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干货丨《火星救援》中的引力弹弓是什么?

Cain 发表于 2016-1-1 20:38:57 [ 上一主题] [下一主题]

电影里的小黑哥,骇了超级计算机提出用引力弹弓借力地球,营救马特呆萌的方案。从《星际穿越》开始,引力弹弓就频繁出镜,再不认识它,你是不是有点说不过去?
  在电影《火星救援》中,NASA计算了马克•沃特尼的食物储备和他种土豆的供给情况,最初决定先发射一艘食物补给飞船过去,等下一次执行火星地面任务,再用阿瑞斯4号接沃特尼回来。万万没想到运载补给船的火箭刚升空就爆炸了,NASA员工们内心一定有一万头草泥马奔腾而过。不过这未尝不是一件好事,毕竟在地球这端出事,总好过补给飞船花了八个多月时间降落火星时再发生事故的好,不然沃特尼真的将成为“迄今为止唯一死在火星上的人”了。
  这个时候,NASA的黑人小哥灵机一动,想出一套拯救沃特尼的绝(he)妙(he)的方案。为了验证这个方案,小哥还用超级计算机演算了一遍。这一段还真是槽点满满的,且不说未经申请个人电脑就能接入超级计算机太扯淡,NASA小哥用的引力弹弓方法也只是一种飞行器加速常用的方法,而且还要用让5个本来正常执行任务的宇航员冒着极大的风险去拯救一个基本会要狗带的宇航员。真不知道该说这是美国的英雄主义特色,还是《火星救援》作者安迪•威尔是个白莲花呢。
引力弹弓到底是什么鬼?
  为了让观众弄懂引力弹弓的方案到底是怎么回事儿(因为NASA工作人员才不会这么小白啊),黑人小哥还用了一个形象的比喻来说明他的救援方案。
  引力弹弓并不神奇,我们可以把“赫尔墨斯”号飞船想象成一个乒乓球,当它飞向一面静止的球拍时,反弹速度是相同的(不考虑重力、空气阻力、非弹性碰撞,其实是速率,那些理工宅想要刁难小编的情况)。但如果这个球拍向着来球方向移动,那这个球与拍相撞后反弹速度就会变快。在这里,这面移动的球拍就是绕太阳公转的地球,飞船从地球公转中窃取了少量动能,从而获得了更快的速度。跟球拍在球运动轨迹外侧施力碰撞反弹不同的是,“赫尔墨斯”号的“反弹”是受到地球引力的牵引,所以是在绕过地球时,受到来自运动轨迹内侧的力。
  这样的应用十分常见,我们向地球以外的天体发射飞行器时,常会应用到其他行星或天体做引力弹弓,以此来节省燃料、时间和计划成本。比较经典的可能是美国的“卡西尼”号了,它于1997年10月15日从地球发射前往目的地——土星,但只带了很少的燃料,它在1998年4月26日利用了金星的弹射,在1999年7月24日利用了金星的第二次弹射,又于1999年8月18日利用了地球的弹射,后于2000年12月30日利用了木星的弹射,最终于2004年7月1日抵到达土星。
  “卡西尼”号从地球到土星的旅程
  像“卡西尼”号这样,利用引力弹弓算是非常温柔的,因为这些行星引力都太弱,无法提供强烈的偏转。而在电影《星际穿越》中,库珀使用引力弹弓的剧情就更极端了。他的目的是使“巡逻者”号飞船到达米勒星球,这就需要降速c/3,他采用的方案是利用一颗中子星进行引力弹弓减速。


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起落炎凉终如是  不若倚风笑斜阳

Cain 发表于 2016-1-1 20:39:49

沙发

还是用乒乓球的例子来说,如果要减速,就需要球拍跟球移动方向相同,这样乒乓球反弹后的速度就变慢了。“巡逻者”号飞船的航行轨迹的引力会拉拽中子星,降低飞船的速度,这个过程叫做“动力学摩擦”。

     

