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引力彈弓 真的很“給力”

  • 發(fā)布時(shí)間:2015-12-03 03:32:04  來源:科技日?qǐng)?bào)  作者:佚名  責(zé)任編輯:羅伯特

  天體物理學(xué)家里奇·珀內(nèi)爾(Rich Purnell),在沒日沒夜演算后的巨大疲憊之中,看到了超級(jí)計(jì)算機(jī)給出的驗(yàn)證結(jié)果——“正確”。

  他一躍而起,蓬頭垢面,趕往美國國家航天局,在那里有一票人正在為營救滯留火星的宇航員馬克而焦頭爛額,珀內(nèi)爾報(bào)告了他的設(shè)想——讓本應(yīng)從火星返回地球的赫爾墨斯號(hào)飛船掠過地球,借助引力彈弓效應(yīng),重回火星,營救馬克。

  這是目前正在國內(nèi)熱映的科幻片《火星救援》中的情節(jié)。珀內(nèi)爾把赫爾墨斯號(hào)“打發(fā)”回火星,這一劍走偏鋒的救援方案,可謂救回馬克的關(guān)鍵一環(huán)。

  盡管赫爾墨斯號(hào)變軌后的運(yùn)動(dòng)軌跡圖看起來確實(shí)“像那么回事兒”,但和一些航天史上經(jīng)典的探測器變軌案例比起來,還是“弱爆了”?!痘鹦蔷仍分械倪@個(gè)橋段,有點(diǎn)兒“小兒科”。

  引力變軌,拼的就是性價(jià)比

  引力可以對(duì)航天器起到加速、減速和改變方向等多種作用,而且是免費(fèi)的

  航天專家、《國際太空》雜志執(zhí)行主編龐之浩告訴科技日?qǐng)?bào)記者,在太陽系行星際探測中,已廣泛采用了引力彈弓,或者說引力跳板的原理和方法。

  引力能從兩個(gè)方面使探測器飛行軌道發(fā)生變化:一是根據(jù)探測天體的質(zhì)量、探測器的飛越高度和相對(duì)速度,使其軌道發(fā)生一定程度的偏轉(zhuǎn);二是根據(jù)探測器的飛入角大小改變其速度?!耙虼?,為了準(zhǔn)確地利用引力飛行,應(yīng)當(dāng)事先確定探測器的飛入高度和飛入角度,并隨時(shí)注意其速度的微小變化。” 龐之浩說。

  所謂引力彈弓效應(yīng),在中國空間技術(shù)研究院502所高級(jí)主任研究師黃翔宇看來,其實(shí)有個(gè)更樸實(shí)的名字——“引力輔助變軌”。

  “引力可以對(duì)航天器起到加速、減速和改變方向等多種作用?!秉S翔宇在接受科技日?qǐng)?bào)采訪時(shí)表示,引力輔助,就是利用航天器近飛二級(jí)天體時(shí)受到的引力作用,改變航天器環(huán)繞中心天體的軌道能量和飛行方向。在《火星救援》中,當(dāng)赫爾墨斯號(hào)飛掠地球時(shí),如果距離足夠近,它就受到地球引力(此時(shí)相對(duì)于太陽,地球就是二級(jí)天體)影響,進(jìn)入一個(gè)雙曲線型近飛軌道;如果飛入角度控制得當(dāng),離開這一軌道時(shí),由于地球引力的“給力”,赫爾墨斯號(hào)在日心參照系下的速度值就能增大。

  簡單來說,這就相當(dāng)于被地球引力推了一把;而且這個(gè)推手,可是免費(fèi)的!于是,赫爾墨斯號(hào)能在不耗費(fèi)燃料的情況下實(shí)現(xiàn)變軌,往更深更遠(yuǎn)的地方飛去。

  用更少的燃料,走更有意思的路

  燃料這東西,飛出去了就很難補(bǔ)給,最好能省著用;如果有擴(kuò)展任務(wù),燃料在手,心中不慌

  不過,為啥要這么“摳門”使用引力助推呢?就不能以不差錢的豪爽,瀟灑地直奔目的地嗎?

