引力弹弓助力，航天器飞向远方如虎添翼

作者：兰顺正

首发自：《中国航天报》

近日，美国“露西”探测器重返地球附近，借助地球引力弹弓加速飞向特洛伊小行星群，而该消息也让“引力弹弓”再次成为热点。

引力弹弓又称重力弹射，是一种利用大天体的引力为航天器改变速度的方法，既可以增加速度，又可以减小速度，还可以改变速度的方向。引力弹弓的原理其实并不复杂，我们可以把航天器想象成一个正在跑步的小个子，当他的运动路线和另一个同样在跑步的大个子交叉或临近时，大个子伸出手来拉了他一把，帮助小个子加减速或者改变方向，这里面大个子就是行星之类的大天体，那只手这则是引力。那么航天器增加的能量来自于哪里呢？不是来自于行星的引力场，而是来自于行星的动能（如地球公转速度为每秒30公里），也就是说如果根据能量守恒定律，当航天器速度改变后，行星的速度也会出现相应的变化，但关键是航天器与行星的质量相差太大了，行星远比航天器重得多，所以行星的速度改变可以忽略不计，对航天器的帮助完全是无偿的。

引力弹弓在星际旅行中非常有用，最重要的一点就是借力飞行轨道能够降低发射能量，节省燃料。航天器上“寸土寸金”，携带的燃料越多，对发射火箭的要求就越高，成本也随之上扬；而且以目前的技术，航天器飞出去以后燃料就很难补给，所以要能省则省；另外如果有什么扩展任务，或者需要紧急变轨，届时燃料越多可操作的空间越大。确实，“借力转移”法要走很多的弯路，耗费不少的时间，看似不如“直接转移”直奔目的地来得痛快，但是在某些情况下，引力弹弓反而能缩短星际航行时间。如探测器选择最经济的双切椭圆轨道飞行，从地球飞向土星需要6年，飞向天王星需要16年，飞抵海王星需要31年，而假如借助木星作为引力跳板，飞抵土星只需3到4年,飞到天王星只需8到9年,飞近海王星也只需12年。

当然，要借助引力变轨不是那么简单，需要计算出合适的变轨时间和位置，以保证航天器变轨后能到达目标轨道，最好能使整个变轨过程耗费燃料最少。同时深空探测器的航程往往都很漫长，中间要考虑的变量也很多，如行星、恒星的引力及它们之间的相互作用，太阳光光压摄动，借力飞行的时间范围，借力飞行的轨道参数等等。目前轨道设计师的做法，一般都是建立一个轨道动力学模型，根据航天器现在的状态一步步往前进行推算，并借助计算机对轨道参数进行反复迭代和优化，是一件技术含量很高的工作

引力弹弓在现实中早就开始了应用。人类第一次利用引力弹弓发生在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。1972年“先驱者 10 号”发射，1973 年抵达木星系统，探测完木星后利用弹弓效应进行了加速，然后踏上了飞往星际空间的旅行。1973年“先驱者 11 号”发射，1974年抵达木星系统，探测完木星后利用引力弹弓对速度的大小和方向进行改变，然后飞向土星；在探测完土星后，又借助了土星引力弹弓再次加速，也踏上了飞往星际空间的旅行。而由NASA 和ESA合作的卡西尼-惠更斯土星探测器在利用行星引力弹弓抵达土星后，又多次利用“土卫六”的弹弓效应进行各种花式变轨，以便于对土星及其卫星系统有更立体的了解。

同时除了加速外，引力弹弓也多次帮助人类航天器“悬崖勒马”。众所周知，航天器一旦离开地球向轨道内侧的太阳飞去时，便会受太阳的强大引力不断加速，越飞越快。在探测水星或者太阳本身时，航天器一不小心不但无法进入预定轨道，还会被拉进太阳里，就好像对着悬崖冲刺还要一步停在崖边。以人类现有技术（推进器反向减速）不可能直接刹车留在轨道上，所以探测这些天体需要用引力弹弓效应减速的方法，采用地球、金星、水星共同配合反复调整轨道，同时再加上航天器发动机拼尽全力工作，才有可能帮助航天器进入轨道。如2020年2月升空的欧空局Solar Orbite（又称“ 环日轨道器”）规划的引力弹弓减速就达到了9次之多。

而此次的提到的“露西”探测器于2021年10月16日发射升空，将在太阳系内进行为期12年的旅行，行程长达64亿公里，它将探索8颗小行星，会成为一次探测小行星数量最多的航天器。在执行任务的12年里，“露西”号将三次通过地球引力弹弓效应提速，第一次2022年10月，第二次2024年12月，第三次2039年12月，最终让自己的时速达到56万公里，也就是秒速155.6公里。按计划，该航天器将在2025年与第一颗目标小行星相逢，这是一颗位于主小行星带内的小行星，2027年“露西”将到达7颗特洛伊小行星中的第一颗，并于2033年飞掠最后一对特洛伊小行星。

综上，人类想要实现星际旅行，引力弹弓效应是不可或缺的方法之一，这样的设想已经在很多科幻作品（如《星际穿越》和《火星救援》）中出现过。另外有观点认为，随着技术的发展，使用恒星甚至黑洞作为引力助推的星体是可行的，如原本属于太阳系内的天体或许可在飞掠太阳时获得推进从而开始它的银河系之旅，其能量和角动量则来自于太阳环绕银河运转的轨道（太阳在银河系中高速飞行其轨道速度大约为240千米/秒）。虽然这种观点目前还存在争议，而且这种星际旅行方式所耗费的漫长时间也是需要解决的问题，但可以预见的是，在未来“引力弹弓”必然会继续把人类推向太空的更深处。