
我们经常在科幻电影中听到“引力弹弓”这一名词,什么是引力弹弓呢?
引力弹弓效应是科学家发现的一种可以利用行星的重力场来给航天器加速的一种效应,通过行星的引力可以将航天器“甩”向下一个目标,也就是把行星当作“引力助推器”。当航天器与行星相向运动时,在进入行星的引力范围后飞行方向就会向行星发生弯曲。由于航天器此时受到了行星的引力场的作用力,速度就会提升。由于航天器的速度会大于行星的逃逸速度,所以并不会被捕获成为卫星,而是会在短暂的加速后与行星“分道扬镳”。这样一来,航天器不用燃料就可以加速,并且对于之前的速度来说,这一加速是相当可观的。引力弹弓效应不但能够给航天器加速,也能给航天器减速或仅是改变飞行方向。一般来说,航天器在与行星相遇时,若相遇前速度夹角大于相遇后速度夹角,则飞行器的速度会提高。
有的人会问,如果按照能量守恒定律,行星的速度不会被影响吗?答案是会的。航天器从行星“偷”来了能量,行星也会损失能量。但是,行星的质量对于飞行器来说大太多了,那点能量对于行星来说简直微乎其微,不会产生任何可测量出的变化。举个例子,旅行者号在利用木星加速后,木星的速度变化完全测量不出来。通过计算可知,木星速度大约降低了1×10-24公里每秒,但旅行者号的速度增加了约10公里每秒。
所以,利用引力弹弓效应可以帮助航天器节省燃料,提高速度。但天体在宇宙空间中始终进行着三维的运动,行星和其他大质量天体并不总是在助推的理想的位置上。70年代末,旅行者号得以成行的重要原因是木星、土星、天王星和海王星都将运行至助推的理想地点,形成了队列。类似的队列将要到22世纪中期才会再次出现。所以并不是每次执行航天任务时都能有行星能够帮助我们加速,这也是引力弹弓效应的局限性之一。
(彪轶辰)