太阳系中的“行星际超高速公路”

<正>借助行星的引力,探测器可以在不使用燃料的情况下游历于太阳系。在过去的十年中,意在改进航天器轨道的科学家在太阳系中发现了一种"底层"的结构。但它并不是英国物理学家牛顿所描述的行星和卫星精确地绕太阳运动。     

太阳系天体引力对空间引力波探测日心编队构型的影响分析

针对太极空间引力波探测任务,建立了太阳系天体引力摄动对日心编队构型影响的数学模型,利用仿真手段分析了太阳系中行星和月球、矮行星和小行星引力摄动对空间引力波探测日心编队构型的影响,提出了一种综合考虑小行星到卫星轨道距离和星等的二重筛选方法,能够快速估计小行星相对加速度的上界.分析了日心编队构型卫星初始相位角变化对太阳系天体引力摄动的影响.仿真结果表明,在行星和月球中,地球、金星和木星引力对空间引力波探测编队构型影响较大,行星和月球的引力叠加影响达到-2.78×10-11km·-2.矮行星的引力叠加影响不大于1.25×10-17km·-2,小行星引力的叠加影响不大于1.1180×10-15km·-2.另外,编队卫星受到的太阳系天体引力摄动对编队构型卫星初始相位角的变化不敏感.      

骚乱中的世界第一重：相对论

尽管牛顿引力平方反比定律帮助天文学家成功地预测到海王星的存在，但直到19世纪末，牛顿定律仍然无法给出圆满的答案，而且在水星轨道上也发现了扰动。直到1915年，爱因斯坦发表了他的广义相对论，才有了对这些不规则现象的解释。爱因斯坦因他的理论物理学著作获得1921年的诺贝尔奖，对科学做出许多持久的贡献。在2008年的一次民意调查中，他被命名为继牛顿之后的第二大科学巨匠。     

科学史上的最大谜团——万有引力

万有引力是人类最早认识的一种相互作用。1687年，牛顿在其出版的《自然哲学的数学原理》一书中就提出了这一概念。牛顿利用万有引力定律不仅说明了行星运动规律，而且还指出木星、土星的卫星围绕行星也有同样的运动规律。他认为月球除了受到地球的引力外，还受到太阳的引力，从而解释了月球运动中早已发现的二均差、出差等。     

生物存在的八项原则

自从1947年人类发现飞碟以后,各国科学家纷纷将目光移向“外星智能生物”。通过大量探索和研究,大多数科学家认为,宇宙星系中“智慧生物”所生存的行星最少应有以下条件:第一,行星与主星(恒星)的距离适中(例如地球与太阳的距离);第二,行星与恒星的运行轨道近似于圆形,使行星与恒星的运行轨道变化不大;第三,行星的体积大小适中,从而能保持较适中的引力,保持适宜厚度的大气层;第四,行星内部的活动速度适中。活动速度太慢,就不会有火山喷发,这个行星就是一个“死行星”;如果内部活动过快,火山和地震就频繁发生,生命也就很难存在和发展。第五,最…     

引力场中运动物体加速度的各向异性

在引力或任何其它力的作用下 ,运动物体的加速度是各向异性的。即在同样大小力的作用下 ,力与速度方向垂直时的加速度要大于力与速度方向一致时的加速度。将这种横向额外加速度理论应用在天体力学方面 ,正确地计算了行星近日点的“多余”进动角和光线在经过太阳表面时由引力引起的偏转角。并且定性地解释了最近发现的所谓航天器的“奇异”加速度。因此 ,行星、航天器和光子等等完全不同的物体在引力场中的运动轨道可以用完全相同的物理机制——“加速度各向异性”理论扩展了的牛顿理论加以描述。     

第十颗行星之谜

其实太阳系的行星数目一直以来都是一个谜。很久以前,天文界只知道共有6大行星(即水星、金星、地球、火星、木星、土星)。随着天文学理论和观察技术的发展,到了1781年人们发现了天王星,可是对该星轨道的计算结果,总是跟实际的观测有出入。这个疑惑引起了当时天文界的争论。一方认为,万有引力定律的适用范围有限,在太阳至天王星这样的距离上,也许要修正了;另一方则把这个问题归结为,有一大天体存在于天王星近旁,正是这个未知天体对它施加的引力,才出现了该星的轨道异常。以后又有两位年轻的天文学家,各自独立地做了理论计算。1846年,人们在他…     

