为什么靠近太阳比逃离太阳更难？

gzcom520

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：

• 当发射时，
  
• 当发射时，  
  
• 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

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https://theconversation.com/how-do-you-fire-someone-into-the-sun-267993https://physics.aps.org/articles/v14/176https://www.popsci.com/science/garbage-sun/https://science.nasa.gov/mission/parker-solar-probe/https://parkersolarprobe.jhuapl.edu/

dsfgdsg

想扔垃圾进太阳？太阳：我拒收！

hnn

既然太阳探测器面向太阳一侧有护盾，那怎么观察太阳呢？

cjlcjl

帕克太阳探测器利用金星引力的弹弓效应不是用来加速，而是用于减速制动。

咖啡豆

靠近太阳☀，必须有熔点在1万℃以上的隔热层。另外，太阳☀内部什么样，人类至今无法知道。

qqwa1234

人类是碳基物质的身体，耐不了高温。但又是热血动物，低温也很难生存。所以既近不了太阳，又离不开太阳。多一分热则化，少一分热则僵！

神隐之左手

反向发射肯定行。因为绕日速度减小，轨道会衰减。轨道衰减后，要求的维持轨道的速度更大，轨道就会继续衰减。最终会掉进太阳，就和宇宙飞船回收一样的道理。

wifai

这才是真正的遥遥领先

诛仙九妹

每秒接近7000km的速度，只有银河系中心接近黑洞的恒星有这么快的速度。

mmnnn

希望楼主继续分享更多！谢谢！。。