還記得去年八月開啟“奔日”旅程的“帕克”太陽探測器嗎？它正跋涉在逐步靠近太陽的旅途上。按照計劃，它已于近日抵達第二個軌道近日點。而在整個飛行過程中，它將7次利用金星的引力彈弓作用，一次次靠近太陽，直至“觸摸”太陽。
雖然“帕克號”遙不可及，但引力彈弓對人們已不是個陌生詞匯。在電影《流浪地球》中，人類將地球送出太陽系的過程中便用到了木星的引力彈弓效應。隨著電影的熱映，引力彈弓已然成為觀眾最為關注的“硬核”科技之一。
那么，出現在深空探測實踐和科幻電影中引力彈弓到底是什么？什么情況下才需要借助引力彈弓完成任務呢？
推進系統“差勁” 玩轉引力才行
“所謂引力彈弓就是航天器在飛行過程中有意靠近行星等天體，借用天體引力改變航天器的速度大小和方向，從而有目的地改變航天器的運行軌道。”清華大學航天航空學院航天動力學與控制實驗室副教授龔勝平說，引力彈弓只是一個比較形象的“昵稱”。執(zhí)行深空探測任務的航天器往往先要大幅加速才能飛出地球引力空間，又要大幅減速才能被目標天體捕獲，飛行途中還要多次進行軌道修正，整個過程耗費大量燃料。如果任務的能量需求超出航天器推進系統能力，往往就要借助引力彈弓來給航天器“加把勁兒”。
“事實上，宇宙中天體的運行軌道被其他天體引力改變是常見的天文現象，原理就是牛頓第二定律和開普勒運動定律。”中國科學院國家天文臺平勁松研究員在接受科技日報記者采訪時表示，比如火星的兩個衛(wèi)星——火衛(wèi)一和火衛(wèi)二，關于其來源的一種猜測就是它們是被火星引力捕獲的小行星。再比如太陽系中的彗星，其運行軌道的焦點應該是太陽系的平均質心，但太陽引力會對距離較近的彗星造成擾動，使其偏離理論軌道。此外，我們經常在新聞中看到，有小行星與地球擦肩而過，險些撞擊地球，這些小行星的運行軌道往往也會因地球引力而改變。也就是說，宇宙中本身就存在引力彈弓效應。
“引力彈弓不僅能實現電影中的加速作用，也能使航天器減速。”龔勝平介紹，美國國家航空航天局（NASA）在1977年開始的“壯麗旅程”計劃就利用了引力彈弓的加速作用，旨在將航天器送出太陽系。其中“旅行者1號”只經過木星和土星的兩次加速就達到了太陽系逃逸速度，“旅行者2號”更是利用了木星、土星、天王星、海王星的四次加速。1974年美國發(fā)射的人類歷史上首個水星探測器“水手10號”則通過飛越金星減速，實現靠近水星的目的。
引力彈弓究竟是怎樣實現加減速的？南京航空航天大學航天學院副研究員楊洪偉表示，如果航天器從行星運動方向的前側飛越，那么行星的引力就會把航天器向后拽，這樣的引力彈弓效果就是減速。
“引力彈弓在改變航天器速度大小的同時，也改變其速度方向，這能夠幫助人類完成一些特殊任務。”龔勝平談到，比如1990年歐洲太空局（下稱歐空局）和NASA聯合研制的“尤利西斯號”航天器的目標是太陽極地觀測，其環(huán)日軌道面和地球公轉的黃道面幾乎垂直。“尤利西斯號”飛行過程中受到木星的拽拉，使軌道向上彎曲，成功被甩入環(huán)太陽極地軌道。
任務愈發(fā)復雜 應用領域多樣
“隨著深空探測任務要求越來越高，引力彈弓的方案也日益復雜。”龔勝平說道，當時“水手10號”的目標只是飛越水星，后來為了更全面地探測水星，各國開始發(fā)展能夠長期圍繞水星工作的衛(wèi)星，這要求探測器在到達水星附近時的速度更低，以被其捕獲，
這需要更多次借助引力彈弓減速。2004年NASA發(fā)射的“信使號”水星探測器先后1次飛越地球、2次飛越金星、3次飛越水星減速；2018年10月發(fā)射的由歐空局和日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）聯合研制的“比皮·科倫坡”水星探測器更是計劃通過飛越1次地球、2次金星、6次水星才進入環(huán)水星軌道。
