文档介绍:弹弓效应
引力弹弓:加速、减速和改变轨道倾角
引力弹弓是在无推力情况下,改变星际飞行器速度和轨道有效方法。引力弹弓属于经典三体问题,从理论上来说,在数学上只能用近似数值方法求解,而且很复杂。在这里,只是用最简单粗暴方法进行简化,用图解方法来定性说明引力弹弓原理。
经典引力弹弓情况图一所表示,天体A是老大,B是跟班,而C则是星际飞行器。所以从质量上说,A远大于B,而C质量很小,它对A、B影响能够完全忽略不计。这么一来,忽略C引力以后,这个三体问题就简化成限制性三体问题了。
图1:引力弹弓发生之前运动状态
在这个图中,因为B质量远小于A,那么B引力通常情况下也远小于A。所以,在B周围假想了一个引力界限。在这个界限外,简化为只有A引力起作用,而在这个界限之内,则是B引力独占。这么,经过这个有些过分简化,三体问题就变成了多个两体问题合并。
上图中,B是围绕着A运动,而C则是在A引力作用下运动。假如C不进入B引力界限,那么C不管是作圆周运动,或沿椭圆、抛物线,或双曲线运动,全部和B无关。
比方说,天体A是地球,天体B是月球话,绕地球人造卫星运动和月球关系就很小,不作正确计算话能够忽略。而绕月球运动卫星,比如现在嫦娥2号,其运动由月球引力决定,和地球关系也不需要过多关心。
不过,假如飞行器C在飞行过程中靠近了B,进入了引力界限,那么C速度和轨道就会发生很大改变,只要C不撞到B上,此时引力弹弓效应就肯定会发生。
为了方便,再来一次简化,就是假设C在B引力界限内运行时间很短,相对于B和C围绕A运动来说能够认为是瞬间完成。这个简化即使粗暴,但还不算离谱,比如说月球绕地周期是20多天,而嫦娥2号在月球周围减速那段其实就几十分钟,相对20多天来确实是很短。
为了讨论C在B引力界限内运动,先用图2讨论一下引力场中能量问题。
图2:引力场中圆锥曲线轨道
在引力场中,围绕中心天体运行轨迹总归是上图中4条圆锥曲线中某一条。因为引力是所谓保守力,在引力场中,动能+势能值是个守恒量。
通常在引力场中,全部是取无穷远处势能为0,也就是说,实际上势能总是个负数。对圆轨道来说,势能 = -2 x 动能,总能量<0。对椭圆来说,也有总能量<0。而对抛物线来说,总能量=0,而双曲线则有总能量>0。
对于上面简化中,B引力界限之外,就马马虎虎能够看成无穷远处来对待了,也就是势能=0。飞行器C在那里速度显然大于0,所以动能>0。那么当然飞行器C在进入B引力界限内,总能量>0。也就是说,C在B引力界限内,相对于B走肯定是双曲线轨道。除非C一头撞到了B上(比如苏联月球2号,就是第一个实现了直接撞月),不然,B是捕捉不到C,C能飞进来就一定会飞走。
对应这次嫦娥2号奔月过程,嫦娥2号就必需在靠近月球时候,开动卫星上发动机进行近月点减速,把速度降下来,从而把总能量变成<0,这么才能够进入环月轨道。而已经没有动力发射嫦娥2号长征火箭第三级,则是从月球周围擦肩而过,又飞走了。长征火箭第三级就经历了一次经典引力弹弓。
下面图3是经典引力弹弓减速情况。为了简化,C处于天体B围绕中心天体A轨道平面上,图中以天体B为参考系。