物理異想航空航太學院，付涵，5114139003 飛向太空 從古自今，飛一直是人類的萝想，從“世界航太第一人”萬戶，到萊特兄弟發明的 世界上第一架飛機，一直到航太飛船的出現和空間站的建立，在進軍太空的過程中，人 類已經完成了一次又一次的飛躍。 但是，隨著研究的一步步加深，很多問題也日益凸顯。例如，在深空探测的發展過 程中，動力問題就是一個很大的困擾。現在的火箭，僅燃料所占總重量的比例就達到三 分之二，嚴重限制了航天器的飛行距離。多級火箭的設計，在飛行過程中抛棄部分品質， 是當今解決這個問題最普遍的方式，但這是遠遠不夠的。航天器想要飛到離開地球很遠 的地方去，所需燃料必然不能全部靠自身攜带，而是要從太空獲取。 那麼，太空中有哪些能源可以為我們所利用呢？目前來看，一是行星引力，二是太 陽能。而這兩種資源都可以為航太飛船提供動力。 引力跳板 眾所周知，行星具有引力場，繞行星運動的衛星和航天器就是靠這個引力提供向心 加速度而圍繞行星運動的。然而，對於懷抱著航太夢想的人類來說，這個引力的作用絕 不僅僅是為在軌飛行器提供向心加速度這麼简單，我們可以靈活而巧妙地使用行星引力， 讓它為人類飛向太空的萝想服務。實際上，只要選擇合適的飛行策略和飛行路線，就可 以對航天器進行變軌和加速等操作，以達到發射航天器或使其飛離太陽系的目的。 舉例來說，嫦娥一號的發射，並不是一直利用自身攜帶的燃料一刻不停的飛向月球， 而是通過在近日點或遠日點的加速，進行四次變軌，使得軌道一逐次抬高，最終使飛船 高度越過地月引力平衡點，進入月球引力場，直接利用月球引力使飛船繞月飛行。 20世紀60年代，阿波羅13號在飛向月球的過程中，由於服務艙爆炸，任務中斷。 當時飛船上的3名太空人就是利用月球引力變軌而最終安全返回地面的。美國在上世紀 90年代末發射的亞洲3號衛星也利用了相似的方法正確入軌飛行。 不僅如此，行星引力還可以幫助飛行器離開太陽系。以木星為例，首先從地球表面 發射航天器使其成為木星的一颗衛星。設木星繞太陽運行的速度為V,飛行器進入木星 引力場時相對於木星的速度為ⅴ。飛行器繞木星旋轉，直到它相對於木星的速度與木星 繞太陽運行的速度方向相同，此時，飛行器的絕對速度是V+ⅴ。在這時候發動機開啟， 離開木星引力場。這個過程中，飛行器就從木星獲得了動能V/2。由於V的數值很大， 這樣的加速對於航天器來說是非常可觀的。然而對於木星而言，由於它的品質非常大， 損失這一點動能對它的運行幾乎沒有影響。 113物理異想 航空航太學院，付涵，5114139003 1 / 3 飛向太空 從古自今，飛一直是人類的夢想，從“世界航太第一人”萬戶，到萊特兄弟發明的 世界上第一架飛機，一直到航太飛船的出現和空間站的建立，在進軍太空的過程中，人 類已經完成了一次又一次的飛躍。 但是，隨著研究的一步步加深，很多問題也日益凸顯。例如，在深空探測的發展過 程中，動力問題就是一個很大的困擾。現在的火箭，僅燃料所占總重量的比例就達到三 分之二，嚴重限制了航天器的飛行距離。多級火箭的設計，在飛行過程中拋棄部分品質， 是當今解決這個問題最普遍的方式，但這是遠遠不夠的。航天器想要飛到離開地球很遠 的地方去，所需燃料必然不能全部靠自身攜帶，而是要從太空獲取。 那麼，太空中有哪些能源可以為我們所利用呢？目前來看，一是行星引力，二是太 陽能。而這兩種資源都可以為航太飛船提供動力。 引力跳板 眾所周知，行星具有引力場，繞行星運動的衛星和航天器就是靠這個引力提供向心 加速度而圍繞行星運動的。然而，對於懷抱著航太夢想的人類來說，這個引力的作用絕 不僅僅是為在軌飛行器提供向心加速度這麼簡單，我們可以靈活而巧妙地使用行星引力， 讓它為人類飛向太空的夢想服務。實際上，只要選擇合適的飛行策略和飛行路線，就可 以對航天器進行變軌和加速等操作，以達到發射航天器或使其飛離太陽系的目的。 舉例來說，嫦娥一號的發射，並不是一直利用自身攜帶的燃料一刻不停的飛向月球， 而是通過在近日點或遠日點的加速，進行四次變軌，使得軌道一逐次抬高，最終使飛船 高度越過地月引力平衡點，進入月球引力場，直接利用月球引力使飛船繞月飛行。 20 世紀 60 年代，阿波羅 13 號在飛向月球的過程中，由於服務艙爆炸，任務中斷。 當時飛船上的 3 名太空人就是利用月球引力變軌而最終安全返回地面的。美國在上世紀 90 年代末發射的亞洲 3 號衛星也利用了相似的方法正確入軌飛行。 不僅如此，行星引力還可以幫助飛行器離開太陽系。以木星為例，首先從地球表面 發射航天器使其成為木星的一顆衛星。設木星繞太陽運行的速度為 V，飛行器進入木星 引力場時相對於木星的速度為 v。飛行器繞木星旋轉，直到它相對於木星的速度與木星 繞太陽運行的速度方向相同，此時，飛行器的絕對速度是 V+v。在這時候發動機開啟， 離開木星引力場。這個過程中，飛行器就從木星獲得了動能 mV 2/2。由於 V 的數值很大， 這樣的加速對於航天器來說是非常可觀的。然而對於木星而言，由於它的品質非常大， 損失這一點動能對它的運行幾乎沒有影響