宇宙航行的免费技巧借助引力程玉文

　　当你从电视上观看火箭发射场景时，你一定会被其中的强大力量所折服。然而，＂卡西尼＂飞船（见养布偶的:2021年9月13－15日转发至＂今日头条＂的《生命溯源到外星——＂卡西尼＂探测任务 陈羽/文）轨道的设计师们深知，现代火箭技术其实相当有限。举例而言，如果想让飞船直接往土星飞，那么它必须被以每秒10千米的高速抛向深空！发射＂卡西尼＂的＂泰坦4型＂推进器确能把＂卡西尼＂从地球抛向太空，不过，速度只能达到每秒大约4千米。这样，任何才能去土星呢？答案就是借助引力。简单地说，借助引力就是利用其他行星的引力来完成为飞船加速的工作。飞船速度大大增加后，最终就能飞抵土星。
　　20世纪60年代早期，在美国航空航天局喷气推进实验室实习的大学生迈可·米诺维奇首先提出了＂借助引力＂这一绝妙的技术概念。天文学家们早就注意到，彗星会因为与行星相遇而使自己的轨道发生改变。不过，米诺维奇是第一个意识到这一原理可被用于宇宙飞船航行轨道的人。
　　米诺维奇的创意无疑是伟大的。在借助引力技术开发之前，行星探测飞船只能飞至金星、火星和木星。如果不想花数十年的时间，大小适当的飞船是不可能抵达其他行星的。但是，通过借助引力，想到哪个行星都有可能。飞船所需的惟一能源就是飞往第一个行星所需的能源；此后，无论往哪个行星飞，或多或少都是＂免费＂的。因此，借助引力已成为当今星际航行中广泛使用的十分重要的关键技术。
　　那么，究竟如何借助引力呢？请看下面的图。
　　＂卡西尼＂飞船的星际航行计划
　　在图中的位置4，飞船从金星的背后飞过。金星的引力当然会拖拉飞船。不过，飞船也有引力，它同样会以极小的力拉动金星，这就使金星失去一小部分自己在太阳轨道中的能量，而飞船却得到了相同的能量。对质量大的金星而言，失去很少的能量只会使金星的速度发生非常轻微的改变；同样的能量加在小小的飞船上，却可导致速度大大改变。
　　图中的弧延伸出来，经过火星的轨道（火星轨道图中未标注）。
　　试想一个乒乓球撞击旋转的电风扇的扇叶时，扇叶具有很大的角动量（就如同围绕太阳转动的行星也有很大动量）。当乒乓球击中扇叶时，只会使扇叶运转速度减慢很少量，而乒乓球却从相遇中获得了很高的速度。飞船借助行星引力的原理与此相似，只不过乒乓球与扇叶的关联是机械性质的，而飞船与行星之间是相互的引力作用所致。
　　1999年6月，飞船飞过火星。1999年8月，飞船前往位置5。在这里，飞船从地球围绕太阳公转的轨道中＂盗取＂能量，地球还令飞船轨道扭曲而＂直＂指土星。接下来飞船将飞过木星，目的仅仅是让飞船再次加速，以此减少飞船飞至土星的时间。
　　在牛顿的传统力学中，借助引力有着扎实的理论根基。然而对一般人而言，借助引力似乎又自相矛盾。有人问:＂设想某人骑自行车从山头沿路下至山谷中，然后骑出山谷。当然，这里假设山谷周围的所有山头都一样高。在接近谷底的过程中，车速不断加快，这是由于车子从引力拖拉中获取了动量。但是，同样不可置疑的是，这一动量在返回山头的过程中会全部都失去。当骑车者抵达另一边的山头时，速度自然慢了下来。在这种情况下，引力对星际航行又有何用呢？＂