  其實(shí)也可以。比如2003年6月10日,美國發(fā)射“勇氣號(hào)”火星探測器,成功逃逸地球后進(jìn)入日心轉(zhuǎn)移軌道,并于2004年1月3日到達(dá)火星。這種“直接轉(zhuǎn)移”法耗費(fèi)時(shí)間短,操作也簡單。

  不過,迂回的“借力轉(zhuǎn)移”法也有其特殊優(yōu)點(diǎn)。借力飛行軌道能夠降低發(fā)射能量。畢竟,航天器攜帶的燃料越多,對(duì)發(fā)射火箭的要求就越高,成本也隨之上揚(yáng);而且,燃料這東西,航天器飛出去了就很難補(bǔ)給,前路漫漫,最好能省著點(diǎn)用;再說了,如果有什么擴(kuò)展任務(wù),燃料在手,心中不慌啊。

  除了節(jié)省燃料,龐之浩告訴科技日?qǐng)?bào)記者,在某些情況下,引力助推還能縮短星際航行時(shí)間。他舉例說,如果探測器選擇最經(jīng)濟(jì)的雙切橢圓軌道飛行,從地球飛向土星需要6年,飛向天王星需要16年,飛抵海王星需要31年,而假如借助木星作為引力跳板,飛抵土星只需3到4年,飛到天王星只需8到9年,飛近海王星也只需12年。

  還有的探測器借助“引力”進(jìn)入到了非常特殊的軌道。美國發(fā)射的旅行者1號(hào)和2號(hào)探測器,就“頗有心機(jī)”地利用1982年“九星聯(lián)珠”的機(jī)會(huì),先后借助木星、土星、天王星的引力作“跳板”,從木星跳到土星,又從土星跳到天王星,繼而又跳到海王星,成為探測太陽系行星最多、探測成果最豐富的行星際探測器。1990年10月6日由發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)攜帶升空發(fā)射的尤利西斯號(hào)太陽探測器,在飛近木星之后,借助木星的引力作用,偏轉(zhuǎn)90°而跳入垂直于黃道面的太陽極區(qū),對(duì)從未接觸過的太陽的兩極地區(qū)進(jìn)行了探測,取得了許多新成果。

  軌道計(jì)算,這的確是個(gè)技術(shù)活兒

  首先要把軌道路線利用計(jì)算機(jī)全部模擬出來,并反復(fù)調(diào)整模型參數(shù),才能得到最靠譜的路線圖

  那么,軌道設(shè)計(jì)師們究竟是怎么算出深空探測器的飛行路線圖的?

  “這個(gè)問題很復(fù)雜?!秉S翔宇說,很多理論在深空探測路線規(guī)劃中沒那么奏效,因?yàn)楹教炱鬈壍罆?huì)受到多個(gè)天體引力的影響。所以,不能單從理論出發(fā)去推演。

  “要借助引力變軌的話,就要計(jì)算出合適的變軌時(shí)間和位置,以保證航天器變軌后能到達(dá)目標(biāo)軌道,最好能使整個(gè)變軌過程耗費(fèi)燃料最少?!秉S翔宇說,深空探測器的航程漫長,以電影中的赫爾墨斯號(hào)為例,它從火星返回地球,再從地球前往火星,還要從火星回來……在影片里,這段“豪華加長版太空游”要耗費(fèi)533天的時(shí)間。中間要考慮的變量也多了去了——太陽、地球和火星的引力及它們之間的相互作用,太陽光光壓攝動(dòng),借力飛行的時(shí)間范圍,借力飛行的軌道參數(shù)……

  軌道計(jì)算確實(shí)是個(gè)技術(shù)活兒。軌道設(shè)計(jì)師的做法,一般都是建立一個(gè)軌道動(dòng)力學(xué)模型,根據(jù)航天器現(xiàn)在的狀態(tài)一步步往前進(jìn)行推算,并借助計(jì)算機(jī)對(duì)軌道參數(shù)進(jìn)行反復(fù)迭代和優(yōu)化。比如說,對(duì)赫爾墨斯號(hào),電腦得先盡職盡責(zé)地把它這500多天的路線全部模擬出來;軌道設(shè)計(jì)師再根據(jù)模擬結(jié)果去進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,直到替航天器找到最靠譜的路線圖。

