引力弹弓是什么意思？

详细内容

• 01

  引力弹弓是指利用行星或其他天体的相对运动和引力来改变太空探测器的轨道和速度，以此来节省燃料、时间和计划成本。

  

  一般人会说：当飞行器朝向行星飞行时，由于受到行星的引力，因此能够加速，这好理解；但难以理解的是，当飞行器飞过行星以后，即飞离行星时，行星的引力会使其减速，正负抵消，似乎不可能起到加速作用。但其实利用弹弓效应时，飞行器并不是直线飞掠过行星，而是会在行星引力作用下绕着行星转一个弯，被行星带着向前飞一段，类似卫星绕行星运动。卫星围绕行星运动时，除了自身的速度外，它还和行星以同样的速度一起向前运动，当卫星运动方向与行星一致时，卫星的运动速度就是两者速度相加。

  不仅如此，精确的计算还会利用上行星的引力对飞行器加速，由于飞行器是作曲线运动，可使飞近和飞离行星的引力作用不一样大，因此不会产生上面所说直线运动完全抵消的情况，即使得加速作用大于减速作用。

  准确计算好角度、距离和速度，就可使得飞行器不会被行星捕获成为其卫星，只是被其带着向前飞一段，然后由于引力使速度增加，离心力也增加，故飞行器又被甩出去，但这时飞行器被甩出去的速度就是加上了行星运动的速度以及引力增加的速度。

  想象你奔跑着跳上一辆运动的火车（是那种一块平板的货车），上了车你仍以惯性向前跑，可你没想到，火车这时正好进入转弯，被火车带着向前运动了一小段后你又被离心力甩出了火车，此时你被甩出去的速度就是你原来跑的速度加上火车的速度。这个问题的核心在于「碰撞」，是「碰撞」的过程给了航天器以能量。

  有的读者可能会疑惑：航天器分明没有撞上天体啊，为什么要称其为碰撞呢？

  所谓「引力弹弓」，就是让航天器进入某个行星的引力范围之内，绕着它转半圈，然后从相反方向飞走，走的时候，速度就叠加上来行星的速度，从而大大提高了航天器的速度。这种技术常常用在行星际旅行之中，比如如果要想飞出太阳系，就需要利用一些大质量天体，例如木星，来加速。

  我们先考虑一个日常能够见到的模型：乒乓球和汽车。我们知道，汽车的质量远远大于乒乓球，所以乒乓球撞到汽车上，汽车的速度变化几乎可以忽略。然而乒乓球则不同：相对地面1m/s的乒乓球，撞上1m/s驶来的汽车，会反弹回来，而且速度是2m/s。也就是说，在这个近似完全弹性的碰撞之中，乒乓球从汽车那里吸收了一点点能量，大大提高了自己的速度。

  同时，汽车也失去了一点点能量，然而由于其本身质量很大，所以速度并没有可见的变化。这就给我们了一个启示：既然行星都在以极高的速度运动，那只要将航天器与它进行「弹性碰撞」就可以了。然而传统意义上的碰撞显然是不可行的——那将会摧毁航天器。

  这时，就需要考虑更广义层面的「碰撞」了。在处理粒子相互作用的时候，常常也会用到碰撞的概念，而由于粒子很难真正的碰到一起，所以这里的「碰撞」，其实指的是其中一个粒子的运动轨迹受到了另一个粒子的影响。

  在这里，恰恰如此，航天器从天体的后方绕过，又折返回来，就如同是被撞回来了一样，在这个过程中，就吸收了行星自身的动能。也就是所谓「引力弹弓效应」。

  

  引力弹弓这是一种非常成熟的航天技术，现实中有着广泛的应用。人类第一次利用引力弹弓效应发生在1959年，当时苏联的月球3号探测器从月球南极后方飞过，借助月球的引力绕到月球背面并拍摄了人类第一幅月球背面的图像。这次的引力助推不但改变了探测器的飞行轨道平面，也少许增加了速度。

  

  1977年，NASA著名的旅行者1号和旅行者2号发射升空，各携带带有人类信息的金唱片飞往宇宙深处。目前，旅行者1号和旅行者2号分别于2013年和2018年先后成为进入星际空间的人类探测器。这两枚探测器就充分利用过引力弹弓效应，旅行者1号在飞掠木星和土星时，利用了这两颗大行星进行了加速，然后才达到了太阳的逃逸速度。旅行者2号利用了木星、土星以及天王星的加速，但在接近海王星时，为了探测海王星的卫星”海卫一“，飞掠海王星的角度导致了相反的引力弹弓效应，速度下降了一些。导致最终速度旅行者1号比旅行者2号要快，首先进入星际空间。