龔勝平稱，航天器利用同一天體多次加速或減速，需要二者能夠多次相遇，軌道設計難度大大增加。這種方式被稱作“共振借力”，已成為引力彈弓領域的研究重點之一。
除了任務越來越復雜，引力彈弓的潛在應用領域也越來越廣。楊洪偉補充道，2005年歐空局承辦第一屆國際空間軌道設計競賽，競賽題目是“拯救地球”，即設計攔截器空間飛行軌道使其以最大的相對動量撞擊目標小行星。NASA噴氣推進實驗室（JPL）最終摘得冠軍。JPL提出的方案正是通過木星和土星的強大引力彈弓效應克服攔截器繞太陽公轉的“順行”速度，使其軌道相對小行星“逆行”，從而與目標“迎頭相撞”。2012年JPL承辦第六屆國際空間軌道競賽，競賽題目是利用引力彈弓效應使探測器連續(xù)飛越木星的四個衛(wèi)星，并力爭實現對衛(wèi)星表面區(qū)域的全覆蓋。
楊洪偉表示，引力彈弓的應用已經從競賽概念走進了現實任務。NASA準備在2023年發(fā)射的“歐羅巴快帆”（Europa Clipper）探測器正是計劃通過連續(xù)飛越木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四實現對木衛(wèi)二的45次飛越探測。
設計實施不易 時間成本高昂
“引力彈弓已經有多次成功應用，整體來看技術比較成熟，但實施起來也并非輕而易舉。”龔勝平表示，其中最關鍵的就是深空自主導航、控制技術。此外，深空測控、定軌對航天測控基礎設施的要求比較高，需要全球布設測控網絡，甚至還要發(fā)射天基測控衛(wèi)星。
楊洪偉解釋道，引力彈弓實施時距離地球很遠，比如地球到木星的距離是地球到太陽距離的4倍多，地面與航天器直接通訊延遲嚴重，需要航天器自主實施導航和控制。引力彈弓產生的速度變化量很大，航天器進入行星引力區(qū)域的位置、速度大小、速度方向等條件稍有偏差就可能會導致實際飛行軌道大幅度偏離預定軌道，這要求航天器必須“控得準”。另外，提供借力的行星的引力情況具有一定的未知性，也會帶來不利影響。
楊洪偉告訴記者，1980年，“旅行者1號”在完成對土星的探測后，發(fā)現土衛(wèi)六有濃密的大氣層。于是JPL操控“旅行者1號”去飛越土衛(wèi)六進行觀測，但土衛(wèi)六將“旅行者1號”直接甩出了黃道面，使其無法再繼續(xù)探測天王星和海王星。“旅行者1號”的行星探測計劃提前終止。這一事件表明，實施引力彈弓還是有一定風險的。
“如果行星有大氣，‘借力’的風險會更高。”龔勝平認為，如果航天器進入行星大氣層，大氣阻力過大，軌道和姿態(tài)控制都會比較困難，稍有偏差就會直接撞向行星，使飛行任務完全失敗。
“所以，實施引力彈弓往往會預設安全距離。”楊洪偉介紹，對于有大氣的類地行星，如金星、火星等，飛越軌道高度控制在300公里以上。木星的磁場很強，飛越高度要求更是其半徑的5倍以上。另外，引力彈弓在軌道設計上也有難題，特別是需要飛越多個行星的復雜任務。先飛越誰、后飛越誰、每個行星飛越幾次，潛在的可行飛越序列有很多種，不同探測目標的最優(yōu)序列也不同，這要求很強的軌道優(yōu)化設計能力。
“引力彈弓能夠幫助人類完成原來難以實現的深空探測任務，但也并非沒有缺點，其最大的問題就是時間成本高昂。”龔勝平強調，這是由于行星都在運動之中，航天器要想與其相逢往往需要在軌道上“空轉”等待。例如航天器直接飛往水星只要四五個月，但采用引力彈弓的“信使號”足足飛了6年半，“比皮·科倫坡”更是需要7年，多出來的時間都用在了“漫長的等待”上。（記者 胡定坤）