转移轨道进行逃逸,这么麻烦!为什么不直接从地球近日点加速逃逸出太阳系,岂不是更方便,还可以避免与木星发生危险的近距离接触。至于问题的答案,小编这里先给大家卖一个关子。接着看下面的分析。如果从地球的近日点直接进行逃逸。我们都知道逃逸的速度为第二宇宙速度大约是42.486km/s,跟地球在该点的速度相减。速度增量大约是12km/s。而此时的加速动能大约为2.65*10的33次方,大约是进入霍曼转移轨道所需要能量的两倍。

       接着往下看,地球开始进入霍曼转移轨道了,在霍曼转移轨道。地球只需要运动半个轨道周长之后就会和木星发现引力碰撞。改变地球运动的轨道方向,好了,地球接下来就要和木星碰面了。

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       引力弹弓效应本指航天器和行星交会时,借力获得加速或减速的效应,通过弹弓效应,许多航天器才得以执行下一步的飞行任务。例如,1973年12月4日,先驱者10(Pioneer10)飞船与木星交会,第一次获得了离开太阳系所需要的加速。接着,1974年,2月5日,水手10号(Mariner10)利用弹弓效应从金星飞往水星。虽然由于摄动的详细计算十分复杂,但基本原理确是动量守恒和能量守恒定律。

 

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        为了使计算简单化,假设木星和地球为理想的刚体,发生的是一维完全弹性碰撞。经过小编的复杂计算后发现,在碰撞之前地球在木星近日点的速度大约为8km/s,有同学问为什么是8km/s。比之前的小多了,原因是地球远离太阳之后,引力势能的增加。减少了动能的大小和木星,发生引力弹弓效应之后地球的速度变为,20.586km/s。而此时地球的在该点的逃逸速度为19.3935km/s。

        这里有一个惊人的发现,就是地球在经过和木星的引力弹弓效应之后,完全获得了逃逸太阳系所需要的动能。也就是说可以让地球在逃逸的过程中节省一半的能量,这就是为什么大多数逃逸太阳系的人造卫星都毫不例外的借力引力弹弓效应。因为可以节省大量的能量啊。对于人造卫星来说,由于卫星的质量小节省的能量有可能远远不止一半的能量。再让我们来看看木星,木星的质量是地球的318倍,木星碰撞之前的速度大约为14.34km/s,碰撞之后的速度大约为14.30km/s。可见对木星的影响微乎其微,只是借用了木星的一点引力势能罢了。

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        对于引力弹弓效应,小编还要说一两句。这需要天时地利的的条件,只有木星和地球处在轨道上的恰当位置,才会出现合适的窗口期。只有在窗口期内发射卫星,才有可能与木星碰面,要想真正的满足逃逸要求,还是比较苛刻的。

 

文章:潘北军

 编辑:贺怡

 图片:丁明屹