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太陽系扁平,科學家為什麼不垂直髮射航天器,更快飛出太陽系?

大家應該都看過太陽系全家福的照片,太陽系周圍的天體分佈是扁平的,不管是八大行星還是小行星等天體,它們繞太陽的公轉軌道基本上都處於同一個平面內。

我們通常以地球繞太陽的公轉軌道平面為標準,稱之為黃道面,太陽的赤道面基本上也處於這一平面內。之所以如此,這與太陽系的起源有關。

不僅太陽系,由包括太陽在內,大約上千億顆恆星所構成的銀河系,它也是扁平的。不過銀河系更像飛碟,因為它的中心區域比較厚,邊緣地帶則比較薄。太陽繞銀河系中心公轉的軌道平面稱之為銀道面,而黃道面和銀道面的夾角為60度。

有人很疑惑,既然太陽系是扁平的,那我們為什麼不垂直於黃道面發射探測器呢?這樣不是可以更快地飛出太陽系嗎?

有這種疑惑的吃瓜群眾,肯定是沒有考慮引力的問題。

太陽系確實是扁平的,但太陽的引力卻不是。八大行星之所以繞著太陽轉,就是因為太陽的質量巨大,擁有超強的引力。

探測器要想飛出太陽系,進入星際空間,就必須克服太陽的引力。如果把太陽看成一個質點,那麼太陽的引力就是以這個質點為中心作用於四面八方,也就是說太陽的引力作用範圍是球形的。

雖然太陽系看起來是扁平的,但太陽系的範圍還是以太陽為中心,按球半徑來計算的。若以太陽引力的作用效果來計算,太陽系的半徑大約為一光年左右。

引力的大小與距離的平方成反比,探測器離太陽越遠,太陽引力對探測器的作用也就越弱。

從地球上發射探測器,自然要以地球為起點,計算探測器擺脫太陽引力所需要的最小速度。這一速度被稱之為第三宇宙速度,又稱作逃逸速度,數值大小為16。7千米每秒。

需要注意的是,如果沒有地球的運動做助力,直接從地球公轉軌道起飛,所需要的最小速度則是42。2千米每秒。

因此,不管你是垂直於黃道面,還是從其它角度發射,都沒有捷徑可走,都需要克服太陽的引力。

況且,人類發射探測器的主要目的是為了探測太陽系中的其它天體。如果垂直於黃道面,向上或者向下發射,一路上空空蕩蕩的又有什麼意義?

雖然原子能已經被用來發電,但是仍然沒有辦法用於航天領域,所以直到現在,人類發射探測器時使用的動力仍然是化學能。太空是真空,幾乎沒有阻力,但要想使探測器的速度足夠快,就必須攜帶更多的燃料。可燃料帶多了又會增加發射時的重量,以及耗費更多的經費。

地球的赤道面和黃道面的夾角僅為23。5度,沿著黃道面發射更省燃料一些,可以充分利用地球的自轉和公轉。此外,一路上還可以利用行星來加速。這樣就能以最小的成本使探測器達到更快的速度。

藉助其它行星的運動為探測器提供助力,更專業點來說就是藉助了引力彈弓效應進行加速。當探測器從其它行星附近掠過時,會被該行星的引力拉著跑,只要角度合適,探測器的運動速度就能被加速。美國發射於上世紀70年代的的旅行者號探測器就是利用了這種方法,從而順利造訪了太陽系的外側行星。