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(yīng)。隨著電影的熱映，引力彈弓已然成為觀眾最為關(guān)注的“硬核”科技之一。
那么，出現(xiàn)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(wù)呢？
推進系統(tǒng)“差勁” 玩轉(zhuǎn)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(xué)航天航空學(xué)院航天動力學(xué)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(wù)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(biāo)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(wù)的能量需求超出航天器推進系統(tǒng)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(xiàn)象，原理就是牛頓第二定律和開普勒運動定律。”中國科學(xué)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(guān)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(yīng)該是太陽系的平均質(zhì)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(jīng)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(yīng)。
“引力彈弓不僅能實現(xiàn)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(jīng)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(xiàn)靠近水星的目的。
引力彈弓究竟是怎樣實現(xiàn)加減速的？南京航空航天大學(xué)航天學(xué)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(cè)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(wù)。”龔勝平談到，比如1990年歐洲太空局（下稱歐空局）和NASA聯(lián)合研制的“尤利西斯號”航天器的目標(biāo)是太陽極地觀測，其環(huán)日軌道面和地球公轉(zhuǎn)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(wù)愈發(fā)復(fù)雜 應(yīng)用領(lǐng)域多樣
“隨著深空探測任務(wù)要求越來越高，引力彈弓的方案也日益復(fù)雜。”龔勝平說道，當(dāng)時“水手10號”的目標(biāo)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(gòu)（JAXA）聯(lián)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(shè)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(lǐng)域的研究重點之一。
除了任務(wù)越來越復(fù)雜，引力彈弓的潛在應(yīng)用領(lǐng)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(shè)計競賽，競賽題目是“拯救地球”，即設(shè)計攔截器空間飛行軌道使其以最大的相對動量撞擊目標(biāo)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(yīng)克服攔截器繞太陽公轉(zhuǎn)的“順行”速度，使其軌道相對小行星“逆行”，從而與目標(biāo)“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(yīng)使探測器連續(xù)飛越木星的四個衛(wèi)星，并力爭實現(xiàn)對衛(wèi)星表面區(qū)域的全覆蓋。
楊洪偉表示，引力彈弓的應(yīng)用已經(jīng)從競賽概念走進了現(xiàn)實任務(wù)。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(xiàn)對木衛(wèi)二的45次飛越探測。
設(shè)計實施不易 時間成本高昂
“引力彈弓已經(jīng)有多次成功應(yīng)用，整體來看技術(shù)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(guān)鍵的就是深空自主導(dǎo)航、控制技術(shù)。此外，深空測控、定軌對航天測控基礎(chǔ)設(shè)施的要求比較高，需要全球布設(shè)測控網(wǎng)絡(luò)，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(dǎo)航和控制。引力彈弓產(chǎn)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(dǎo)致實際飛行軌道大幅度偏離預(yù)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(xiàn)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(fēng)險的。
“如果行星有大氣，‘借力’的風(fēng)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(wù)完全失敗。
“所以，實施引力彈弓往往會預(yù)設(shè)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(shè)計上也有難題，特別是需要飛越多個行星的復(fù)雜任務(wù)。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(biāo)的最優(yōu)序列也不同，這要求很強的軌道優(yōu)化設(shè)計能力。
“引力彈弓能夠幫助人類完成原來難以實現(xiàn)的深空探測任務(wù)，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(diào)，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(zhuǎn)”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）