空间引力红移实验的原理与精度

通过对文献[4, 5]关于空间引力红移实验原理与精度的分析,根据爱因斯坦惯性力与引力等效的原理,提出在航天器内部,重力的大部分被惯性力抵消,因而其中的微重力比轨道重力小很多(失重).因此,应当把星载原子钟的重力势取为与微重力相当的有效重力势,而不能简单地将星载钟的重力势取为轨道重力势.另外,检验相对论红移需要将理论值与实验值进行对比,这两种数值均具有误差,而检验精度取决于误差较大者.因此,如果不提高地球重力模型(例如EGM2008)精度而只提高测量精度则不能提高检验精度.     

向我们走来的黑洞

人们一般觉得黑洞是一件神秘的新事物,其实,由400年前牛顿力学和万有引力理论,就可引伸出黑洞来。万有引力理论指出,物体都有引力,两个物体之间引力的大小与它们的质量成正比,与它们之间的距离平方成反比。天体表面上的物体,要想挣脱天体的引力束缚逃离这个天体,必须达到一定的运动速度。这个速度被称为逃逸速度。不同质量的天体有不同的逃逸速度,天体的质量越大,所需要的逃逸速度越大。如月球为5千米/秒,地球为11.2千米/秒,木星为     

小行星远距离抵近轨道

讨论了小行星引力一阶项可被忽略情况下的小行星远距离轨道设计及动力学。此时,航天器的运动受太阳引力和太阳光压的影响。航天器和小行星的加速度之差在这两者之间形成的独特的相对动力学,为航天器在小行星附近停驻与观测提供特定轨道。完整解决了小行星处于圆形日心轨道这一较简单情况,也考虑和阐述了椭圆轨道情况,并取得了一些初步结果。     

小行星远距离抵近轨道（英文）

讨论了小行星引力一阶项可被忽略情况下的小行星远距离轨道设计及动力学。此时,航天器的运动受太阳引力和太阳光压的影响。航天器和小行星的加速度之差在这两者之间形成的独特的相对动力学,为航天器在小行星附近停驻与观测提供特定轨道。完整解决了小行星处于圆形日心轨道这一较简单情况,也考虑和阐述了椭圆轨道情况,并取得了一些初步结果。     

精确动力学模型中的行星引力辅助轨道设计

轨道设计分为初步设计和精确模型迭代两步,初步设计基于等效脉冲模型,用圆锥曲线拼接法确定时间窗口和引力辅助产生的速度脉冲。精确模型中引力辅助看作是一个连续的过程,将简化模型得到的引力辅助双曲线轨道化为行星心目标B平面参数,以地心逃逸速度作为设计变量,通过微分修正的方法进行求解。通过算例对比分析了简化模型和精确模型设计结果之间的关系,结果表明,引力辅助脉冲等效模型精度较好。     

引力的迷雾

于1687年出版的牛顿划时代巨著《论自然哲学的数学原理》第11、12章牛顿给出了万有引力的数学描述，但引力的本源却是未知的。牛顿曾说过这样一段话：“迄今为止，我只是用引力来解释月球绕地球的运动以及潮汐现象，引力的本质是什么，我不想说什么，但引力是客观存在的，这就足够了。”     

中高层大气行星波与惯性重力内波的非线性相互作用

在弱非线性理论基础上,将三维大气中行星波和惯性重力波从原始非弹性近似方程中分离出来,讨论了典型的2天行星波与惯性重力内波的非线性相互作用过程.从共振曲面和参量不稳定增长率来看,行星波倾向于与空间尺度较大的惯性重力波发生相互作用.利用潮汐波的等价重力波假设,讨论了2天行星波与半日潮及9.6h惯性重力波的相互作用,三波相互作用时能量守恒.非线性相互作用使2天波和潮汐波的波幅受到长期调制.      

