引力助推：用于加速和减速宇宙探测器的引力弹弓效应

2023-11-05 理论教育版权反馈

【摘要】：答案是可以的，这就是著名的“引力助推”效应。所以，每当我们发射探测器，只要有利用引力弹弓效应的机会，就一定不会放过。不过，你不要以为引力弹弓效应只是用来加速宇宙探测器的，其实，引力弹弓效应也可以用来给宇宙探测器减速。1973年，NASA发射的“水手10号”水星探测器，就是历史上第一个利用引力弹弓效应到达另一颗行星的探测器。但是，它并没有直接飞向土星，而是先飞向金星，利用了一次金星的引力弹弓效应。

万有引力这个现象给了科学家们一个启发，能不能利用星球的万有引力给太空飞行器加速呢？答案是可以的，这就是著名的“引力助推”效应。还记得我们上一章说过的“新视野号”探测器吗？在它飞往冥王星的途中，恰好会经过木星。当“新视野号”靠近木星的时候，它就像是那个链球，而木星就像是链球运动员。“新视野号”会被木星强大的万有引力吸住，就好像是运动员抓住了链球，万有引力就相当于运动员手中的链子。“新视野号”被木星吸住之后，只转了不到半圈就被抛出去了。从远处看过去，就好像“新视野号”被撞飞了一样，速度也会因此增加很多。感觉是不是很像打弹弓呢？所以，引力助推效应还有一个更常见的名称—引力弹弓。

还有一个更形象的比喻来帮助你理解引力弹弓效应，你可以把木星想象成一列火车，它在围绕着太阳的轨道上高速行驶着，而“新视野号”则像是一颗小小的玻璃球，当它和木星相遇的时候，就会被火车巨大的动量给撞飞。当然，科学家们有办法让它们不发生真实的碰撞而弹开。

“新视野号”离开木星后，速度增加了，说明它的能量也增加了，这些额外增加的能量就是从木星身上偷来的。那这样一来，木星的运行速度岂不是要降低了吗？没错，木星的运动速度确实会降低那么一丁点儿，不过降低的这一点儿就好像是从大海中取走一杯水，完全可以忽略不计。

如果把木星想象成一列火车，它在围绕太阳高速转动，而“新视野号”则像是一颗小小的玻璃球，当它和木星相遇的时候，就会被火车巨大的动量给撞飞出去，这种现象就是引力弹弓效应

利用引力弹弓效应给探测器加速的方法非常有效，只需要一点点燃料就可以把探测器提高到很快的速度。所以，每当我们发射探测器，只要有利用引力弹弓效应的机会，就一定不会放过。

不过，你不要以为引力弹弓效应只是用来加速宇宙探测器的，其实，引力弹弓效应也可以用来给宇宙探测器减速。这就好像链球运动员接住了甩过来的链球，但是并没有用更大的力气甩出去，而是拽着链球把它拖慢一点儿再甩出去。

1973年，NASA发射的“水手10号”水星探测器，就是历史上第一个利用引力弹弓效应到达另一颗行星的探测器。它先是从地球飞向了距离地球最近的金星，绕着金星转了两圈之后，火箭引擎再次点火，变轨飞向了水星。

引力弹弓效应也可以用来给宇宙探测器减速。这就好像链球运动员接住了甩过来的链球，拽着链球把它拖慢一点儿再甩出去

从地球上看过去，就好像是金星接住了“水手10号”，甩了两圈后，准确地抛向了水星，非常有趣(www.chuimin.cn)

有时候，科学家们为了尽可能地利用引力弹弓效应，不惜让探测器多绕几个弯之后再飞向目的地。有一个非常经典的例子就是1997年发射的“卡西尼号”探测器，它的最终目的地是土星。但是，它并没有直接飞向土星，而是先飞向金星，利用了一次金星的引力弹弓效应。但是还没完，“卡西尼号”还是没有着急飞向土星，而是绕着太阳转了一圈后，再次与金星相遇，第二次利用金星的引力弹弓效应把自己甩向地球，再利用地球的引力弹弓效应把自己甩向木星，再利用木星的引力弹弓效应，最终把自己送到了飞向土星的轨道上。因此，“卡西尼号”的飞行路线极其复杂。

“卡西尼号”的飞行路线

每一次变轨飞行，都必须在非常精确的时间点上启动引擎，一丝一毫都不能错。这些复杂、精确的计算全都是靠着牛顿的万有引力公式完成的。如果人类没有找到万有引力定律，那么我们今天也不可能让探测器准确地飞向外星球。

本章，我给你们讲了牛顿的故事，最重要的是想告诉你们：科学总是在不断地进步，后人总是能站在前人的肩膀上，从而看得更远。

科学家思考的过程比思考的结果更重要，如果你也想成为科学家，就要学习牛顿的探索精神，从一些最基本的自然现象开始，一点儿一点儿地深入思考这些自然现象背后的规律。

牛顿提出了万有引力定律，可是他万万没有想到，在万有引力之中还蕴含着有关宇宙的惊天大秘密，这是他去世190年后的事情了，这又是怎么一回事呢？

思考题

宇宙探测器在太空中飞行的时候，走的是一条直线，还是一条弧线？为什么？

引力助推：用于加速和减速宇宙探测器的引力弹弓效应

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