用引力弹弓方法加速(上)和减速(下)的示意图

  想要区分引力弹弓是加速还是减速,主要看飞行器经过天体时,是在天体运动方向的前方还是后方,如果是后方就是加速,前方则是减速。

  电影《星际穿越》的唯一科学指导基普•索恩通过计算发现,中子星的引力并不能满足减速要求,要达到这样的减速大概需要质量为卡冈都亚千分之一的黑洞,他还用自己的方程和Mathematica模拟出了它们的图像。下面这一系列图片,就是库珀将会在引力弹弓旅途中看到的景象。

  

  以卡冈都亚为背景,用中等黑洞质量作引力弹弓时会看到的场景

  如何巧用引力弹弓,把飞船加速至光速?

  事实上,引力弹弓还有更多妙用。在基普•索恩为同名电影写的《星际穿越》一书中提到,可以利用双黑洞系统制造一个飞船加速器,从而以极少的燃料将飞船加速至接近光速。

《星际穿越》图书封面。关于图书和基普-索恩更多信息,戳→这里

  这个双黑洞系统有不少限制条件,需要两个黑洞足够大,不会出现潮汐力毁掉飞船的情况,而且二者处在极其椭圆的轨道上,使得人们可以驾驶着化学或核燃料飞船接近双黑洞系统中的一个,开始所谓的变焦-旋转轨道。

  飞船应首先向黑洞(变焦)降落,绕黑洞旋转几圈,之后等待黑洞运行到几乎正对着它的“同伴”时,(变焦)飞离黑洞,与伴黑洞交汇,滑入伴黑洞的旋转轨道。如果这两个黑洞还是彼此相向而行的话,那么经过短暂的旋转后,飞船还可以(变焦)升轨回到第一个黑洞去。

  如果两个黑洞已经不再相向而行,那么飞船就要在旋转轨道上待久一些;你必须把自己驻留在第二个黑洞的轨道上,直到两个黑洞下一次碰头时,再回到第一个黑洞。用这种办法——总是等双黑洞彼此接近的时候去跃迁,你就能让飞船就能加速得越来越快。只要双黑洞的轨道足够椭圆,你想多接近光速就能多接近。

  这个方案的非凡之处是,你只需极少的火箭燃料去控制在每个黑洞边上该待的时间。关键在于,飞船应进入黑洞的临界轨道,以及在那里对回旋进行控制。一旦你达到了想要的接近光速的速度,就可以发动火箭离开临界轨道,飞向宇宙深处的目标星系。

  变焦-回旋轨道能把飞船的速度提升到接近光速

  发动火箭离开临界轨道,飞向遥远的星系

  这趟旅行路途遥远,差不多有100亿光年的距离。但当你移动的速度接近光速的时候,你的时间流逝比起地球将大为减缓。如果你足够接近光速,就能按照自己的设想在几年甚至更短的时间里到达目的地——按照你测量的时间。可能的话,你还可以在目的地附近找一个用来减速的高度椭圆轨道双黑洞系统。

  双黑洞系统内的减速弹弓效应

  这种类型的引力弹弓效应能够提供一种方法,以跨越星系际尺度的距离,然后把文明散播出去,主要的障碍(也许是难以逾越的)是如何找到或者制造所需要的双黑洞系统。如果你处于一种足够发达的文明之中,那么发射端的系统可能还不是问题,但减速系统就另当别论了。

  你也可以用同样的方法回家,但你的归来可能不会非常愉快。因为时间膨胀效应,地球已经过去了十几亿年,而你的年龄只长了几岁。想象一下,你会面对什么样的景象?


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【墨迹】 发表于 2016-1-1 23:57:11

板凳

黑洞加速器挺棒的

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兰州烧饼 发表于 2016-1-9 20:54:01

地板

我记得专业名称好像叫弹射飞行?
来自: 手机APP客户端

点评

Cain 回复于 2016-1-10 22:03

我只记得有个名字叫恒星加速器

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