高效的星际旅行:引力弹弓机动

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Kerbal Space Program
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我或许在说一些显而易见的事情,但可能有人不知道。 本指南仅涉及游戏的实用机制,不涉及数学知识。 引言 似乎重力是不可战胜的力量,只有火箭发动机的力量才能克服它。但物理学表明,完全可以不使用燃料或仅使用最少的燃料来克服重力井。 速度是相对的。当我们谈论速度时,需要明确所指的是哪种速度。 【Kerbin】相对于恒星【Kerbol】的速度为9285米/秒。即使你的飞船尚未起飞,它也已经具备一定的速度。 在起飞时,航天器(以下简称【航天器】)的速度会叠加行星的自转速度,而在脱离引力范围时则会叠加轨道速度。例如,如果你朝着太阳的方向飞行,或者从太阳的方向飞离坎巴拉的作用范围,你将无法到达太阳。你会减小近地点,但同时会增大远地点。这是因为你已经以9285米/秒的速度移动,再加上或减去你飞离作用范围时的速度,具体取决于你是沿着还是逆着坎巴拉的轨道方向移动。实际上,它是如何运作的呢? 引力弹弓,也叫引力助推,也较少被称为扰动弹弓。

我们有航天器、天体以及该天体的卫星。航天器以速度N相对于天体运动。航天器进入卫星的引力井。航天器径直飞向卫星,但卫星沿轨道离去,从而增加了航天器的速度,当航天器离开卫星的引力井时,其相对于母体天体的速度将为N+V,即更大的速度。相反,如果不是将校正引擎(КА)置于卫星轨道运动的后方,而是置于运动前方,那么速度反而会降低。

实现与实现问题。 以《坎巴拉太空计划》为例。 我们将航天器送入围绕坎星的轨道。让它与月球( Mün )接近。为了从低轨道发射到月球,根据低轨道的曲率和操作手法,大约需要700-900米/秒的Δv。尽可能将轨道靠近月球表面。然后却进入了太阳轨道的困境,仅仅将轨道提升到月球轨道。

这有什么用。 如果实施得当,轨道将更接近计划抵达的行星轨道。 问题。 我们完成了这项操作,但发现我们的太阳轨道相当弯曲,无论有没有它,我们进行星际旅行时消耗的燃料都是一样的。 从上面的动画可以看出,引力弹弓不可避免地会使航天器的轨道发生弯曲。而我们只需要在特定方向上推进。如何避免这种情况。

进入低轨道。在轨道上设置机动节点。通过屏幕左下角的滑块(6个矢量按钮和2个机动点调整按钮)调整轨道,使最终轨道严格沿着【Kerbin】的轨道运行方向(如果前往外行星【Duna】、【Dres】、【Jool】、【Eeloo】),或与运行方向相反(如果前往内行星【Moho】、【Eve】以及【Kerbol】(恒星))。如果轨道上没有任何窗口,可以通过点击标记修改区域的+号,为后续的轨道圈设置标记。 此外,如果轨迹在离开引力井时中断,可以再设置一个零增量的标记,以此延长轨迹。或者在设置中增加“轨迹预测极限”。 为避免在轨道上等待数年,请使用发射窗口。即仅能在相对于克卜勒星的特定位置飞往该星球。

更复杂的机动 此外,为了抵达更远的行星,建议使用与行星相关的机动。 以下是现实生活中的例子: 旅行者1号和2号

从图片中可以看出,使用【引力弹弓】可以显著提高速度。 朱诺

飞行器从地球起飞,并利用地球进行了引力弹弓 maneuver。需要明白的是,与现实不同,在【坎巴拉太空计划】中,引力作用范围并非无限,而是被限制在一个有限的球体范围内。并且并非所有轨道构型都能在游戏中实现。在游戏中,这大致看起来是这样的。

要实现多次轨道绕行,可能需要在轨道规划器上花费不少时间。 总结:引力弹弓是星际旅行中最经济的方式。但由于并非总能遇到能让飞船在同一轨道周期内抵达目标的发射窗口,因此需要接受时间上的损失。不过理论上,几乎可以不消耗燃料就能到达几乎所有天体。更详细的信息请查阅维基百科或专业文献。所有图片均来自公开来源。我已经尽力了,有批评意见请在下方提出。