引力彈弓——讓人類(lèi)實(shí)現(xiàn)飛天夢(mèng)

（圖源: 基里爾·庫(kù)德里亞夫采夫攝/法新社/蓋蒂圖片社）

什么是引力助推原理或稱(chēng)之為引力彈弓？它的內(nèi)在運(yùn)作機(jī)制和規(guī)律是怎樣的？這一問(wèn)題最早出現(xiàn)在美國(guó)知識(shí)共享問(wèn)答網(wǎng)站Quora上，這個(gè)網(wǎng)站邀請(qǐng)了有很多專(zhuān)業(yè)人士為一些專(zhuān)業(yè)技術(shù)問(wèn)題提供令人信服的解答。

針對(duì)上一問(wèn)題，獲得物理學(xué)和哲學(xué)雙學(xué)位，其中物理學(xué)為博士學(xué)位的保羅·梅伍德，在Quora網(wǎng)上做出回答：引力彈弓通常被解釋為一個(gè)小型天體（如太空探測(cè)器）利用一個(gè)大型天體（如行星）的引力來(lái)加速自身。

（圖源: 網(wǎng)絡(luò)圖片，引力彈弓示意圖）

隨著科技發(fā)展，現(xiàn)在我們來(lái)看這個(gè)答案是錯(cuò)誤的（或者至少是并不完全準(zhǔn)確），我們很容易發(fā)現(xiàn)其中的問(wèn)題。引力勢(shì)是相對(duì)的，當(dāng)探測(cè)器落入大天體的引力井時(shí)，它能獲得動(dòng)能；但當(dāng)它離開(kāi)這一引力井時(shí)，它獲得的能量將丟失。這也就意味著，當(dāng)探測(cè)器飛離行星時(shí)其速度并不會(huì)增加。

那么，引力彈弓效應(yīng)是如何產(chǎn)生作用的呢？

事實(shí)上，引力彈弓是利用引力來(lái)獲取行星的一些動(dòng)量并將之轉(zhuǎn)移至自身，促使自身動(dòng)量增加、速度提升。因此，這種效應(yīng)也會(huì)相應(yīng)降低行星的動(dòng)量，引發(fā)行星速度的稍微減慢（因?yàn)樘綔y(cè)器的質(zhì)量相對(duì)行星非常渺小，所以這種減慢的速度微乎其微）。

（圖解：美國(guó)航天局黎明號(hào)引力彈弓軌道圖，地球-火星霍曼轉(zhuǎn)移軌道-火星引力彈弓加速-灶神星霍曼轉(zhuǎn)移軌道-灶神星捕獲及環(huán)繞軌道-灶神星引力彈弓加速-灶神星-谷神星霍曼轉(zhuǎn)移軌道-谷神星環(huán)繞軌道；圖源: NASA，我是科學(xué)家，鸑鷟鹓鶵漢化）

鑒于再怎么深入研究矢量圖也沒(méi)有實(shí)際實(shí)驗(yàn)來(lái)的直觀，我們來(lái)做一個(gè)較為類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)來(lái)幫助大家理解一下這個(gè)原理：

首先，讓一輛大卡車(chē)以60英里/小時(shí)的速度筆直的向你駛來(lái)；

其次，拿一些網(wǎng)球，向卡車(chē)正面扔過(guò)去；

然后，觀察網(wǎng)球向你彈回來(lái)的速度，如果你觀察的比較仔細(xì)，很容易可以看到這些球彈回來(lái)的速度遠(yuǎn)比你將它們?nèi)酉蚩ㄜ?chē)的速度快?？ㄜ?chē)為網(wǎng)球反向加速?gòu)椈靥峁┝藙?dòng)能，但因?yàn)閯?dòng)量是守恒的，所以每一個(gè)網(wǎng)球都使卡車(chē)稍微減速（盡管網(wǎng)球帶來(lái)的減速微乎其微，不被我們察覺(jué)）。

