我的一个对太空和科学不太感兴趣的朋友曾经问我,月球是不是在我们的上方,因为我们总是需要抬头才能看到它。其实还有一个事实也证明了这一方法,那就是所有的卫星和航天器都是垂直向上发射的,因为它们必须到达月球或其他位于我们上方的天体。

我对他的假设(即月球和其他天体位于我们上方)印象深刻,虽然这听上去挺合理,但是我还是告诉他事实并非如此。太阳系中的所有天体均在同一个平面上,简单来说,这意味着我们的太阳系几乎是扁平的(更确切地说,是位于黄道面)。

这就让我想到了,为什么我们不把太空探测器发射到太阳系之外呢?让这些探测器飞到离地球一定的高度,这样它们就能从更高的有利位置拍摄到更好的图像,这不是更有意义吗?

地球的轨道速度非常大!

首先,我们需要知道地球在黄道(即太阳系平面)上以大约每秒30公里的速度运动。这就意味着任何离开地球的物体都是以自身速度+地球轨道速度运动的。例如,当你把一个球从行驶中的火车上扔出时,球的运动速度是火车的速度加上球的初速度。为了将一个太空探测器垂直向上发射到太阳系平面之外,首先需要燃烧大量的燃料,以抵消其沿地球轨道的运动。之后,才能在垂直方向推动探测器,使它垂直向上飞出黄道面。

将一个探测器直接发射到太阳系外需要巨大的推进力

(注意图中的天体并非按比例绘制)

过多的燃料

要想直接飞出太阳系,探测器需要燃烧大量的燃料。因此,探测器将不得不承受更多的载荷,从而增加了卫星的质量。从运输的角度来看,这会是相关空间机构要完成的一项艰巨且昂贵的任务。

没有什么可以探索的了

你可能已经知道太阳系基本是在一个平面上了,而大多数有趣的东西,或者至少是我们想要探索的东西,都在这个平面上。因此,沿太阳系平面水平发射探测器自然更有意义。

如果我们真的建造并垂直发射一个探测器至太阳系外,那么它很有可能发现不了任何有趣的东西。并且,如果它继续前行,可能最终会撞上奥尔特云。

话虽如此,然而我们并不确切地知道奥尔特云的起点和终点。想想看,以目前的速度(即每天100万英里),旅行者1号宇宙飞船可能在大约300年内都无法到达奥尔特云(参考4)。

艺术家为美国宇航局旅行者1号宇宙飞船绘制的插图,这是距离地球最远的人造物体

但是,我们并非从未向太阳系外发射过探测器。

让我们来看看尤利西斯!

尤利西斯——一个有趣的例外

早在1990年,美国国家航空航天局(NASA)和欧洲航天局(ESA)就发射了一个名为“尤利西斯”(Ulysses)的自动太空探测器,它的主要任务是绕太阳运行并在各个纬度对太阳进行研究。

尤利西斯——艺术家的想象图(图片来源:美国航天航空局/维基共享资源)

为了做到这一点,尤利西斯不得不改变轨道倾角,离开太阳系的平面。它首先以通常的平面方式飞向木星,随后利用重力辅助旋转至垂直于太阳系的轨道平面。

不仅仅是尤利西斯,为了偏离了黄道面,旅行者1号和2号的逃脱轨迹分别倾斜了35度和80度。这意味着这些太空探测器是沿着一个相对于太阳系平面的斜面移动的。

作者: scienceabc

FY: 忙碌的北門

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