引力彈弓效應

引力彈弓就是利用行星的重力場來給太空探測船加速，將它甩向下一個目標，也就是把行星當作“引力助推器”。

利用引力彈弓使我們能探測冥王星以內的所有行星。在航天動力學和宇宙空間動力學中，所謂的引力助推（也被稱為引力彈弓效應或繞行星變軌）是利用行星或其他天體的相對運動和引力改變飛行器的軌道和速度，以此來節省燃料、時間和計畫成本。

引力助推既可用於加速飛行器，也能用於降低飛行器速度。

基本介紹

• 中文名：引力彈弓效應
• 外文名：Slingshot effect
• 定義：利用行星重力場給太空探測船加速
• 用途：把行星當作“引力助推器”

定義

行星的引力助推作用能夠改變飛行器相對於太陽的速度，但由於必須遵守能量守恆定律，所以它和行星間的相對速度並沒有改變。在飛行器第一次從遠距離接近行星時，產生的運動效果就像該飛行器被行星反彈開了。科學家們稱這種情況為彈性碰撞，不過兩者之間並沒有發生實體接觸。

假設你是一個靜止的觀測者，那么你就會看到：行星以速度U向左運動，飛行器以速度v向右運動。由於兩者的運動方向相反，所以當飛行器運行至行星右側時，其軌道就會發生彎曲，進而以U+v的相對速度（相對於行星表面）運行。當飛行器脫離環行星軌道時，其相對於行星表面的速度仍然為U+v，但是此時的運動方向與原來相反——即向左運動。而由於行星本身正以速度U向左運動，所以在觀測者看來，飛行器正以2U+v的速度向左運行——其速度提升幅度為2U，即行星運行速度的兩倍。

由於未考慮軌道的各種細節，所以這是一個過於簡單化的模型。但是事實證明如果飛行器沿雙曲線軌道運行，則其無需啟動引擎即可從相反方向離開行星，同時只要其脫離了該行星引力的控制，那么它就可以獲得2U的速度增量。

該理論看似違背了能量守恆和動量守恆定律，但這是由於我們忽略了飛行器對行星的影響。飛行器獲得的線性動量在數值上等同於行星失去的線性動量，不過由於行星的巨大質量，使得這種損失對其速度的影響可以忽略不計。

在現實宇宙空間中飛行器與行星的相遇實際上會出現兩個維度上的因素。在上述理論所提供的案例中，由於要求提高飛行器的速度，所以需要實現的是矢量增益。

同時，引力助推也能被用於降低飛行器的速度。1974年的水手10號以及後來的信使號即通過引力助推實現了減速，兩者都是飛往水星的探測器。

如果飛行器需要獲得更多的加速度，最經濟的做法是當其位於行星近拱點時點燃火箭。火箭助推為飛行器提供的加速度總是相同的，但是它引起的動能變化則與飛行器的實時速度成正比。所以為了從火箭助推中獲得最大動能，火箭必須在飛行器速度最大時——即處於近拱點時點火。在奧伯特效應中該技術得到了詳細闡釋。

原因

在太陽系中，由於飛往內行星的飛行器的軌道方向是朝向太陽的，所以其可以獲得加速度；而飛往外行星的飛行器由於是背向太陽飛行的，故其速度會逐漸降低。

雖然內行星的軌道運行速度要比地球的快得多，但是飛往內行星的飛行器由於受到太陽引力作用而獲得加速，其最終速度仍遠高於目標行星的軌道運行速度。如果飛行器只是計畫飛掠該內行星，就沒有必要為飛行器降速。但是如果飛行器需要進入環該內行星的軌道，那么就必須通過某種機制為飛行器降速。

同樣的道理，雖然外行星的軌道運行速度要低於地球，但是前往外行星的飛行器在受到太陽引力作用而逐漸減速之後，其最終速度將仍低於外行星的軌道運行速度。所以也必須通過某種機制為飛行器加速。同時，為飛行器加速還能夠減少飛行所耗時間。

使用火箭助推是為飛行器加減速的重要方法之一。但是火箭助推需要燃料，燃料具有重量，而即使是增加很少量的負載也必須考慮使用更大的火箭引擎將飛行器發射出地球。因為火箭引擎的抬升效果不僅要考慮所增加負載的重量，也必須考慮助推這部分增加的負載質量所需的燃料的重量。故而火箭的抬升功率必須隨著負載重量的增加而呈指數增加。

而使用引力助推法，則飛行器無需攜帶額外的燃料就可實現加減速。此外，條件適宜的情況下，大氣制動也可用來實現飛行器的減速。如果可能，兩種方法可以結合起來使用，以最大程度地節省燃料。

