如果太阳系是平面,为什么不朝上下两面飞出去

by admin on 2019年9月16日

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危楼高百尺,手可摘星辰

垂直于黄道平面发射探测器,所需的最低发射速度为52.9km/s,远远高于第三宇宙速度,需要的能量是非常巨大的。

太阳系呈圆盘状,为什么不朝上下两面飞出去?科学家这回“怂”了35年飞行178亿公里

我们知道,第三宇宙速度16.7千米/秒,是地球上逃离太阳系的最低速度。

这是2013年九月份美国宇航局公布的一个数字,表示旅行者1号截止到2012年已经飞行了35年,里程178亿公里离开了人类所处的太阳系,真正到达星际空间。旅行者1号于1977年9月5日和8月20日发射深空,在当时耗资3.5亿美元,采用钚电池可持续运转到2025年。探测器上的11种仪器在35年时间里传回了5亿个数据,顺路为人类研究了一下木星系统。

但是很多人对第三宇宙速度的理解并不正确,比如地球的公转速度是29.8千米/s,那么,我的问题来了:

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地球公转速度高于第三宇宙速度,为什么地球没有逃离太阳系引力?

旅行者1号和2号朝两个相反的方向飞出太阳系,上面都携带有“地球之音”的“唱片”。这张唱片的信息可以在宇宙中保存10亿年之久,未来不知道进化成什么的人类后代可能捕获到这张唱片来了解自己的祖先。

如果把这个问题弄明白,就解释了不垂直于黄道平面发射探测器的原因!

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为什么不从太阳系上下两面飞出太阳系?

首先,黄道指的是地球围绕太阳的公转平面。

旅行者号探索任务的难点不是技术或是资金,而是漫长的等待。太阳系的半径为100000
AU(AU表示的天文单位:地球和太阳的平均距离),旅行者1号足足用了35年时间,辗转数趟才飞出太阳系,很多那时候参与研发的科学家并没有活着见到人类飞行器飞出太阳系。有人就发出了一个疑问:太阳系呈现出一个扁平状,8大行星基本都在一个平面(地球公转轨道的平面也称为黄道面)上,为什么飞行器不从上或者下飞出太阳系,这样不是更快?

第三宇宙速度,并不是指地球轨道处的太阳引力逃逸速度,而是指地球上发射的物体,要逃离太阳引力相对于地球的最低速度。

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根据万有引力势能公式,我们很容易计算出,地球轨道处逃离太阳引力的速度为v=√=42.2km/s。

首先从太阳系上下两端飞出太阳系的结果和从黄道平面飞出并没有什么不一样,都是飞出太阳系,但是这个过程所耗费的燃料却是天差地别。

地球公转速度是v0=29.8km/s,也就解释了地球无法逃离太阳引力的原因。

永利皇宫官网,第一宇宙速度 v1=7.9 km/s;第二宇宙速度=11.2km/s

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目前人类发射火箭都是在低纬度地区发射,这时候能最大化的借助地球自转的惯性,只要速度能达到第一宇宙速度就能绕着地球表面作圆周运动。想要飞出太阳系,首先要逃离地球的引力作用,这个速度叫做第二宇宙速度,为11.2km/s。达到这个速度后飞行器就能飞出地球,但还是要沿着太阳系公转。

我们在地球上发射探测器,完全可以借助地球的公转速度,然后在29.8km/s的基础上,再增加v1=12.4km/s,就可以达到42.2km/s的逃逸速度,这将省去很大一笔能量。

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但是,在地球上的物体,还需要额外克服地球的引力,逃离地球的速度为v2=11.2km/s。

第三宇宙速度=16.7km/s

所以:在地球上,逃离太阳引力的最小发射速度:v=√(v1^2+v2^2)=√(12.4^2+11.2^2)=16.7km/s。

理论上在地球轨道上的物体想要凭借自己的动力飞离太阳系的话需要42.1千米/秒的初速度,但是人类飞行器都是在地球上发射的,已经具备了地球公转的初始速度,所以人造飞行器飞离太阳速度,也就是第三宇宙速度只有约为16.7km/s。想要借助地球公转的惯性,飞船点火动力的作用方向就需要和地球公转的方向一致,然后这个探测器一路还需要结束其他行星的引力弹弓效应来借力飞出太阳系,这样会进一步节省燃料,这里面助力最大的自然是木星,所以为了节省燃料,人造飞行器想要飞出太阳系都是沿着这个平面飞出去的。如果是沿着太阳系上下两端飞出太阳系呢?

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如果单纯地想垂直于黄道平面飞出太阳系,就失去了地球公转的助力,就连地球自转的力也用不上多少,想要在近地轨道让一个飞行器达到42.1千米/秒,需要携带惊人的燃料,这样的飞船会让科学家“怂”掉,根本没办法完成,目前的火箭技术并没有办法满足这样的需求,而且没有行星的引力弹弓作用,旅行者1号靠几块钚电池根本不能飞出太阳系,所以所力学物理学家都是“省油的灯”。所以人类的火箭技术还没有疯狂到能垂直黄道面起飞飞离太阳系。

这就是第三宇宙速度的算法。

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理解了这点,再来回答原问题。

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第三宇宙速度,是我们借助了地球公转速度后的最小发射速度,但是我们需要向着地球公转方向发射才行。

为什么太阳系八大行星基本在一个平面上

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为什么在三维空间内,太阳系并没有随意填充而是井然有序的扁平化?导致人们对宇宙形成了上下之分的概念,而且外来的彗星轨道与这个平面呈交叉状态。

如果我们采用垂直于黄道平面发射探测器,此时对太阳的逃逸速度还是42.2km/s,但是与地球公转方向垂直了。

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要想完全垂直于黄道平面发射探测器,我们需要克服部分地球的公转速度,还要克服地球的第二宇宙速度。

太阳系的原始状态是一个星云盘,这个星团的中心逐渐收缩,质心逐渐出现,此时在富集有尘埃带的地方也会出现整合,行星出现,而这个行星会继承原来尘埃的角动量,继续围绕质心公转,这就是角动量守恒。所以能推测出目前的八大行星原本就属于太阳系的物质,只是由尘埃汇集成了行星,本身就是星云盘,所以新诞生的太阳系也是扁平的。

那么发射速度为v=√(v^2+v0^2+v2^2+)=√(42.2^2+29.8^2+11.2^2)=52.9km/s。

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也就是说:地球上发射探测器,要想垂直于黄道平面达到太阳的逃逸速度,探测器最小发射速度高达52.9km/s,这远远高于第三宇宙速度,而且人类目前的航天技术,也达不到这么高的发射速度呢!

至于冥王星的公转轨道像一个彗星轨道,和黄道平面交叉,对于冥王星的形成目前的推测有被太阳捕获,或是受到撞击导致轨道偏离,反正暂时被开除出了太阳系行星行列。

另外,在黄道平面的探测器,还可以利用火星木星等大天体的弹弓效应,进一步节约燃料,但是垂直于黄道面发射对我探测器,就没有这样的条件。

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所以,垂直于黄道平面发射探测器,不但不能节约燃料,反而需要消耗更多的能量,是平行于黄道平面发射探测器的(52.9/16.7)^2=10倍。

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