什么是“引力弹弓”

“引力弹弓”一词，近些年来在科幻作品中高频出现。电影《流浪地球》中，为了使地球飞出太阳系，需要靠近木星，利用木星的引力加速飞船以获取更高的速度。《火星救援》中，为了到达火星，需要赫尔墨斯号以精确的角度进入地球引力范围，飞船利用引力获得加速，在绕了半圈后，“甩”向火星方向实施救援。《星际穿越》也有类似的情节：让黑洞把他们拉近到经过计算的临界点，飞船瞬间点火，利用引力弹弓效应，把飞船射向新的星球。这些看似反直觉，但实则是完全符合物理规律的。

在深空探测中，根据万有引力定律，航天器时时刻刻受到各种天体的引力影响，假设各个天体的引力的影响范围均为以自身为中心、半径不同的球形，称为影响球。航天器大部分时间在太阳的引力场中运动，在接近某行星时，行星对航天器的引力要远大于太阳的引力，因此可以暂时忽略太阳引力的影响。假设在时刻1进入某行星影响球，在时刻2飞出该行星影响球。在行星上看，航天器进入影响球内部后，忽略太阳的引力，飞行轨迹是某种圆锥曲线，由轨迹的对称性，进入的速度等于飞出的速度，如果航天器前后的速度相等，那么为什么还能实现引力加速呢？

其实，行星引力弹弓加速的关键在于行星本身有一个速度。以行星为参考系时，忽略了行星本身的速度，航天器进入和飞出的相对于行星的速度相同。然而如果从太阳系的角度来看，由于飞入和飞出的角度发生了变化，因此合速度也发生了变化，最终实现绝对速度的增加，这就是“引力弹弓”。在深空探测中，由于航天器携带的燃料有限，所以一般要飞到某个行星附近，利用行星的引力进行加速，有时要利用多个行星进行引力加速，这就是为什么在深空探测中，航天器的轨道往往都非常复杂。

历史上最初提出引力弹弓效应的是苏联科学家尤里·康德拉图克，他在所署时间为“1918—1919”的论文“Темктобудетчитать,ЧТОбЫСТРОИТЬ”(《致有志于建造星际火箭而阅读此文者》)中提出在两颗行星间飞行的飞船可以使用两行星卫星的引力实现轨道初段的加速和轨道末段的减速。弗里德里希·詹德(Friedrich Zander)在其1925年的论文“Проблема полета при помощи реактивных аппаратов: межпланетные полеты”（《星际飞行中喷气推进的问题》）中也提出了类似的构想。但是两者都未能意识到行星沿飞行器轨道施加的引力助推能够推进飞行器从而减少飞行器星际间飞行的燃料消耗。这一设想由迈克尔·米诺维奇(Michael Minovitch)于1961年提出。

1959年,引力推进法得到了首次应用，当时苏联的探测器“月球3号”使用该法运行至月球背面并拍摄了该区域的照片。“伽利略”号探测器于1989年升空，1995年抵达环木星轨道。期间多次飞越不同行星，经过多次引力加速，最终到达木星。1997年，“卡西尼号”土星探测器同样经过多次引力加速抵达土星。“卡西尼号”发射后，首先于1998年4月在距金星284 km处飞掠，利用金星引力获得加速。之后，它绕太阳一圈，于1999年6月再次在距金星600 km处飞掠，获得金星引力的第二次加速。同年8月，“卡西尼号”在距地球1171 km处飞掠，被地球引力再次加速。“卡西尼号”第二次离开地球后，才飞往太阳系的外层。2000年12月，它在距木星约1000万km处飞掠，获得了木星引力的加速。这时,它的速度超过了30 km/s。然后,它才向目的地土星飞去。土星距离地球最近时不到13亿km，最远时也不超过16亿km。然而“卡西尼号”由于采用了上述迂回的飞行路线，总行程长达35亿km。不过，磨刀不误砍柴功，飞行的时间并没有因此增加，而燃料却大大节省了。

伽利略号飞行轨迹

卡西尼号飞行轨迹

引力弹弓是航天科研人员在复杂工作的基础上巧妙利用天然条件的创举。显然，在可预见的未来，引力弹弓将进一步把航天器乃至人类探索宇宙之梦推向太空的更深处。如果更进一步，未来人类想要开展星际旅行，引力弹弓应该是不可或缺的助力之一。考虑到人类目前还没掌握飞出太阳系的技术，未来航天器或许不排除尝试利用恒星甚至黑洞的引力助推，开展跨星系远征。