科技日?qǐng)?bào)2019年4月25日訊 還記得去年八月開啟“奔日”旅程的“帕克”太陽(yáng)探測(cè)器嗎？它正跋涉在逐步靠近太陽(yáng)的旅途上。按照計(jì)劃，它已于近日抵達(dá)第二個(gè)軌道近日點(diǎn)。而在整個(gè)飛行過(guò)程中，它將7次利用金星的引力彈弓作用，一次次靠近太陽(yáng)，直至“觸摸”太陽(yáng)。
雖然“帕克號(hào)”遙不可及，但引力彈弓對(duì)人們已不是個(gè)陌生詞匯。在電影《流浪地球》中，人類將地球送出太陽(yáng)系的過(guò)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(cè)實(shí)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(jìn)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(guò)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(yùn)行軌道。”清華大學(xué)航天航空學(xué)院航天動(dòng)力學(xué)與控制實(shí)驗(yàn)室副教授龔勝平說(shuō)，引力彈弓只是一個(gè)比較形象的“昵稱”。執(zhí)行深空探測(cè)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(jìn)行軌道修正，整個(gè)過(guò)程耗費(fèi)大量燃料。如果任務(wù)的能量需求超出航天器推進(jìn)系統(tǒng)能力，往往就要借助引力彈弓來(lái)給航天器“加把勁兒”。
“事實(shí)上，宇宙中天體的運(yùn)行軌道被其他天體引力改變是常見(jiàn)的天文現(xiàn)象，原理就是牛頓第二定律和開普勒運(yùn)動(dòng)定律。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)平勁松研究員在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，比如火星的兩個(gè)衛(wèi)星——火衛(wèi)一和火衛(wèi)二，關(guān)于其來(lái)源的一種猜測(cè)就是它們是被火星引力捕獲的小行星。再比如太陽(yáng)系中的彗星，其運(yùn)行軌道的焦點(diǎn)應(yīng)該是太陽(yáng)系的平均質(zhì)心，但太陽(yáng)引力會(huì)對(duì)距離較近的彗星造成擾動(dòng)，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(guò)，險(xiǎn)些撞擊地球，這些小行星的運(yùn)行軌道往往也會(huì)因地球引力而改變。也就是說(shuō)，宇宙中本身就存在引力彈弓效應(yīng)。
“引力彈弓不僅能實(shí)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(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在1977年開始的“壯麗旅程”計(jì)劃就利用了引力彈弓的加速作用，旨在將航天器送出太陽(yáng)系。其中“旅行者1號(hào)”只經(jīng)過(guò)木星和土星的兩次加速就達(dá)到了太陽(yáng)系逃逸速度，“旅行者2號(hào)”更是利用了木星、土星、天王星、海王星的四次加速。1974年美國(guó)發(fā)射的人類歷史上首個(gè)水星探測(cè)器“水手10號(hào)”則通過(guò)飛越金星減速，實(shí)現(xiàn)靠近水星的目的。
引力彈弓究竟是怎樣實(shí)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(yùn)動(dòng)方向的前側(cè)飛越，那么行星的引力就會(huì)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(shí)，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(hào)”航天器的目標(biāo)是太陽(yáng)極地觀測(cè)，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(hào)”飛行過(guò)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(yáng)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(cè)任務(wù)要求越來(lái)越高，引力彈弓的方案也日益復(fù)雜。”龔勝平說(shuō)道，當(dāng)時(shí)“水手10號(hào)”的目標(biāo)只是飛越水星，后來(lái)為了更全面地探測(cè)水星，各國(guó)開始發(fā)展能夠長(zhǎng)期圍繞水星工作的衛(wèi)星，這要求探測(cè)器在到達(dá)水星附近時(shí)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(hào)”水星探測(cè)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(jī)構(gòu)（JAXA）聯(lián)合研制的“比皮·科倫坡”水星探測(cè)器更是計(jì)劃通過(guò)飛越1次地球、2次金星、6次水星才進(jìn)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(jì)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(diǎn)之一。