  軌道控制,有時(shí)“大動(dòng)”有時(shí)“微調(diào)”

  在某些特殊階段,要怎么飛,航天器依靠自主導(dǎo)航和控制可以“自己說了算”

  路線圖找到了,還得對(duì)航天器進(jìn)行軌道控制。黃翔宇表示,近年來深空探測自主導(dǎo)航和控制已成為地面測控的一種有效補(bǔ)充手段。在某些特殊的飛行階段,比如接近、著陸等需要實(shí)時(shí)精確獲取和控制航天器相對(duì)目標(biāo)天體的位置、速度等信息的任務(wù)階段,自主導(dǎo)航與控制比地面測控性能表現(xiàn)更佳。

  不過,目前尚無法完全讓航天器處于“無人看管”狀態(tài),龐之浩指出,探測器在星際航行中,地面必須對(duì)其進(jìn)行跟蹤、監(jiān)測和調(diào)整;而且,只要確切知道探測器在任何時(shí)刻的位置和速度,地面就可以對(duì)它的軌道進(jìn)行必要調(diào)整,從而使它最終飛向目標(biāo)。

  這些調(diào)整一般都要借助探測器上的發(fā)動(dòng)機(jī)完成,有時(shí)要“大動(dòng)”,有時(shí)要“微調(diào)”。比如,在“嫦娥二號(hào)”變軌中,月球探測衛(wèi)星大部分軌道控制利用490N大推力發(fā)動(dòng)機(jī)完成,少量中途軌道修正以及環(huán)月運(yùn)行軌道維持控制采用10N小推力發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行。

  一個(gè)逆天的航天器軌道

  請(qǐng)不要覺得赫爾墨斯號(hào)的軌道復(fù)雜。要知道,美國國家航天局首席科學(xué)家羅伯特·法夸爾(Robert Farquhar)在大約30年前,就為衛(wèi)星ISEE-3設(shè)計(jì)出了一幅非常炫酷的軌道圖。

  這是第一顆在一個(gè)軌道穩(wěn)定點(diǎn)——日地之間第一拉格朗日點(diǎn)L1研究吹向地球的持續(xù)太陽風(fēng)的衛(wèi)星,發(fā)射于1978年。1982年,完成最初任務(wù)后,它開始了一系列月球飛越活動(dòng),然后奔著當(dāng)時(shí)大熱的“哈雷彗星”去了。

  我們來感受一下這顆衛(wèi)星的變軌過程。

  根據(jù)當(dāng)時(shí)媒體的報(bào)道,ISEE-3先朝返回地球方向飛行,之后與月球軌道相交,并且朝地外飛去,遠(yuǎn)離地球橫穿地尾,這是一個(gè)具有獨(dú)特的粒子和場特性的空域。然后,在地球重力將其拉回來之前,ISEE-3還會(huì)繼續(xù)往前飛奔一百萬英里,并再次飛到地尾下面,之后開始逃脫地球引力。在穿越地尾期間,它達(dá)成“在空域收集科學(xué)數(shù)據(jù)”成就。

  當(dāng)衛(wèi)星幾乎處于地尾下邊最遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí),地面控制人員將遙控衛(wèi)星上的推進(jìn)系統(tǒng)點(diǎn)火,為其提供改變軌道的速度,衛(wèi)星飛掠月球;最后一次近距離飛越月球時(shí),它能獲得攔截彗星所需要的重力加速度,從而進(jìn)入太陽軌道,與一顆叫“賈可比尼·津納”的彗星相遇,成為第一個(gè)與彗星相會(huì)并采集數(shù)據(jù)的探測器;一年后,它又成功遇上了哈雷彗星。

  其實(shí)在法夸爾設(shè)計(jì)的軌道里,這顆探測器踏上的,并非是永不回頭的旅程。它能于2014再度回來,它也確實(shí)如約而至,近距離掠過地球。只可惜,盡管研究團(tuán)隊(duì)重新與其建立了聯(lián)系,但I(xiàn)SEE-3退役已久,其推進(jìn)器出現(xiàn)問題,引擎無法成功啟動(dòng)。后來,它還是沿著孤獨(dú)的日心軌道與地球漸行漸遠(yuǎn)。

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