专家答疑

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弹弓效应如何改变航天器的轨道?

加利福尼亚州帕萨迪纳市喷气推进实验室的卡西尼导航团队主管杰里米·B·琼斯解释说

利用引力辅助的航天器使用的原理与太阳系中卫星和小天体之间定期发生的轨道变化的原理相同。例如,来自外围区域的彗星经常被主要行星(通常是木星)抛入太阳系内部。


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在没有任何其他影响的情况下,卫星或航天器会绕着一个更大的天体(称为主天体)描绘出椭圆形的路径,具有恒定的轨道能量和角动量。但是,当航天器靠近也绕同一主天体运行的卫星时,这两个较小的物体会交换轨道能量和角动量。由于总轨道能量保持不变,如果航天器获得轨道能量,则卫星的轨道能量会减少。轨道周期(完成一次公转所需的时间)与轨道能量成正比。因此,随着航天器的轨道周期延长(弹弓效应),卫星的轨道周期会缩短。

由于航天器比卫星小得多得多,因此它对其轨道的影响远大于对卫星轨道的影响。例如,前往土星的卡西尼号航天器重约 3,000 公斤,而土卫六(这颗环状行星最大的卫星)重约 1023 公斤。因此,弹弓机动对卡西尼号的影响大约比对土卫六的影响大 20 个数量级。

从卫星“后方”经过的航天器相对于主天体获得速度(和轨道能量)的增加,这给人一种弹弓将其抛入更大轨道的感觉。我们也可以让航天器从卫星的“前方”飞过,以降低其速度(和轨道能量)。此外,在卫星的“上方”或“下方”飞行可以改变航天器速度的方向,仅修改其轨道方向(和角动量大小)。中间飞越方向会同时改变能量和角动量。当然,所有这些调整都会导致卫星的能量和角动量发生相反的变化,但其较大的质量导致的变化非常小,以至于在影响卫星轨道的所有其他力中都无法检测到。

风是从哪里来的?

德克萨斯理工大学大气科学助理教授克里斯·韦斯提供了以下答案

简而言之,风是空气分子的运动。理解风的成因,有两个概念至关重要:空气和气压。

空气包含氮分子(约占体积的 78%)、氧分子(约占 21%)、水蒸气和其他微量元素。所有这些空气分子都非常快速地移动,很容易相互碰撞,也与地面上的任何物体碰撞。

气压定义为这些分子施加在给定区域上的力的大小。一般来说,空气分子越多,气压越大。反过来,风是由所谓的压力梯度力驱动的。

气压的变化,例如暴风雨系统的动力学和不均匀的太阳加热所引起的变化,在一个给定的水平区域内,迫使空气分子从相对高气压的区域冲向低压区域。

天气图上显示的高压区和低压区在很大程度上驱动着我们通常感受到的和风。这种风背后的压力差仅占大气总压力的 1% 左右,这些变化发生在多个州的范围内。相比之下,强风暴中的风是由更大、更集中的压力变化区域产生的。

如需这些以及来自不同领域科学家的其他答案的完整文本,请访问www.sciam.com/askexpert

大众科学杂志 第 293 卷 第 5 期这篇文章最初以“专家答疑”为标题发表在大众科学杂志 第 293 卷 第 5 期 (), p. 116
doi:10.1038/scientificamerican1105-116
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