行星三体引力摄动对卫星探测器大气制动的影响

考虑行星引力在其卫星探测器大气制动过程中的显著摄动,建立了基于Milankovitch参数的平均轨道动力学模型并对土卫六探测器进行仿真。首先,将轨道参数转换为无奇异的Milankovitch参数,考虑探测卫星的大气阻力、扁率摄动以及行星引力摄动,建立了半解析轨道方程。其次,以土卫六探测器为对象,选择不同的土星初始方位角进行有大气和无大气情况下的数值仿真,并进行比较分析。结果表明,土星初始方位角的选择会引起土卫六大气制动轨道偏心率和近拱点高度在不同范围内震荡,极大地影响大气制动效果。      

基于最小轨道交叉距离的小行星顺访探测目标预筛选方法

小行星探测有助于研究太阳系演化等重要科学问题,在深空探测任务转移途中实施小行星顺访探测可增加科学研究回报。直接通过轨道递推筛选小行星探测目标计算量大、效率低,针对该问题提出了基于最小轨道交叉距离的目标预筛选方法。在推导出适用于计算双曲线轨道的最小轨道交叉距离公式后,将此理论应用到小行星顺访探测目标筛选中。首先基于探测器与小行星轨道的形状、空间位置计算二者轨道在空间中的几何最近距离,预筛选出可能满足接近距离标准的小行星目标;然后基于轨道递推模型,筛选出真实最近距离小于可接近标准的目标小行星。仿真结果显示,基于最小轨道交叉距离的预筛选方法可有效减少计算量,降低计算时间,提高小行星顺访目标筛选的效率。      

宇宙中的逆行之谜

打破宇宙的规则 在我们的太阳系里，所有的大行星都沿着太阳的自转方向绕太阳公转，而且公转的轨道面与太阳的赤道面基本存在于同一个平面上。科学家认为，这是由于太阳和它的所有行星都形成于同一片由气体和尘埃组成的分子云中的缘故。在引力的作用下，分子云发生收缩，渐渐变成了一个旋转着的扁平的盘。由于太阳和行星都由同一个行星盘中的物质所组成，而这些物质又原本都向着同一个方向旋转，所以导致的结果就是，它们自然而然地存在于同一个平面上，且行星公转的方向和太阳自转的方向一致。     

神秘的小行星

代号为“苏梅克”的近地小行星会合探测飞船是第一艘环绕小行星飞行的飞船，２００１年２月在爱神星表面坠毁。在此之前它传回１６万张有关爱神星的图像，是美国航空航天局最成功的航天探测之一。小行星可能是太阳系中最原始的天体，它们是巨大的引力形成太阳和行星时的残余物。在火星和木星之间有一个密集的小行星带。它们在运行过程中必定要发生碰撞，导致某个小行星改变轨道飞向太阳或某个行星。英国《自然》周刊报道，天文学家和地质学家研究“苏梅克”探测飞船传回来的数据后说，他们发现爱神星的结构复杂得令人吃惊。爱神星长３４千米…     

小天体安全着陆与表面探测控制方法研究

针对探测器在小天体表面的弹跳式运动特点,提出一种表面运动控制方法。首先基于简化的运动模型,计算出探测器进行弹跳式转移所需的初始速度;然后通过对轨道方程的线性化,基于线性时变系统的求解方程,采用脉冲控制对每次弹跳的运动轨迹进行修正,增加控制精度;并分析转移距离与弹跳次数的关系;最后,以小行星1620 Geographos作为目标小天体进行仿真分析,验证了控制算法的有效性。结果表明,该控制方法可以应用于探测器在附着到小天体表面后的弹跳转移,也适用于弱引力环境下探测器的弹跳式探测。     

引力理论发展的新契机

牛顿的划时代巨著《论自然哲学的数学原理》中曾记载了牛顿对万有引力的一段评述：迄今为止，我只是用引力解释月球绕地球的运动及潮汐现象，引力的本质是什么尚未可知，引力是客观存在的，这就足够了。在牛顿谢世之后的三个多世纪中，人类从没有停止对引力理论及引力本质的探索。２０世纪２０年代，爱因斯坦基于物质的引力质量与惯性质量的等效性，建立了文广义相对论，使人类对引力理论的发展迈入了一个新高度。但是，广义相对论对引力的描述仍然是“惟象”的，即引力是由于空间的弯曲造成的。但空间的弯曲为什么会形成引力及引力传播的载…