引力彈弓助力，航天器飛向遠方如虎添翼_風聞

作者：蘭順正

首發自：《中國航天報》

近日，美國“露西”探測器重返地球附近，藉助地球引力彈弓加速飛向特洛伊小行星羣，而該消息也讓“引力彈弓”再次成為熱點。

引力彈弓又稱重力彈射，是一種利用大天體的引力為航天器改變速度的方法，既可以增加速度，又可以減小速度，還可以改變速度的方向。引力彈弓的原理其實並不複雜，我們可以把航天器想象成一個正在跑步的小個子，當他的運動路線和另一個同樣在跑步的大個子交叉或臨近時，大個子伸出手來拉了他一把，幫助小個子加減速或者改變方向，這裏面大個子就是行星之類的大天體，那隻手這則是引力。那麼航天器增加的能量來自於哪裏呢？不是來自於行星的引力場，而是來自於行星的動能（如地球公轉速度為每秒30公里），也就是説如果根據能量守恆定律，當航天器速度改變後，行星的速度也會出現相應的變化，但關鍵是航天器與行星的質量相差太大了，行星遠比航天器重得多，所以行星的速度改變可以忽略不計，對航天器的幫助完全是無償的。

引力彈弓在星際旅行中非常有用，最重要的一點就是借力飛行軌道能夠降低發射能量，節省燃料。航天器上“寸土寸金”，攜帶的燃料越多，對發射火箭的要求就越高，成本也隨之上揚；而且以目前的技術，航天器飛出去以後燃料就很難補給，所以要能省則省；另外如果有什麼擴展任務，或者需要緊急變軌，屆時燃料越多可操作的空間越大。確實，“借力轉移”法要走很多的彎路，耗費不少的時間，看似不如“直接轉移”直奔目的地來得痛快，但是在某些情況下，引力彈弓反而能縮短星際航行時間。如探測器選擇最經濟的雙切橢圓軌道飛行，從地球飛向土星需要6年，飛向天王星需要16年，飛抵海王星需要31年，而假如藉助木星作為引力跳板，飛抵土星只需3到4年,飛到天王星只需8到9年,飛近海王星也只需12年。

當然，要藉助引力變軌不是那麼簡單，需要計算出合適的變軌時間和位置，以保證航天器變軌後能到達目標軌道，最好能使整個變軌過程耗費燃料最少。同時深空探測器的航程往往都很漫長，中間要考慮的變量也很多，如行星、恆星的引力及它們之間的相互作用，太陽光光壓攝動，借力飛行的時間範圍，借力飛行的軌道參數等等。目前軌道設計師的做法，一般都是建立一個軌道動力學模型，根據航天器現在的狀態一步步往前進行推算，並藉助計算機對軌道參數進行反覆迭代和優化，是一件技術含量很高的工作

引力彈弓在現實中早就開始了應用。人類第一次利用引力彈弓發生在1959 年，當時蘇聯的月球3號探測器從月球南極後方飛過，藉助月球的引力繞到月球背面並拍攝了人類第一幅月球背面的圖像。1972年“先驅者 10 號”發射，1973 年抵達木星系統，探測完木星後利用彈弓效應進行了加速，然後踏上了飛往星際空間的旅行。1973年“先驅者 11 號”發射，1974年抵達木星系統，探測完木星後利用引力彈弓對速度的大小和方向進行改變，然後飛向土星；在探測完土星後，又藉助了土星引力彈弓再次加速，也踏上了飛往星際空間的旅行。而由NASA 和ESA合作的卡西尼-惠更斯土星探測器在利用行星引力彈弓抵達土星後，又多次利用“土衞六”的彈弓效應進行各種花式變軌，以便於對土星及其衞星系統有更立體的瞭解。

同時除了加速外，引力彈弓也多次幫助人類航天器“懸崖勒馬”。眾所周知，航天器一旦離開地球向軌道內側的太陽飛去時，便會受太陽的強大引力不斷加速，越飛越快。在探測水星或者太陽本身時，航天器一不小心不但無法進入預定軌道，還會被拉進太陽裏，就好像對着懸崖衝刺還要一步停在崖邊。以人類現有技術（推進器反向減速）不可能直接剎車留在軌道上，所以探測這些天體需要用引力彈弓效應減速的方法，採用地球、金星、水星共同配合反覆調整軌道，同時再加上航天器發動機拼盡全力工作，才有可能幫助航天器進入軌道。如2020年2月升空的歐空局Solar Orbite（又稱“ 環日軌道器”）規劃的引力彈弓減速就達到了9次之多。

而此次的提到的“露西”探測器於2021年10月16日發射升空，將在太陽系內進行為期12年的旅行，行程長達64億公里，它將探索8顆小行星，會成為一次探測小行星數量最多的航天器。在執行任務的12年裏，“露西”號將三次通過地球引力彈弓效應提速，第一次2022年10月，第二次2024年12月，第三次2039年12月，最終讓自己的時速達到56萬公里，也就是秒速155.6公里。按計劃，該航天器將在2025年與第一顆目標小行星相逢，這是一顆位於主小行星帶內的小行星，2027年“露西”將到達7顆特洛伊小行星中的第一顆，並於2033年飛掠最後一對特洛伊小行星。

綜上，人類想要實現星際旅行，引力彈弓效應是不可或缺的方法之一，這樣的設想已經在很多科幻作品（如《星際穿越》和《火星救援》）中出現過。另外有觀點認為，隨着技術的發展，使用恆星甚至黑洞作為引力助推的星體是可行的，如原本屬於太陽系內的天體或許可在飛掠太陽時獲得推進從而開始它的銀河系之旅，其能量和角動量則來自於太陽環繞銀河運轉的軌道（太陽在銀河系中高速飛行其軌道速度大約為240千米/秒）。雖然這種觀點目前還存在爭議，而且這種星際旅行方式所耗費的漫長時間也是需要解決的問題，但可以預見的是，在未來“引力彈弓”必然會繼續把人類推向太空的更深處。