“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”效应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，人类不断向邻近行星，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邻近行星有了比较清晰的了解。但当天文学家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，链球运动员在抛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，整个身体还会向着抛球的最终方向移动。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刹那速度增加，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，如果这时航天器的飞行速度是 v ₁ ，行星的运转速度是 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，甚至将航天器到达天王星、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“引力弹弓”效应可以被应用在航天器轨道设计中，帮助航天器缩短飞行时间。

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。深空探索中必不可少的“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。