除了任務(wù)越來(lái)越復(fù)雜，引力彈弓的潛在應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣。楊洪偉補(bǔ)充道，2005年歐空局承辦第一屆國(guó)際空間軌道設(shè)計(jì)競(jìng)賽，競(jìng)賽題目是“拯救地球”，即設(shè)計(jì)攔截器空間飛行軌道使其以最大的相對(duì)動(dòng)量撞擊目標(biāo)小行星。NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）最終摘得冠軍。JPL提出的方案正是通過(guò)木星和土星的強(qiáng)大引力彈弓效應(yīng)克服攔截器繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的“順行”速度，使其軌道相對(duì)小行星“逆行”，從而與目標(biāo)“迎頭相撞”。2012年JPL承辦第六屆國(guó)際空間軌道競(jìng)賽，競(jìng)賽題目是利用引力彈弓效應(yīng)使探測(cè)器連續(xù)飛越木星的四個(gè)衛(wèi)星，并力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìng)賽概念走進(jìn)了現(xiàn)實(shí)任務(wù)。NASA準(zhǔn)備在2023年發(fā)射的“歐羅巴快帆”（Europa Clipper）探測(cè)器正是計(jì)劃通過(guò)連續(xù)飛越木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四實(shí)現(xiàn)對(duì)木衛(wèi)二的45次飛越探測(cè)。
設(shè)計(jì)實(shí)施不易時(shí)間成本高昂
“引力彈弓已經(jīng)有多次成功應(yīng)用，整體來(lái)看技術(shù)比較成熟，但實(shí)施起來(lái)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(cè)控、定軌對(duì)航天測(cè)控基礎(chǔ)設(shè)施的要求比較高，需要全球布設(shè)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，甚至還要發(fā)射天基測(cè)控衛(wèi)星。
楊洪偉解釋道，引力彈弓實(shí)施時(shí)距離地球很遠(yuǎn)，比如地球到木星的距離是地球到太陽(yáng)距離的4倍多，地面與航天器直接通訊延遲嚴(yán)重，需要航天器自主實(shí)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(jìn)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(huì)導(dǎo)致實(shí)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(zhǔn)”。另外，提供借力的行星的引力情況具有一定的未知性，也會(huì)帶來(lái)不利影響。
楊洪偉告訴記者，1980年，“旅行者1號(hào)”在完成對(duì)土星的探測(cè)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(hào)”去飛越土衛(wèi)六進(jìn)行觀測(cè)，但土衛(wèi)六將“旅行者1號(hào)”直接甩出了黃道面，使其無(wú)法再繼續(xù)探測(cè)天王星和海王星。“旅行者1號(hào)”的行星探測(cè)計(jì)劃提前終止。這一事件表明，實(shí)施引力彈弓還是有一定風(fēng)險(xiǎn)的。
“如果行星有大氣，‘借力’的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)更高。”龔勝平認(rèn)為，如果航天器進(jìn)入行星大氣層，大氣阻力過(guò)大，軌道和姿態(tài)控制都會(huì)比較困難，稍有偏差就會(huì)直接撞向行星，使飛行任務(wù)完全失敗。
“所以，實(shí)施引力彈弓往往會(huì)預(yù)設(shè)安全距離。”楊洪偉介紹，對(duì)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(chǎng)很強(qiáng)，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(jì)上也有難題，特別是需要飛越多個(gè)行星的復(fù)雜任務(wù)。先飛越誰(shuí)、后飛越誰(shuí)、每個(gè)行星飛越幾次，潛在的可行飛越序列有很多種，不同探測(cè)目標(biāo)的最優(yōu)序列也不同，這要求很強(qiáng)的軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)能力。
“引力彈弓能夠幫助人類完成原來(lái)難以實(shí)現(xiàn)的深空探測(cè)任務(wù)，但也并非沒(méi)有缺點(diǎn)，其最大的問(wèn)題就是時(shí)間成本高昂。”龔勝平強(qiáng)調(diào)，這是由于行星都在運(yùn)動(dòng)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(gè)月，但采用引力彈弓的“信使號(hào)”足足飛了6年半，“比皮·科倫坡”更是需要7年，多出來(lái)的時(shí)間都用在了“漫長(zhǎng)的等待”上。（記者胡定坤）