什么是“引力弹弓效应”？“流浪地球”竟然真有科学依据

《流浪地球二》中的引力弹弓技术不只是科幻，我国也将用它来进行太阳系边际探测。最近很火的科幻电影《流浪地球二》，以及美国的科幻电影《火星救援》里面都有引力弹弓给飞行器加速的故事情节。特别是流浪地球，借助木星的引力弹弓效应，让地球加速更快飞出太阳系，缩短地球流浪的时间。那么引力弹弓是如何实现加速和减速的？应用引力弹弓有什么样的难点，世界各国，特别是我国又将如何应用引力弹弓效应呢？

引力弹弓又叫引力辅助机动，利用行星或者其他天体的相对运动，也就是围绕太阳的轨道运动和引力来改变航天器的轨道和速度，通常是为了达到节省推进剂的目的。网上对引力弹弓已经有了很多的讲解，为了较好的理解引力弹弓的概念，我们需要有完整的太阳系的物理图像。首先航天器在行星附近的运动轨道，在行星参考系看来通常是个二次曲线的形式，也就是椭圆抛物线，或者双曲线三者之一。这些轨道有一个特点，它关于行星是对称的。也就是说靠近行星时，航天器的速度大小是多少，离开行星时的速度大小也是多少，但是方向是镜像对称的。但是我们如果从太阳参考系来看就不一样了，在太阳参考系中航天器的速度等于行星参考系中的速度加上行星本身在太阳参考系中的速度。当然这里的速度相加不是大小相加，还要考虑到速度的方向，也就是矢量相加。也就是说引力弹弓中航天器的速度改变取决于航天器轨道相对于行星的位置、方向和速度的大小，既可以实现加速也可以实现减速。

实际上旅行者一号和二号为了逃脱太阳的引力飞出太阳系，分别利用了不同行星的引力弹弓，不断分别利用了不同行星的引力弹弓效应，不断获得新的加速。例如旅行者二号在接近土星的时候，因为太阳引力的原因速度已经降到了16公里每秒，但离开土星时速度却增加到了34公里每秒。通过引力弹弓效应获得的速度增量高达18公里每秒。然而从地球起飞的多级火箭给他提供的速度增量还只有大约15公里每秒，光土星引力弹弓提供的速度增量超过了多级火箭提供的速度增量。流浪地球时也可以借助木星的引力弹弓效应，给地球提供这个速度增量。我们的太阳系有8大行星，按照它们到太阳的距离从小到大排列，地球排在第三位，里面还有水星和金星。从地球往太阳、水星、金星发射航天器，通常需要在太阳的引力场中减速。事实上水手10号和信使号，以及距离太阳最近的帕克探测器都借助引力弹弓效应来降低探测器的速度。

最后我们国家也提出了利用引力弹弓效应的空间计划，那就是太阳系边际探测计划。难点就在于通过精心设计的轨道，选择最优的探测器出发的时机，来造访太阳系中的4颗气体巨行星，并借用引力弹弓效应来加速摆脱太阳的引力束缚，开启星际探测的新征程。探测太阳系极远极暗极寒冷的未知区域，将为人类认识太阳系和宇宙打开一扇新的窗口，也是中国对构建

太阳系知识体系的重要贡献。我们也期待着我国早日实现引力弹弓效应的成功应用。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

团队/作者名称：周炳红

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