例如，在信使號計畫中，科學家們即試用了引力助推法為這艘前往水星的飛行器進行減速，不過由於水星基本上不存在大氣，所以無法使用大氣制動來為飛行器減速。

而飛往離地球最近的行星——火星和金星——的飛行器一般使用霍曼轉移軌道法，該軌道呈橢圓形，其開始一端與地球相切，末尾一端與目標行星相切。該方法所消耗的燃料得到了儘可能的縮減，但是速度較慢——使用該方法的飛行器從地球達到火星需要1年多的時間（模糊軌道法使用的燃料更少，而速度則更慢）。

如果使用霍曼轉移軌道法前往外行星（木星、土星和天王星等），途中可能就要消耗掉數十年的時間，所需的燃料仍然很多，因為飛行器的航程長達8億公里，同時還要抵抗太陽的引力。而引力助推則提供了一個無需附加燃料即可為飛行器加速的方法。所有飛往外行星的飛行器都使用了該方法。

局限

在實際操作中，使用引力助推法的主要局限是行星和其他大質量天體並不總是在助推的理想的位置上。例如70年代末旅行者號得以成行的重要原因是當時木星、土星、天王星和海王星都將運行至助推的理想地點，形成了一個佇列。類似的佇列將要到22世紀中期才會再次出現。這是一個極端的例子，但是即使是某些目標較小的計畫，為了等待行星到達理想的位置，也必須空耗去數年時間。

該方法的另一局限是提供引力助推的行星的大氣。由於引力與距離的平方成反比，所以當飛行器越接近行星時，其所獲得的引力助推效果就越顯著。但是如果飛行器太過於接近行星，從而過於深入行星大氣，那么其損耗的能量將會大於其從行星引力助推中獲得的能量。當然，從另一方面說，該效應也能夠用來實現大氣制動。也有人提出（至今還只是停留於理論階段）當飛行器穿越大氣層時可以利用大氣層的氣動升力為飛行器提供大氣推進力。該方法能夠將飛行器的軌道撓曲為一個較之引力助推更大的角度，因此也能夠獲取更多的動能。

使用太陽作為行星間引力助推的天體是不可能的，因為太陽相對於太陽系整體來說是相對靜止的。但是，接近太陽時所獲得的強大推進也和引力推進有相似的效果。該方法能夠極大增加飛行器的動能，但是存在著飛行器是否能夠抵禦太陽高溫的問題。

而對於星際間的旅行，使用太陽作為引力助推的星體是可行的，如原本屬太陽系內的天體就可在飛掠太陽時獲得推進從而開始它的銀河系之旅，其能量和角動量來自於太陽環繞銀河運轉的軌道。但是這種星際間旅行所需的時間是超出人類可接受範圍的。

該方法的另一個理論上的限制是廣義相對論。如果飛行器接近黑洞的史瓦西半徑，它就需要更多的能量才能從這個極度扭曲的空間中逃逸出來，所耗的能量將會多於從黑洞的引力助推中獲得的能量。

不過，如果一個轉動的黑洞的自轉軸指向理想的方向，它就有可能提供額外的引力助推效果。廣義相對論預言一個較大的轉動天體的附近會出現參考系拖拽現象，即附近的空間被拖拽往天體自轉的方向。理論上一顆普通的恆星也會出現這種現象，但是對太陽附近空間所作的觀測至今未能得出確定的結果。廣義相對論預言在轉動的黑洞附近圍繞著一層被稱為能層的空間。在這個空間中物體的正常狀態仍然無法存在，因為該空間正沿著黑洞自轉方向以光速被拖拽著運動。但是彭羅斯機制或許可以為飛行器從能層中獲取能量，雖然這個過程要求飛行器必須將一些“壓倉物”拋入黑洞，這樣飛行器也必須損失一部分由“壓倉物”所攜帶的能量，這部分能量則被黑洞吸收。

歷史

最初提出引力助推法的科學家是蘇聯的尤里·康德拉圖克(Кондратюк, Юрий Васильевич)。他在所署時間為“1918-1919”的論文“Тем кто будет читать, чтобы строить”（《致有志於建造星際火箭而閱讀此文者》）中提出在兩顆行星間飛行的飛船可以使用兩行星衛星的引力實現軌道初段的加速和軌道末段的減速。

弗里德里希·詹德(Friedrich Zander)在其1925年的論文“Проблема полета при помощи реактивных аппаратов: межпланетные полеты”（《星際飛行中噴氣推進的問題》）中也提出了類似的構想。

但是兩者都未能意識到行星沿飛行器軌道施加的引力助推能夠推進飛行器從而減少飛行器星際間飛行的燃料消耗。這一構想由麥可·米諾維奇(Michael Minovitch)於1961年提出。

