“引力弹弓”效应

李淼王爽《给孩子讲宇宙》读书笔记

1、引力弹弓定义

  引力弹弓就是利用行星的重力场来给太空探测船加速，将它甩向下一个目标，也就是把行星当作“引力助推器”。
  利用引力弹弓使我们能探测冥王星以内的所有行星。在航天动力学和宇宙空间动力学中，所谓的引力助推（也被称为引力弹弓效应或绕行星变轨）是利用行星或其他天体的相对运动和引力改变飞行器的轨道和速度，以此来节省燃料、时间和计划成本。
  引力助推既可用于加速飞行器，也能用于降低飞行器速度。

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2、引力弹弓发现

  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。
  米诺维奇的研究结果表明，当航天器靠近某颗行星的时候，会被它的引力所吸引。由于行星本身也在以很高的速度绕太阳旋转，它就会带着航天器和它一起跑，从而把自己的速度也传给航天器。这有点类似于一个人在火车上跑步：火车不开时，他的速度不会特别快，火车一旦开了，就会带着他一起跑，从而使他相对于地面的速度大大增加。这样，只要航天器不被行星捕获，它离开行星时的速度就会比原来大很多。换句话说，这些行星就成了能给航天器加速的太空加油站。这个“引力弹弓”效应是人类航天史上一个里程碑式的发现。在此之前，人类发射的航天器最远也到不了火星；而在此之后，人类就有了探索整个太阳系的能力。

3、引力弹弓的重要应用（旅行者号的发射）

  我们知道，太阳系中有很多行星，这些行星有一个共同的运动规律，那就是它们只能在同一个平面上绕着太阳旋转。这有点像是学校运动会的田径比赛，运动员们必须在学校操场所在的平面上跑步，而不能往位置更高的主席台或观众席上跑。

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  弗兰德罗的计算表明，如果在1976-1977年间向木星方向发射一个航天器，依靠我们前面讲过的“引力弹弓”的帮助，它可以一次就同时游历木星、土星、天王星和海王星这四大行星！此外，正常情况下飞往海王星需要花40年，但如果飞这条航线，就能把航行时间一下缩短到12年！这是一次百年不遇的机会。若是到1977年还不能把航天器发射出去，下一次机会人类就得再等上176年。
  1977年发射的旅行者一号探测器已经和地球相距217亿公里，相当于地球和太阳距离的145倍，NASA深空网络（DSN）和它通讯一次的时间超过40个小时。旅行者一号的飞行速度达到每小时55,000公里，如果不算离太阳最近，占据先天优势的帕克号（时速24.7万公里），它是迄今为止人类制造的飞得最远，速度最快的飞行器。
  上世纪70年代，科学家敏锐地注意到九大行星中的气体巨人——木星，土星，天王星和海王星正在向太阳系同一侧靠拢，这种罕见的行星排布176年才会出现一次，是利用行星引力做跳板，依次拜访四位太阳系老大哥的绝佳机会。NASA于是推出“壮丽旅程（Grand Tour）”计划，旅行者二号和旅行者一号相继升空。
  当时科学家并没有打算让两个探测器飞出太阳系，只制定了探索土星和木星的“小目标”。受载荷限制，执行发射任务的泰坦Ⅲ型火箭给它们留的燃料只够飞到木星。好在两位旅行者不负众望，成功飞掠木星，借助木星的引力，它们的速度由10公里/秒提升至25公里/秒，远远超过第三宇宙速度，飞掠土星之后速度更是达到惊人的45公里/秒。