最后，別忘了在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候離開(kāi)卡車(chē)的前方，避免被撞。

反復(fù)重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，直到你完全理解動(dòng)力轉(zhuǎn)移加速帶來(lái)的效果，或被卡車(chē)撞倒。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)效果的內(nèi)在原理與引力彈弓非常類(lèi)似，只是將動(dòng)能從行星傳遞給太空探測(cè)器的不是像卡車(chē)碰撞網(wǎng)球一樣的接觸的力，而是行星對(duì)探測(cè)器的引力。

另外，在實(shí)際案例中，軌道力學(xué)并不像面對(duì)面的碰撞那樣簡(jiǎn)單的受力，整個(gè)運(yùn)作過(guò)程必須仔細(xì)研究計(jì)算。但通過(guò)引力彈弓的方式，特別是太空探測(cè)器連續(xù)對(duì)好幾個(gè)行星通過(guò)這種方式，可以獲得巨大的動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)速度飛躍式的提升。

最終造成的結(jié)果是，太空探測(cè)器獲取了極大的速度，飛向更廣闊的宇宙，留下了太陽(yáng)系內(nèi)只有在顯微鏡下才能勉強(qiáng)看出些微減速的行星們。

（圖解: 太空探測(cè)器太空飛行意向圖；圖源：網(wǎng)絡(luò)圖片）

空間研究是通過(guò)發(fā)展壯大空間科技來(lái)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)和探索地外空間的天體結(jié)構(gòu)。雖然空間研究主要是由天文學(xué)家們利用天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)進(jìn)行，但對(duì)地外空間的物理探索主要是通過(guò)無(wú)人空間探測(cè)器和人類(lèi)太空飛行來(lái)進(jìn)行。

雖然對(duì)地外空間的觀測(cè)研究，也即天文學(xué)，出現(xiàn)的遠(yuǎn)比人類(lèi)歷史記載的要早。但直至20世紀(jì)中期，大型運(yùn)載火箭技術(shù)的發(fā)展，才使人類(lèi)高效探索宇宙空間成為現(xiàn)實(shí)。探索太空可以推進(jìn)國(guó)家科技進(jìn)步、提高國(guó)家威望、促進(jìn)不同國(guó)家的溝通交流與團(tuán)結(jié)、為人類(lèi)未來(lái)走向太空延續(xù)文明增加籌碼，同時(shí)也有助于搶占軍事戰(zhàn)備制高點(diǎn)，在與其他國(guó)家的對(duì)抗中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。

（圖解: 國(guó)際空間站；圖源：NASA）

兩國(guó)之間太空探索的競(jìng)爭(zhēng)，通常代表著的地緣政治競(jìng)爭(zhēng)，譬如冷戰(zhàn)。早期蘇聯(lián)和美國(guó)的“太空競(jìng)賽”推動(dòng)了人類(lèi)太空探索的腳步。其標(biāo)志性事件為1957年10月4日蘇聯(lián)第一顆人造物體“人造衛(wèi)星1號(hào)”的發(fā)射和1969年7月20日美國(guó)阿波羅11號(hào)的首次登月。

蘇聯(lián)的太空探索工程在人類(lèi)太空史上樹(shù)立了多個(gè)里程碑，包括1957年第一個(gè)人造天體送上太空軌道；1961年第一次人類(lèi)太空飛行（尤里·加加林乘坐“沃斯托克1號(hào)”飛船）；1965年3月18日人類(lèi)第一次太空行走（阿列克謝·列昂諾夫）；1966年地球探測(cè)器第一次登陸另一個(gè)天體；1971年發(fā)射第一個(gè)宇宙空間站等。經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展后，太空探索逐漸從發(fā)射一次性飛行器轉(zhuǎn)變?yōu)榭裳h(huán)利用的飛行研究如航天飛機(jī)，同時(shí)從惡性競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)為國(guó)際空間站（ISS）的合作探索。

BY: Quora

FY: 君歸心

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