專家答疑

加入我們的科學愛好者社群!

彈弓效應如何改變航天器的軌道?

加利福尼亞州帕薩迪納市噴氣推進實驗室的卡西尼導航團隊主管傑里米·B·瓊斯解釋說

利用引力輔助的航天器使用的原理與太陽系中衛星和小天體之間定期發生的軌道變化的原理相同。例如,來自外圍區域的彗星經常被主要行星(通常是木星)拋入太陽系內部。


關於支援科學新聞

如果您喜歡這篇文章,請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱,您將有助於確保有關當今塑造我們世界的發現和思想的具有影響力的故事的未來。


在沒有任何其他影響的情況下,衛星或航天器會繞著一個更大的天體(稱為主天體)描繪出橢圓形的路徑,具有恆定的軌道能量和角動量。但是,當航天器靠近也繞同一主天體執行的衛星時,這兩個較小的物體會交換軌道能量和角動量。由於總軌道能量保持不變,如果航天器獲得軌道能量,則衛星的軌道能量會減少。軌道週期(完成一次公轉所需的時間)與軌道能量成正比。因此,隨著航天器的軌道週期延長(彈弓效應),衛星的軌道週期會縮短。

由於航天器比衛星小得多得多,因此它對其軌道的影響遠大於對衛星軌道的影響。例如,前往土星的卡西尼號航天器重約 3,000 公斤,而土衛六(這顆環狀行星最大的衛星)重約 1023 公斤。因此,彈弓機動對卡西尼號的影響大約比對土衛六的影響大 20 個數量級。

從衛星“後方”經過的航天器相對於主天體獲得速度(和軌道能量)的增加,這給人一種彈弓將其拋入更大軌道的感覺。我們也可以讓航天器從衛星的“前方”飛過,以降低其速度(和軌道能量)。此外,在衛星的“上方”或“下方”飛行可以改變航天器速度的方向,僅修改其軌道方向(和角動量大小)。中間飛越方向會同時改變能量和角動量。當然,所有這些調整都會導致衛星的能量和角動量發生相反的變化,但其較大的質量導致的變化非常小,以至於在影響衛星軌道的所有其他力中都無法檢測到。

風是從哪裡來的?

德克薩斯理工大學大氣科學助理教授克里斯·韋斯提供了以下答案

簡而言之,風是空氣分子的運動。理解風的成因,有兩個概念至關重要:空氣和氣壓。

空氣包含氮分子(約佔體積的 78%)、氧分子(約佔 21%)、水蒸氣和其他微量元素。所有這些空氣分子都非常快速地移動,很容易相互碰撞,也與地面上的任何物體碰撞。

氣壓定義為這些分子施加在給定區域上的力的大小。一般來說,空氣分子越多,氣壓越大。反過來,風是由所謂的壓力梯度力驅動的。

氣壓的變化,例如暴風雨系統的動力學和不均勻的太陽加熱所引起的變化,在一個給定的水平區域內,迫使空氣分子從相對高氣壓的區域衝向低壓區域。

天氣圖上顯示的高壓區和低壓區在很大程度上驅動著我們通常感受到的和風。這種風背後的壓力差僅佔大氣總壓力的 1% 左右,這些變化發生在多個州的範圍內。相比之下,強風暴中的風是由更大、更集中的壓力變化區域產生的。

如需這些以及來自不同領域科學家的其他答案的完整文字,請訪問www.sciam.com/askexpert

大眾科學雜誌 第 293 卷 第 5 期這篇文章最初以“專家答疑”為標題發表在大眾科學雜誌 第 293 卷 第 5 期 (), p. 116
doi:10.1038/scientificamerican1105-116
© .