为什么靠近太阳比逃离太阳更难？

太阳的引力无比强大，它将八大行星牢牢束缚在身边几十亿年。按理说，要把一个物体“扔进”太阳应该轻而易举——毕竟它有那么大的引力嘛！

图1. 太阳与它的行星

然而，现实却恰恰相反——从地球出发，靠近太阳比逃离太阳系还要困难得多！ 这是为什么呢？

这个反直觉的结果，源自我们脚下这颗行星的高速运动。

地球正以大约每秒约30公里的速度绕着太阳公转。这赋予了我们地球上一切物体一个巨大的“横向速度”——之所以说横向，是相对日地连线来说的，该速度与日地连线近似垂直。

想象（温馨提醒：仅YY一下而已，物理学中叫思想实验）你在一列飞驰的高铁上，想把手里的篮球扔向站台上的一个垃圾桶。你会怎么扔？

如果你直直地朝垃圾桶的方向扔出去，在列车上的你看来是“直线”。但在站台上的人看来，篮球其实在向前飞的同时，还带着列车赋予的巨大“向前速度”。结果就是，篮球会远远地飞过垃圾桶。

因此，与抛篮球到站台垃圾桶一样，当我们从地球上瞄准太阳发射一枚火箭时，由于惯性，火箭在飞行过程中，它会一直保持这个地球公转赋予给它的横向速度，这会导致它最终偏离太阳的位置。

当然，你可能会想到，如果朝向太阳的发射速度很大很大的话，既然太阳的半径也挺大，它还是可以撞上太阳的。

这听起来似乎也不是不可能，但这样做需要多大的代价呢？

我们来计算一下。

设地球公转速度为 ，日地距离为 。万有引力常数为 ，太阳的质量为 ，太阳的半径 ，它们的数值列出如下：

以太阳为原点，日地连线为x轴，地球公转速度方向为y轴。设火箭对准太阳发射，速度为 发 射 ，这样一来，在日心系中，火箭的速度为

发 射

地球初始位置为

根据角动量守恒，有常量 为

又根据机械能守恒，有常量 为

发 射

将地球轨道近似为圆轨道，则（修订：下式右边应为乘式，即分母应移到分子上去）

故得

发 射

根据有心力运动规律，当 发 射 小于、等于和大于 时，火箭的轨迹分别为椭圆、抛物线和双曲线。而无论什么类型的轨迹，其在近日点的距离通用公式为

代入前面的关系式得

发 射

据此可得如下三种情况：

1. 当 发 射 时，

2. 当 发 射 时，

3. 当 发 射 时，

太阳的半径仅为 ，它远远小于日地距离的一半，后者的值为 。所以，第1和第2种情况都无法实现目标，只有第3种情况是有可能的。

来看看第3种情况需要多大的发射速度才能实现目标。设刚好能让发射物抵达太阳的边缘，也就是近日点距离 刚好是太阳的半径，则

发 射

得最小发射速度竟然高达6393公里每秒！这大约是光速的 2%！要知道人类目前的火箭技术最多能达到每秒几十公里，离这个速度差了三个数量级。

所以，用直接“瞄准”的方式把物体射入太阳，在技术上是完全不可能的！

与掉进太阳相比，逃离太阳系反而简单得多。

要飞离太阳系，需要让探测器在日心参考系中的速度达到太阳的逃逸速度。在地球轨道处，太阳的逃逸速度为

逃 逸

约为每秒42.1公里，考虑到地球本身公转的速度就达到近30公里每秒，所以我们只需再给探测器加速，使其相对于地球的速度达到约每秒12.1公里，并沿着地球公转方向发射，就可以利用地球的速度“搭便车”飞向星际空间。该速度换算（过程略）为从地球表面发射的速度，大约为每秒16.7公里，这就是第三宇宙速度。

图2. 飞离太阳的旅行者1号

对比起来，掉进太阳需要的发射速度（径向）达到将近6400公里/秒，而逃离太阳系只需要16.7公里/秒。靠近比逃离难多了！

即便采用“抵消地球速度”的方法（即反向发射，使横向速度降为零），即将地球公转速度换算成地面发射速度，也需要每秒32公里（过程略），仍然远大于逃离所需的速度。所以，从能量角度看，把物体扔进太阳比把它扔出太阳系困难得多。

由此可见，若如有些人所想的那样，将地球上的垃圾（可鞥还包括坏蛋）丢到太阳这个完美熔炉中烧掉的“Good Idea”看来是很难实现了！

图3. 炽热的太阳表面

那么，还有别的办法吗？

既然直接冲向太阳行不通，科学家们设计了一条迂回曲折的路线。2018年发射的帕克太阳探测器（parker solar probe），正是通过巧妙的轨道设计，一步步逼近太阳。

视频：帕克太阳探测器

它的策略是：先进入一条环绕太阳的大椭圆轨道，然后利用金星的引力弹弓效应，逐步降低自己的轨道能量。每当探测器从金星后方飞过时，它就会把一小部分轨道动量“交给”金星，从而降低自己相对于太阳的速度，减小角动量。每一次飞掠，探测器的轨道都会被“压扁”一些，近日点越来越靠近太阳。

图4. 金星引力弹弓示意图

这个过程需要极其精准的导航和多次飞掠。帕克探测器计划七次飞掠金星，最终在2025年到达距离太阳表面仅600万公里的地方——这将是人类航天器离恒星最近的一次。

即便解决了轨道问题，靠近太阳本身也带来了一系列近乎疯狂的工程技术的极限挑战。

在最近距离处，帕克探测器面临的太阳光照强度是地球轨道的475倍。正对太阳的表面温度高达1400°C，足以熔化钢铁。工程师们为它设计了一面仅11.5厘米厚的碳复合材料隔热盾，表面涂有特制白色陶瓷，能反射绝大部分阳光。盾牌内部是97%体积为空气的碳泡沫，几乎隔绝了所有热量，使得背后的科学仪器能保持在舒适的30°C左右。

图5. 帕克太阳探测器

为了测量太阳风，探测器的部分传感器不得不暴露在阳光下。它们用耐高温的铌、钨、钼等金属制成，连绝缘体都选用了蓝宝石。在高速飞越太阳时，探测器速度可达每秒200公里（每小时72万公里），一粒微尘的撞击就可能造成严重损坏，因此关键部件都包裹了致密防护层。

图6. 飞行中的帕克探测器

更棘手的是，当探测器离太阳太近时，强烈的太阳辐射会淹没它与地球的通讯信号，导致长达数周的失联。为此，探测器被设计成高度自主，能自动调整姿态，确保隔热盾始终对准太阳。一旦姿态失准，30秒内整个任务就会终结。

最后总结，为什么靠近太阳比逃离更难？

答案在于地球赋予的巨大角动量。我们生活在一颗以每秒30公里高速飞行的行星上，这个速度让我们的轨道稳定，让生命得以安然演化。但也正是这个速度，筑起了一道看似不可逾越的屏障——要想“掉进”太阳，必须先克服这个巨大的惯性。

而帕克太阳探测器的成功，证明了人类智慧可以找到绕过这道屏障的方法。它不是硬碰硬地对抗自然力，而是利用行星的引力，一步步“退让”，最终抵达那个光明的源头。

参考文献

https://parkersolarprobe.jhuapl.edu/

文章转载自“物含妙理”微信公众号