科技日報2019年4月25日訊 還記得去年八月開(kāi)啟“奔日”旅程的“帕克”太陽(yáng)探測器嗎？它正跋涉在逐步靠近太陽(yáng)的旅途上。按照計劃，它已于近日抵達第二個(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”遙不可及，但引力彈弓對人們已不是個(gè)陌生詞匯。在電影《流浪地球》中，人類(lèi)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。隨著(zhù)電影的熱映，引力彈弓已然成為觀(guān)眾最為關(guān)注的“硬核”科技之一。
那么，出現在深空探測實(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“差勁”玩轉引力才行
“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行軌道?！鼻迦A大學(xué)航天航空學(xué)院航天動(dòng)力學(xué)與控制實(shí)驗室副教授龔勝平說(shuō)，引力彈弓只是一個(gè)比較形象的“昵稱(chēng)”。執行深空探測任務(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)程耗費大量燃料。如果任務(wù)的能量需求超出航天器推進(jìn)系統能力，往往就要借助引力彈弓來(lái)給航天器“加把勁兒”。
“事實(shí)上，宇宙中天體的運行軌道被其他天體引力改變是常見(jiàn)的天文現象，原理就是牛頓第二定律和開(kāi)普勒運動(dòng)定律?！敝袊茖W(xué)院國家天文臺平勁松研究員在接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)表示，比如火星的兩個(gè)衛星——火衛一和火衛二，關(guān)于其來(lái)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(yáng)系中的彗星，其運行軌道的焦點(diǎn)應該是太陽(yáng)系的平均質(zhì)心，但太陽(yáng)引力會(huì )對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)，險些撞擊地球，這些小行星的運行軌道往往也會(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。
“引力彈弓不僅能實(shí)現電影中的加速作用，也能使航天器減速?！饼弰倨浇榻B，美國國家航空航天局（NASA）在1977年開(kāi)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(yáng)系。其中“旅行者1號”只經(jīng)過(guò)木星和土星的兩次加速就達到了太陽(yáng)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(lèi)歷史上首個(gè)水星探測器“水手10號”則通過(guò)飛越金星減速，實(shí)現靠近水星的目的。
引力彈弓究竟是怎樣實(shí)現加減速的？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(dòng)方向的前側飛越，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(lèi)完成一些特殊任務(wù)?！饼弰倨秸劦?，比如1990年歐洲太空局（下稱(chēng)歐空局）和NASA聯(lián)合研制的“尤利西斯號”航天器的目標是太陽(yáng)極地觀(guān)測，其環(huán)日軌道面和地球公轉的黃道面幾乎垂直?！坝壤魉固枴憋w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)復雜應用領(lǐng)域多樣
“隨著(zhù)深空探測任務(wù)要求越來(lái)越高，引力彈弓的方案也日益復雜?！饼弰倨秸f(shuō)道，當時(shí)“水手10號”的目標只是飛越水星，后來(lái)為了更全面地探測水星，各國開(kāi)始發(fā)展能夠長(cháng)期圍繞水星工作的衛星，這要求探測器在到達水星附近時(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”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(kāi)發(fā)機構（JAXA）聯(lián)合研制的“比皮·科倫坡”水星探測器更是計劃通過(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(chēng)，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(chēng)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)越復雜，引力彈弓的潛在應用領(lǐng)域也越來(lái)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(dòng)量撞擊目標小行星。NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗室（JPL）最終摘得冠軍。JPL提出的方案正是通過(guò)木星和土星的強大引力彈弓效應克服攔截器繞太陽(yáng)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飛越木星的四個(gè)衛星，并力爭實(shí)現對衛星表面區域的全覆蓋。
楊洪偉表示，引力彈弓的應用已經(jīng)從競賽概念走進(jìn)了現實(shí)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(guò)連續飛越木衛二、木衛三、木衛四實(shí)現對木衛二的45次飛越探測。
設計實(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?！饼弰倨奖硎?，其中最關(guān)鍵的就是深空自主導航、控制技術(shù)。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(wǎng)絡(luò )，甚至還要發(fā)射天基測控衛星。
楊洪偉解釋道，引力彈弓實(shí)施時(shí)距離地球很遠，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重，需要航天器自主實(shí)施導航和控制。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 )導致實(shí)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(huì )帶來(lái)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)現土衛六有濃密的大氣層。于是JPL操控“旅行者1號”去飛越土衛六進(jìn)行觀(guān)測，但土衛六將“旅行者1號”直接甩出了黃道面，使其無(wú)法再繼續探測天王星和海王星?！奥眯姓?號”的行星探測計劃提前終止。這一事件表明，實(shí)施引力彈弓還是有一定風(fēng)險的。
“如果行星有大氣，‘借力’的風(fēng)險會(huì )更高?！饼弰倨秸J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 )預設安全距離?！睏詈閭ソ榻B，對于有大氣的類(lèi)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，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(gè)行星的復雜任務(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(lèi)完成原來(lái)難以實(shí)現的深空探測任務(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?！饼弰倨綇娬{，這是由于行星都在運動(dòng)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(gè)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(lái)的時(shí)間都用在了“漫長(cháng)的等待”上。（記者胡定坤）