答案是……

太空船如何利用「彈弓效應」改變軌道?

位於美國加州帕沙第納的噴射推進實驗室,卡西尼導航小組主任瓊斯(Jeremy B. Jones)解釋如下:


翻譯/邱淑慧

答案是……

太空船如何利用「彈弓效應」改變軌道?

位於美國加州帕沙第納的噴射推進實驗室,卡西尼導航小組主任瓊斯(Jeremy B. Jones)解釋如下:


翻譯/邱淑慧

太空船利用重力的原理來改變軌道,就和太陽系中的衛星與其他小型天體軌道改變的原因類似。例如來自太陽系外圍區域的彗星,便常常被大型天體(通常是木星)的重力給拋入內太陽系。

如果沒有其他影響因素,衛星或太空船都是在軌道能量與角動量守恆的原則下,以橢圓型軌道繞著一個較大的天體(稱為主天體)運行。不過,當太空船靠近繞著同一個主天體運行的衛星時,這兩個小型物體之間會交換軌道能量與角動量。因為軌道能量與角動量的總和仍然維持恆定,所以,如果太空船獲得了軌道能量,那麼衛星的軌道能量便會減少。又因為軌道週期(環繞一圈所需的時間)與軌道能量成正比,因此當太空船的軌道週期變長了(彈弓效應),衛星的軌道週期就會縮短。

因為太空船的質量比衛星要小得多,所以這樣的效應對太空船的影響遠大於對衛星的影響。舉例來說,航向土星的卡西尼號太空船,質量約3000公斤,可是這個帶環的行星的最大衛星——土衛六,可是將近1023公斤。因此彈弓效應對於卡西尼號的影響,約比對土衛六的影響還高出20個數量級。

當太空船由後方越過衛星(各自在不同的軌道上)時,會使其相對於主天體的速度(與軌道能量)增加,就像是用彈弓把它拋向一個更大的軌道一般。我們也可以使太空船在衛星軌道的前方運行,以減低其速度(與軌道能量)。或甚至在衛星的上方或下方運行,可以改變太空船的行進方向,也就是只改變軌道的軸向(與角動量大小)。如果運行軌道的軸向是介於這兩種之間,則會同時改變能量與角動量。當然,這些調整機制會對衛星造成相反的能量與角動量變化。不過因為衛星的質量很大,與影響其軌道的其他作用力相較之下,這樣的效應所造成的變化便顯得微不足道了。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2006年第47期1月號】