“引力弹弓”让航天器飞得更远

科幻电影《流浪地球》中讲述了当太阳即将膨胀，开始侵占地球空间时，人类利用高科技让地球离开原来的运行轨道，并利用木星的“引力弹弓”效应，将地球送向新家园的故事。虽然这是虚构的，但在现实中，科学家的确用到了“引力弹弓”效应，将航天器发射至深空。

“引力弹弓”是指利用巨大质量的天体所产生的引力，改变接近它飞行的物体的运动轨道和速度的一种特殊的物理效应。

由于航天器可以直接飞行到被观测天体的上方，所以它们是科学家研究太阳系内行星最好的探测工具。从20世纪70年代开始，人类不断向临近行星，如金星、火星、水星等，发射航天器。这些航天器返回的数据，帮助天文学家对这些临近行星有了比较清晰的了解。但当天文学家们想要向木星等更远的行星发射航天器时却遇到了难题：相比火星与太阳的距离，木星距离太阳要远两倍多，而下一个行星——土星与太阳之间的距离，又是木星与太阳距离的两倍；天王星、海王星更是遥不可及。要想探索更远的行星，航天器的动力成了大问题。

美国推力最大的火箭之一“泰坦3E-半人马”火箭也仅能携带航天器飞至木星，无法实现飞离太阳系所需要的第三宇宙速度。要想飞向更远的土星、天王星和海王星，甚至飞出太阳系，就必须设法达到更快的速度。

在茫茫太空中，从哪里才能找到某种力量给航天器再次助推？科学家想到了航天器在旅程中所经过的行星产生的“引力”。

如果你看过链球比赛就会发现，链球运动员在投掷链球时会一边甩球，一边旋转身体。不仅如此，他们在旋转时，整个身体还会向着最终抛球的方向移动。运动员将链球以这种方式甩出去，能够保证链球在被抛出去的瞬间，飞行速度比它围绕链球运动员自身旋转时还要快。因为运动员在将链球抛出去的那一刻，自身向前移动的一部分能量（动能），会从运动员身上转移到飞行的链球上，进而使链球在脱手的一霎那速度增加，并达到最快。如果我们将运动员换成行星，链球换成航天器，通过链球的铁链施加的拉力换成行星对飞行器施加的引力，就得到了“引力弹弓”这个听上去很神奇、道理却并不复杂的物理效应。同样，相对太阳，如果这时航天器的运动速度是 v ₁ ，行星的移动速度是 v ₂ ，那么当航天器从行星后方绕到与行星前进方向基本一致时，就会因为行星的引力而加速。在极限情况下，航天器的速度就会增加2 v ₂ 左右（这里的计算用到了能量守恒定理，并且假设行星的质量远大于航天器）。与此同时，行星也会因为动能的减少而减速。但由于行星的质量太大了，这点动能损失所造成的减速几乎难以被察觉。

在“旅行者号”诞生之前，很多科学家对“引力弹弓”效应持怀疑态度。他们觉得“引力弹弓”效应会让航天器偏离直飞目标的直达轨道，花费更多的时间才能到达目的地。但天文学家加里·弗兰德罗在研究“引力弹弓”效应、计算航天器发射轨道时却发现，有一条轨道可以接连借助木星、土星的“引力弹弓”效应，将航天器访问土星所需要的时间减半，甚至将到达天王星、海王星所需要的时间减少三分之一。正是因为这条航线的发现，才催生了旅行者1号和2号计划。这两台航天器相继成功发射，并在“引力弹弓”效应下高速飞行，于2012年和2018年先后越过日球层，进入星际空间，成为两个最先离开太阳系的航天器。它们的成功证明了“引力弹弓”效应是可以被应用在航天器轨道设计中的，在合理规划轨道的前提下，能够帮助航天器缩短航行时间。

那么，作为承载全人类的地球，是否可以像电影《流浪地球》中那样，借助“引力弹弓”效应，实现加速呢？随着我国航天事业的飞速发展，我国向宇宙深处探索的脚步将会越走越快。作为深空探索必不可少的“引力弹弓”效应也一定会被更好地应用在未来航天器的飞行设计中。