【流浪地球小科普】（六）引力弹弓

弹弓对于大部分人来说应该都不会感到陌生，甚至许多80后的男人小时候都有过自制弹弓玩耍的经历。用树木的枝叉制作，呈“丫”字形，上两头系上皮筋，皮筋中段系上一包裹小石子的皮块，食指和拇指捏住的同时拉紧橡皮筋，突然一放松，小石子嗖地飞向目标。威力视乎皮筋的拉力，皮筋拉力越大，弹弓的威力也越大。

那么，“引力弹弓”是个什么东西呢？

在电影《流浪地球》中，地球为了逃离太阳系，设定了一个飞往木星的冒险轨道，由此引发了一系列危机，上演了惊心动魄的故事。这种冒险的原因是为了利用木星给地球加速。这种加速的方式俗称引力弹弓（gravitational slingshot）或者叫引力助推（gravity assist）。

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。

链球是田径比赛中的著名项目，比赛时选手运动员双手握住链一端的柄环，站在投掷圈后缘，经过预摆和3～4圈连续加速旋转及最后用力，将链球掷出。其实引力弹弓的原理在一定程度上与此类似。

由牛顿第二定律F=ma可知，当有力作用F在一个物体m上时，该物体m会获得相应的加速度a。在地球靠近木星时，由于木星对地球的万有引力吸引，木星便会给地球一个加速度，地球在行驶到合适的位置时，点燃发动机以特定的角度驶出木星的引力范围，就会获得一个额外的加速度，以达到飞离太阳系的目的。

地球要飞离太阳系，将依次经过火星、木星、土星、天王星和海王星的公转轨道，那为什么要选定木星做引力弹弓呢？

这是因为木星是太阳系八大行星中质量最大、自转最快的行星，它的质量是其他七颗行星总和的2.5倍，是地球的300多倍，体积更是达到了地球的1300多倍。用木星来做引力弹弓，会使地球获得更大的速度。

引力弹弓目前已经是一种非常成熟的航天技术，在现实中有着广泛的应用。人类第一次利用引力弹弓效应发生在1959年，当时苏联的月球3号探测器从月球南极后方飞过，借助月球的引力绕到月球背面并拍摄了人类第一幅月球背面的图像。这次的引力助推不但改变了探测器的飞行轨道平面，也少许增加了速度。

1977年，NASA著名的旅行者1号和旅行者2号发射升空，各携带带有人类信息的金唱片飞往宇宙深处。目前，旅行者1号和旅行者2号分别于2013年和2018年先后成为进入星际空间的人类探测器。这两枚探测器就充分利用过引力弹弓效应，旅行者1号在飞掠木星和土星时，利用了这两颗大行星进行了加速，然后才达到了太阳的逃逸速度。旅行者2号利用了木星、土星以及天王星的加速，但在接近海王星时，为了探测海王星的卫星”海卫一“，飞掠海王星的角度导致了相反的引力弹弓效应，速度下降了一些。导致最终速度旅行者1号比旅行者2号要快，首先进入星际空间。

携带地球名片的先驱者10号和11号探测器也利用过木星的引力弹弓效应进行加速。卡西尼-惠更斯土星探测器，也利用过地球、金星以及木星的引力弹弓效应。此外，还有黎明号探测器、尤利西斯探测器等等都利用过这种技术，简直不胜枚举。这里再强调一句，引力弹弓效应不但能够加速探测器，当然也可以减速探测器，诀窍在于飞掠行星的位置，这里就不展开说啦。最近的例子是2018年发射的帕克太阳探测器，该探测器就要利用金星的弹弓效应一次次逐渐降低轨道速度，逐渐靠近太阳。

引力弹弓既可用于加速飞行器，也能用于降低飞行器速度。例如电影《星际穿越》中，库珀为使“巡逻者”号飞船到达米勒星球，这就需要降速c/3，他采用的方案是利用一颗中子星进行引力弹弓减速。

这次的分享就到这里，下一次我们来聊聊洛希极限。

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【流浪地球小科普】（一）流浪的行星

【流浪地球小科普】（二）红巨星与氦闪

【流浪地球小科普】（三）宇宙速度

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【流浪地球小科普】（五）重核聚变

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