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引力弹弓效应的局限

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解决时间 2021-02-17 08:16
引力弹弓效应的局限
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在实际操作中,使用引力助推法的主要局限是行星和其他大质量天体并不总是在助推的理想的位置上。例如70年代末旅行者号得以成行的重要原因是当时木星、土星、天王星和海王星都将运行至助推的理想地点,形成了一个队列。类似的队列将要到22世纪中期才会再次出现。这是一个极端的例子,但是即使是某些目标较小的计划,为了等待行星到达理想的位置,也必须空耗去数年时间。
该方法的另一局限是提供引力助推的行星的大气。由于引力与距离的平方成反比,所以当飞行器越接近行星时,其所获得的引力助推效果就越显著。但是如果飞行器太过于接近行星,从而过于深入行星大气,那么其损耗的能量将会大于其从行星引力助推中获得的能量。当然,从另一方面说,该效应也能够用来实现大气制动。也有人提出(至今还只是停留于理论阶段)当飞行器穿越大气层时可以利用大气层的气动升力为飞行器提供大气推进力。该方法能够将飞行器的轨道挠曲为一个较之引力助推更大的角度,因此也能够获取更多的动能。
使用太阳作为行星间引力助推的天体是不可能的,因为太阳相对于太阳系整体来说是相对静止的。但是,接近太阳时所获得的强大推进也和引力推进由相似的效果。该方法能够极大增加飞行器的动能,但是存在着飞行器是否能够抵御太阳高温的问题。
而对于星际间的旅行,使用太阳作为引力助推的星体是可行的,如原本属太阳系内的天体就可在飞掠太阳时获得推进从而开始它的银河系之旅,其能量和角动量来自于太阳环绕银河运转的轨道。但是这种星际间旅行所需的时间是超出人类可接受范围的。
该方法的另一个理论上的限制是广义相对论。如果飞行器接近黑洞的史瓦西半径,它就需要更多的能量才能从这个极度扭曲的空间中逃逸出来,所耗的能量将会多于从黑洞的引力助推中获得的能量。
不过,如果一个转动的黑洞的自转轴指向理想的方向,它就有可能提供额外的引力助推效果。广义相对论预言一个较大的转动天体的附近会出现参考系拖拽现象,即附近的空间被拖拽往天体自转的方向。理论上一颗普通的恒星也会出现这种现象,但是对太阳附近空间所作的观测至今未能得出确定的结果。广义相对论预言在转动的黑洞附近围绕着一层被称为能层的空间。在这个空间中物体的正常状态仍然无法存在,因为该空间正沿着黑洞自转方向以光速被拖拽着运动。但是彭罗斯机制或许可以为飞行器从能层中获取能量,虽然这个过程要求飞行器必须将一些“压仓物”抛入黑洞,这样飞行器也必须损失一部分由“压仓物”所携带的能量,这部分能量则被黑洞吸收。

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