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                    燃料不夠?用彈弓把飛船崩出去!——《火星救援》里的引力彈弓效應

                    來源:中國數字科技館

                      文:東方曉燦 

                      火星,我們的鄰居,太陽系內和地球最像的行星。2020年7月23號,中國首次火星探測任務“天問一號”探測器升空。到8月底,已累計飛行1億公里,而當到達火星時,“天問一號”將距離地球約1.95億公里,實際飛行路程約4.7億公里。 

                      不僅是火星,人類有一天總會移民更多的星球,探測、登陸、定居…… 

                      飛向異星球的路遙遠無比,燃料是個大問題。有沒有什么省油的小妙招呢? 

                      我們的故事從學霸小黑開始講起。他從小就心心念念要探索宇宙,征服星辰大海。長大后終于得償所愿,進入NASA做了一名航天工程師。 

                      NASA的探火任務突遭意外,有個宇航員被孤零零丟在火星上,必須救他回來??善渌瑔T乘坐的赫爾墨斯號已經從火星升空,正在返航地球途中,燃料不足以支撐這樣來回折騰。更倒霉的是,從地球上發射的載有給養的救援飛船起飛后不久就爆炸了…… 

                      炸了…… 

                      了…… 

                      孤獨的宇航員坐在赭紅色的地平線上,望著遠方的故鄉,地球。比死亡更恐怖的是一步步滑向死亡深淵時的無力和絕望。 

                      救,必須救。 

                      NASA全員開始努力尋找解救方案,小黑也再次開啟了不眠不休模式。 

                      怎么救? 

                      現在火星和地球被長達幾千萬公里的宇宙空間所阻隔,救援談何容易。 

                      突然有一天,小黑靈機一動——用地球當“彈弓”,把現在正奔向地球的赫爾墨斯號再給“崩”回去! 

                      于是就有了如下的名場面: 

                      方案很簡單——算好赫爾墨斯號的軌道,以精確的角度進入地球引力范圍,飛船利用引力獲得加速,在正好繞了半圈后,飛船就可以“甩”向火星方向實施救援。 

                      做個形象的比喻:地球像是一個大力士,接過赫爾墨斯號這顆飛來的“鉛球”,順勢轉身半圈,把鉛球用更大的速度拋了回去。 

                      在場的所有人都聽明白了,是個可行的方案。于是,小黑獲得局長大人的盛贊:“OK,滾出去吧?!?o:p> 

                      這就是迄今為止真實感最強的近未來科幻電影《火星救援》,改編自安迪·威爾的同名小說。順便提一句,原著作者是暴雪公司的程序員,對,就是《魔獸》那個暴雪。為了寫這部小說,威爾自學了植物學、軌道動力學、火星概況等。 

                      我們要探究的是:“引力彈弓”到底是個什么東西?如何實現的? 

                      引力彈弓一詞,近些年來在科幻作品中高頻出現。甚至有些網文會出現“XX的飛船失控,在星際間被各行星的引力彈弓彈來彈去……”,這是個巨大的謬誤,飛行器想要利用引力彈弓效應獲得加速,需要極其精確的軌道計算。 

                      問:用好引力彈弓,攏共分幾步? 

                      答:分三步。 

                      以赫爾墨斯號為例。 

                      第一步:飛船接近地球時,地球引力開始“吸”著飛船加速。 

                      飛船滿心歡喜撲向地球的懷抱,飛呀飛,不用踩油門,速度還越來越快,好high喲。不難理解,此時的飛船類似墜落狀態。 

                      第二步:同時,地球正在從圖右位置向左側公轉。 

                      飛船飛著飛著發現:咦,地球呢?腫么不見了?腫么引力感越來越弱呢?答案很簡單:地球跑了。 

                      第三步,地球離飛船越來越遠,終于,明顯的引力加速度消失了。但此刻飛船已經處在更高速度上。 

                      可以看出,要用好引力彈弓效應實現加速,飛船軌道計算必須極其精準。遠不是網文想象的那么容易,稍有不慎,飛船就會體驗“彈弓崩到自己臉上的100種死法”。 

                      離行星太近,直接墜毀,撞死…… 

                      離行星太遠,使不上勁,跑偏了,餓死…… 

                      人類航天史上對這一效應利用最充分、最著名的實例莫過于旅行者1號、2號。 

                    旅行者1號探測器實物圖

                    旅行者引力彈弓圖

                      1977年,太陽系的4顆行星木星、土星、天王星、海王星出現了巧妙的幾何排列,以人類制造的航天器速度,正好可以依次飛掠這4顆行星。這種排列下一次再出現時,要等到176年后,于是,旅行者探測器發生升空。 

                      如上圖,旅行者1號和2號分別利用了不同行星的引力彈弓,不斷獲得新的加速。例如旅行者2號在接近土星時,因為太陽引力的原因,速度已經降到了16KM/S,但離開土星時,速度陡增到34KM/S。 

                      土星加油站今日免費大放送!有木有! 

                      星際航行中,加速是個難題,減速也是?!度w》中三體第一艦隊來侵略地球時,有近一半的燃料用于減速。 

                      聰明如你者,一定想到了引力彈弓的另一種用法——減速。 

                      和加速正好相反,利用行星在飛船后方的引力,使飛船向后被行星“拽”住。 

                      聰明如你者,肯定又想到了一個話題:能量守恒。 

                      飛船的加速減速,都需要能量,那這些能量從哪里來的? 

                      答案是:行星提供的。 

                      飛行器每利用一次引力彈弓,行星公轉速度都會減慢一丟丟。萬有引力,飛船也在反方向吸引著行星嘛。 

                      ???那行星會不會被飛船們拽停呢?不會,因為飛船太輕,相比行星而言質量很小很小,行星損失的公轉速度幾乎可以忽略不計。 

                      除非N年后人類的飛行器太多,累積質量多到足以影響行星公轉……那么,在木星上的“引力彈弓加油站”會不會就要收費了,天啊,那得是多賺錢的一門生意……打住,想多了。 

                      引力彈弓,不神秘,很簡單,基本原理都在初中物理課本中。人類在大航海時代的前夜,飛行器往往還需要借助行星引力,希望有一天我們的航天器自身動力能夠強勁到無需引力彈弓,自力更生,嗨嗨皮皮地直奔星辰大海而去。 

                    本文來自:中國數字科技館
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