拦截木星

2016-05-10 00:12
飞碟探索 2016年5期
关键词:飞离木星花费

问题:

“新地平线”号在去往冥王星的路途中,曾在木星重力的帮助下增加自己的速度。与此同时,木星的运行略微放缓。请问,需要多少次这种飞越,才能使木星完全停下来?

我们承担不起这个花费。

宇宙飞船执行近距离飞越大质量且快速运动的行星的任务时,行星能够在不用燃料的情况下使飞船加速。(能通过飞向一颗行星并飞离它这种事来增加自身速度,这或许听起来很奇怪,因为直觉告诉我们,飞向行星时增加的速度会在飞离它的时候失去。但其实这并不完全取决于重力,重力的帮助就像绳子和弹簧,如果能保证它足够大,这一切都是可能的。当你飞向一颗行星,绕它飞行,并从来的方向飞离它,就好像你被这颗行星弹了回去。如果这颗行星是运动的,你还会获得额外的反冲,就像把一个网球扔向一辆疾驰的卡车的风挡玻璃。)由于动量守恒,这同样会使行星运行有所减慢,不过没有人真正担心过这一点。

当宇宙飞船飞越行星时,行星运动并没有慢多少,因为行星比宇宙飞船重得多。“新地平线”号飞越木星时,它的速度增加了约4000米/秒,而与此同时,木星的速度减慢了大约10-21米/秒。(数学上的问题有点复杂,因为它们既改变速率又改变方向。)

10-21米/秒听起来似乎很小,但它略微改变了木星的轨道,使木星的公转周期缩短并使它稍微靠近太阳了。由于这

次飞越,到了太阳变为超新星时,木星将会与原来的日历有几十纳秒的不同步。

“几十纳秒的不同步”并不能令人满意,我们显然需要更多次的飞越。那么,到底飞越多少次才能实现题目中所说的让木星停下来呢?

2001年至2016年,美国政府在“新地平线”号任务上花费了超过7亿美元。在此期间,政府在其他各项事务中的花费大概是478798.4亿美元。如果我们将所有花费在其他事务上的钱都拿来,投入“新地平线”号任务中,就能再发射6.8万个与“新地平线”号完全相同的探测器。

但这会带来一些问题。举个例子,“新地平线”号携带大量的钚作为动力。这里的“大量”大约是10千克。这些钚来自铀反应堆。6.8万个“新地平线”号所需的钚,需要耗去全球铀储量相当大的比例。

但还有更糟糕的。美国航空航天局在发射携带钚的宇宙飞船时,总是会估计发射事故的概率。这里的发射事故是指

放射性物质被释放到大气中。通常,这个概率是1/300。那么,6.8万次发射大概会发生超过200起的核事故,这可不太妙。

但是,如果能让木星慢下来,这一切都值得!然而,6.8万个“新地平线”号远远不够。我们仍旧只能夺走木星速度的很小一部分。到太阳系的整个生命周期结束时,木星日历上的错误顶多只有2毫秒。

假如把单个探测器的造价降低一点,我们就可以发射更多的探测器,但是原材料迟早会耗尽的(发射如此多的火箭,燃料肯定会被逐渐耗尽)。不过,假设能建造出一个太空电梯,就可以降低发射成本。用来生产钚的铀更是很快就会告罄,但是我们也可以用铅来代替,毕竟发射这个飞船的目的也不是要从事什么科研工作。

然而,最终铅也会被耗尽。即使还可以再用别的什么来代替铅,比如石头、废品之类的,但所有这些也都会有耗尽的一天。到了某个时刻,为了坚持我们这个不顾一切的尝试,发射的东西会被简化成一个印有美国航空航天局标志的装满了石头和土的麻布袋子。

然而,无论你相信与否,最终连石头都会耗尽。

地球上只有这么多东西。即使把地壳剥了一层又一层,向下挖几十千米,把这些东西都扔向木星,也仅仅是将木星

的速度降低不到1600米/时。

其实,这意味着我们的方案根本不起作用。地球质量比木星小很多,所以即使将整个地球都扔向木星,也只能将木

星速度减低很少一部分,就是几十千米每小时。这种情况有些类似于此前我们举过的网球的例子:如果你想用一个网球让一辆卡车停下来,网球需要比卡车更多的动量,这意味着这个网球需要极重或者极快,或是又重又快。

其实从本质上来说,我们今天讨论的就是这个问题。借助重力拦截木星,就如同向卡车扔网球拦截卡车一样。那么,你需要一个非常非常大的网球。

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