1959年，引力推進法得到了首次套用，當時蘇聯的探測器月球3號使用該法運行至月球背面並拍攝了該區域的照片。當時這一操作流程由克爾德什套用數學研究所所設計。

飛行體

小行星3753

小行星3753是一顆通過引力助推與地球交換能量，從而周期性改變軌道的近地小行星。

水手10號

水手10號是第一艘藉助引力助推到達另一顆行星的探測器，它於1974年2月5日經過金星，經過引力助推的減速之後到達水星。它是第一艘探測水星的飛行器。

旅行者1號

至2007年7月6日，旅行者1號距離太陽154.4億公里（103.2天文單位），目前位於太陽系和星際空間之間的邊緣帶,是距離地球最遠的人造物體。它在經過木星和土星時通過引力助推獲得了足以完全擺脫太陽引力的動能。

伽利略號

1989年，美國航空航天局通過阿特蘭蒂斯號太空梭在太空中施放了伽利略號探測器。伽利略號最初計畫使用赫曼轉移軌道法，但由於挑戰者號太空梭的事故，伽利略號的“半人馬座”推進火箭不再被允許通過太空梭運至太空，取而代之的是一種功率較小的固態燃料推進火箭。在這種情況下，伽利略號在其軌道上一次飛掠過金星，兩次飛掠過地球，計畫1995年12月到達木星。

伽利略號的工程師調查後認為（但是無法證實）在飛掠過程中飛行器與金星的長時間接觸，使伽利略號上的主天線的潤滑劑失效。該技術故障迫使伽利略號使用功能較差的後備天線。

在其後伽利略號探測木星衛星的過程中，也多次使用引力推進法，從而延長了燃料的使用時間，也增加了其與木星衛星近距離接觸的機會。

尤利西斯號探測器

1990年，歐洲空間局發射了尤利西斯號探測器，用以研究太陽的極地地區。由於太陽系中所有行星的軌道基本上都位於黃道面上，所以為了運動至環繞太陽的極軌道上，該探測器必須將其從環地球軌道上繼承的30千米/秒的速度降為零，同時獲得繞太陽極面運行的軌道速度——但是以現有的太空飛行器推進系統還無法完成該任務。

於是尤利西斯號被發射往木星，當其到達木星“前下方”的一個區域時，即落入了行星的引力場中，之後經歷了1分鐘的引力推進，最終使尤利西斯號的軌道向上彎曲，脫離環木星軌道，進入環太陽的極軌道。這一策略只需足夠尤利西斯號運行至木星的燃料即可。

信使號

信使號飛行器頻繁的使用引力助推來降低速度，最後進入環水星軌道。在其飛行過程中，共一次飛掠過地球，兩次飛掠過金星，三次飛掠過水星，最終將於2011年3月到達水星附近，此時其速度已經降得足夠低，使用剩餘的燃料足以將該飛行器送入環水星軌道。雖然其間的每次飛掠主要都是為了進行引力助推，但是也提供了不可多得的科學觀測機會。

卡西尼號

卡西尼號探測器兩次飛掠過金星，之後又途經地球、木星，最終到達土星。其6.7年的旅程較之霍曼轉移軌道法所用時間——6年稍長，但是所需的速度增量少了2公里/秒，故體積和質量都較大的卡西尼號能夠依靠較少的推進燃料到達土星。赫曼轉移軌道法到達土星所需的加速度總值為15.7公里/秒（此處忽略了地球和土星的引力勢阱以及大氣制動效應），超過了現有飛行器推進系統的推進能力。

羅塞塔號

“羅塞塔”項目是一項里程碑式的大膽探測計畫，其目標是追蹤並最終進入一顆彗星的軌道，隨後向彗星地表釋放一顆著陸器，人類歷史上首次對彗核進行登入探測。其確定的考察目標位木星族彗星67P/丘留莫夫-格拉西緬科彗星。

2004年3月2日，羅塞塔飛船從南美洲法屬蓋亞那的庫魯航天中心由一枚阿麗安-5型火箭發射升空，隨後進行了3次地球引力彈弓借力和一次火星引力彈弓借力。在其追逐彗星的途中，羅塞塔相繼在2008年和2010年飛越了2867號小行星Steins以及21號小行星Lutetia。2014年8月6日，經過十年追趕，羅塞塔安全進入圍繞目標彗星運行的軌道。2014年11月，羅塞塔在67P彗星上登入。

套用舉例

地球與火星間有相對運動，在兩顆行星再次會合之前，航天員有一年半時間停留在火星上，可以進行充分的探索。任務結束後，他們會登上已經就地灌裝好燃料的發射艙，發射到火星軌道，與來自小行星空間基地的“深空飛行器”對接，然後乘坐後者返回地球。“深空飛行器”甚至可以固定在一條軌道上，來回在地球和火星間運行，利用引力彈弓效應運行，幾乎無需燃料。

空間探索最大的障礙不在於技術，而在於如何選擇合適的策略，以儘可能小的代價，取得儘可能多的成果。如果美國採取逐步推進的技術發展路線，制定步步為營的任務策略，載人航天就能在40年之內突破近地軌道，進入行星際旅行的輝煌時刻。