借力天體用處大
近日，美國(guó)露西探測(cè)器重返地球附近，借助地球引力彈弓，加速飛向特洛伊小行星群，而該消息也讓引力彈弓再次成為熱點(diǎn)。
借力天體用處大
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，既能加速，又能減速，還可以改變速度方向。
引力彈弓的原理其實(shí)并不復(fù)雜，我們可以把航天器想象成一個(gè)正在跑步的小個(gè)子，當(dāng)他的運(yùn)動(dòng)路線和另一個(gè)同樣在跑步的大個(gè)子交叉或接近時(shí)，大個(gè)子伸出手來拉了他一把，幫助小個(gè)子加速、減速或者改變方向。在這里，大個(gè)子就是行星之類的大天體，那只手則是引力。
那么航天器改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所需的能量來自哪里呢？不是來自行星的引力場(chǎng)，而是來自行星的動(dòng)能。也就是說，根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)航天器速度改變后，行星速度也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化，但兩者的質(zhì)量相差太大了，行星遠(yuǎn)比航天器重得多，所以行星速度改變幅度可以忽略不計(jì)。
引力彈弓在航天器的星際旅行中用處很大，最重要的好處就是借力更輕松地改變軌道，降低發(fā)射能量，節(jié)省燃料。
一方面，航天器上堪稱“寸土寸金”，攜帶的燃料越多，對(duì)火箭的要求就越高，綜合成本也隨之上漲，節(jié)省燃料可以收獲很大的經(jīng)濟(jì)效益。另一方面，在目前的技術(shù)水平下，在軌航天器補(bǔ)加燃料并不容易，如果想完成擴(kuò)展任務(wù)，或者需要緊急變軌，燃料越多，可操作的空間就越大。
“軌道設(shè)計(jì)師”很努力
有人難免疑惑：“借力轉(zhuǎn)移”會(huì)不會(huì)讓航天器飛行很多“彎路”，浪費(fèi)時(shí)間？實(shí)際上，在某些情況下，引力彈弓反而能縮短航天器星際航行用時(shí)。
比如探測(cè)器選擇最經(jīng)濟(jì)的雙切橢圓軌道飛行，從地球飛到土星需要約6年，飛到天王星需要約16年，飛抵海王星更是需要31年左右。假如借助木星作為引力“跳板”，探測(cè)器從地球飛抵土星只需3～4年,飛到天王星只需8～9年,飛抵海王星附近，用時(shí)應(yīng)不超過12年。
當(dāng)然，航天器要借助外星球引力變軌，不是那么簡(jiǎn)單的，需要計(jì)算出合適的變軌時(shí)間和位置，以保證航天器最終能到達(dá)目標(biāo)軌道，最好在整個(gè)變軌過程中耗費(fèi)燃料最少。
同時(shí)，深空探測(cè)器的航程往往很漫長(zhǎng)，途中要考慮的變量很多，比如行星、恒星的引力及它們之間的相互作用，太陽光壓攝動(dòng)，借力飛行的時(shí)間范圍和軌道參數(shù)等。
航天科研人員需要充當(dāng)“軌道設(shè)計(jì)師”，事先建立軌道動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)航天器狀態(tài)，一步步進(jìn)行推算，并借助計(jì)算機(jī)對(duì)軌道參數(shù)進(jìn)行反復(fù)迭代和優(yōu)化，可以說是技術(shù)含量很高的工作。
航天器長(zhǎng)期受益多
正是由于具備多種優(yōu)勢(shì)，科研人員很早就開始求助于引力彈弓。一般認(rèn)為，航天器第一次利用引力彈弓發(fā)生在1959年，當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)月球3號(hào)探測(cè)器從月球南極附近飛過，借助月球引力，繞到月球背面，拍攝了第一幅月背圖像。
之后，美國(guó)“先驅(qū)者10號(hào)”“先驅(qū)者11號(hào)”在20世紀(jì)70年代分別借助木星和木星、土星的引力彈弓，首次探測(cè)外太陽系?！奥眯姓?號(hào)”更是利用了多顆行星的引力彈弓，嘗試“觸摸”太陽系邊緣。
還有美歐合作的卡西尼-惠更斯號(hào)土星探測(cè)器，利用行星引力彈弓抵達(dá)土星后，又多次利用土衛(wèi)六的引力彈弓效應(yīng)，進(jìn)行各種“花式變軌”，幫助人類對(duì)土星及其衛(wèi)星系統(tǒng)有了更深入全面的認(rèn)知。
除了加速外，引力彈弓也多次幫助航天器“懸崖勒馬”。航天器一旦向太陽飛去，就會(huì)受到太陽的強(qiáng)大引力而不斷加速。在探測(cè)水星或者太陽時(shí)，航天器一不小心，不但無法進(jìn)入預(yù)定軌道，還會(huì)被“拉”進(jìn)太陽的酷熱環(huán)境中。憑借現(xiàn)有技術(shù)（如推進(jìn)器反向減速等）不可能使航天器直接“剎車”并留在目標(biāo)軌道上，所以需要利用引力彈弓效應(yīng)及時(shí)減速，綜合借助地球、金星、水星的作用，反復(fù)調(diào)整軌道，再加上航天器發(fā)動(dòng)機(jī)“拼盡全力”，航天器才有可能完美地進(jìn)入軌道。例如，2020年2月升空的美歐“環(huán)日軌道器”規(guī)劃借助引力彈弓減速達(dá)9次之多。
至于文章開頭提到的露西探測(cè)器，同樣是利用引力彈弓的“高手”。2021年10月16日發(fā)射升空后，“露西”預(yù)計(jì)在12年內(nèi)行程64億公里，探索8顆小行星，由此將成為單次任務(wù)探測(cè)小行星數(shù)量最多的航天器。飛行途中，“露西”規(guī)劃了3次利用地球引力彈弓效應(yīng)提速，首次就是今年10月16日經(jīng)過澳大利亞上空300多公里高度的軌道，未來再進(jìn)行2次借力加速，最終將在2025年與第一顆目標(biāo)小行星相逢。
引力彈弓是航天科研人員在復(fù)雜工作的基礎(chǔ)上巧妙利用天然條件的創(chuàng)舉。顯然，在可預(yù)見的未來，引力彈弓將進(jìn)一步把航天器乃至人類探索宇宙之夢(mèng)推向太空的更深處。
如果更進(jìn)一步，未來人類想要開展星際旅行，引力彈弓應(yīng)該是不可或缺的助力之一?？紤]到人類目前還沒掌握飛出太陽系的技術(shù)，未來航天器或許不排除嘗試?yán)煤阈巧踔梁诙吹囊χ?，開展跨星系遠(yuǎn)征。
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