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燃料不够?用弹弓把飞船崩出去!——《火星救援》里的引力弹弓效应

来源:中国数字科技馆

  文:东方晓灿 

  火星,我们的邻居,太阳系内和地球最像的行星。2020年7月23号,中国首次火星探测任务“天问一号”探测器升空。到8月底,已累计飞行1亿公里,而当到达火星时,“天问一号”将距离地球约1.95亿公里,实际飞行路程约4.7亿公里。 

  不仅是火星,人类有一天总会移民更多的星球,探测、登陆、定居…… 

  飞向异星球的路遥远无比,燃料是个大问题。有没有什么省油的小妙招呢? 

  我们的故事从学霸小黑开始讲起。他从小就心心念念要探索宇宙,征服星辰大海。长大后终于得偿所愿,进入NASA做了一名航天工程师。 

  NASA的探火任务突遭意外,有个宇航员被孤零零丢在火星上,必须救他回来。可其他船员乘坐的赫尔墨斯号已经从火星升空,正在返航地球途中,燃料不足以支撑这样来回折腾。更倒霉的是,从地球上发射的载有给养的救援飞船起飞后不久就爆炸了…… 

  炸了…… 

  了…… 

  孤独的宇航员坐在赭红色的地平线上,望着远方的故乡,地球。比死亡更恐怖的是一步步滑向死亡深渊时的无力和绝望。 

  救,必须救。 

  NASA全员开始努力寻找解救方案,小黑也再次开启了不眠不休模式。 

  怎么救? 

  现在火星和地球被长达几千万公里的宇宙空间所阻隔,救援谈何容易。 

  突然有一天,小黑灵机一动——用地球当“弹弓”,把现在正奔向地球的赫尔墨斯号再给“崩”回去! 

  于是就有了如下的名场面: 

  方案很简单——算好赫尔墨斯号的轨道,以精确的角度进入地球引力范围,飞船利用引力获得加速,在正好绕了半圈后,飞船就可以“甩”向火星方向实施救援。 

  做个形象的比喻:地球像是一个大力士,接过赫尔墨斯号这颗飞来的“铅球”,顺势转身半圈,把铅球用更大的速度抛了回去。 

  在场的所有人都听明白了,是个可行的方案。于是,小黑获得局长大人的盛赞:“OK,滚出去吧。” 

  这就是迄今为止真实感最强的近未来科幻电影《火星救援》,改编自安迪·威尔的同名小说。顺便提一句,原著作者是暴雪公司的程序员,对,就是《魔兽》那个暴雪。为了写这部小说,威尔自学了植物学、轨道动力学、火星概况等。 

  我们要探究的是:“引力弹弓”到底是个什么东西?如何实现的? 

  引力弹弓一词,近些年来在科幻作品中高频出现。甚至有些网文会出现“XX的飞船失控,在星际间被各行星的引力弹弓弹来弹去……”,这是个巨大的谬误,飞行器想要利用引力弹弓效应获得加速,需要极其精确的轨道计算。 

  问:用好引力弹弓,拢共分几步? 

  答:分三步。 

  以赫尔墨斯号为例。 

  第一步:飞船接近地球时,地球引力开始“吸”着飞船加速。 

  飞船满心欢喜扑向地球的怀抱,飞呀飞,不用踩油门,速度还越来越快,好high哟。不难理解,此时的飞船类似坠落状态。 

  第二步:同时,地球正在从图右位置向左侧公转。 

  飞船飞着飞着发现:咦,地球呢?肿么不见了?肿么引力感越来越弱呢?答案很简单:地球跑了。 

  第三步,地球离飞船越来越远,终于,明显的引力加速度消失了。但此刻飞船已经处在更高速度上。 

  可以看出,要用好引力弹弓效应实现加速,飞船轨道计算必须极其精准。远不是网文想象的那么容易,稍有不慎,飞船就会体验“弹弓崩到自己脸上的100种死法”。 

  离行星太近,直接坠毁,撞死…… 

  离行星太远,使不上劲,跑偏了,饿死…… 

  人类航天史上对这一效应利用最充分、最著名的实例莫过于旅行者1号、2号。 

旅行者1号探测器实物图

旅行者引力弹弓图

  1977年,太阳系的4颗行星木星、土星、天王星、海王星出现了巧妙的几何排列,以人类制造的航天器速度,正好可以依次飞掠这4颗行星。这种排列下一次再出现时,要等到176年后,于是,旅行者探测器发生升空。 

  如上图,旅行者1号和2号分别利用了不同行星的引力弹弓,不断获得新的加速。例如旅行者2号在接近土星时,因为太阳引力的原因,速度已经降到了16KM/S,但离开土星时,速度陡增到34KM/S。 

  土星加油站今日免费大放送!有木有! 

  星际航行中,加速是个难题,减速也是。《三体》中三体第一舰队来侵略地球时,有近一半的燃料用于减速。 

  聪明如你者,一定想到了引力弹弓的另一种用法——减速。 

  和加速正好相反,利用行星在飞船后方的引力,使飞船向后被行星“拽”住。 

  聪明如你者,肯定又想到了一个话题:能量守恒。 

  飞船的加速减速,都需要能量,那这些能量从哪里来的? 

  答案是:行星提供的。 

  飞行器每利用一次引力弹弓,行星公转速度都会减慢一丢丢。万有引力,飞船也在反方向吸引着行星嘛。 

  啊?那行星会不会被飞船们拽停呢?不会,因为飞船太轻,相比行星而言质量很小很小,行星损失的公转速度几乎可以忽略不计。 

  除非N年后人类的飞行器太多,累积质量多到足以影响行星公转……那么,在木星上的“引力弹弓加油站”会不会就要收费了,天啊,那得是多赚钱的一门生意……打住,想多了。 

  引力弹弓,不神秘,很简单,基本原理都在初中物理课本中。人类在大航海时代的前夜,飞行器往往还需要借助行星引力,希望有一天我们的航天器自身动力能够强劲到无需引力弹弓,自力更生,嗨嗨皮皮地直奔星辰大海而去。 

本文来自:中国数字科技馆
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