航天器能绕地球一圈吗（航天器可以利用太阳）

老周有个朋友很有趣，自从看了电影《流浪地球》之后，言必称“引力弹弓”：

星际旅行怎么才能更快？“引力弹弓呀！太阳引力大，用太阳做引力弹弓，‘嗖’的一下就飞出去了。”

怎么去火星？“用月球做引力弹弓，又快又省油。”

那么怎么飞去月球呢？“还是引力弹弓呀！用地球的引力弹弓把航天器甩到月球上。”

引力弹弓果真这么好用？太阳和地球真的能作为我们航天器的引力弹弓吗？科学问题需要用科学来解答，我们今天就来聊聊引力弹弓的实现条件。

太阳系的行星绕太阳运行

什么是引力弹弓？

引力弹弓其实是一种通俗化的称呼，它的专业名词其实叫“重力辅助”，是航天轨道力学中关于飞行轨道转移的一项技术。

我们知道任何有质量的物体都存在惯性，为了让这个物体动起来，需要对基施加力，改变它原来的惯性。对物体施加力我们需要做功，这意味着需要消耗能量。

航天器的飞行就是这样：我们通过燃烧燃料将化学能转化为动能，从而改变运载火箭的惯性，将航天器送上天；火箭的燃料烧完后就被抛弃，航天器要依靠自身携带的燃料继续飞行。它能飞多快多远需要看消耗了多少燃料，可毕竟火箭的大小和携带燃料总是有限的，为了将航天器更快地送到目标，科学家们需要利用力学原理，从其它的星球“借力”，这就是重力辅助。

旅行者2号完美地利用行星重力辅助加速

有趣的力学

小明是个调皮的孩子，由于爱上了打棒球，他总是喜欢拿个小皮球到处扔。

小明拿皮球砸墙，假设他投球的速度是30千米/小时，皮球反弹回来的速度是多少？如果不考虑能量损失，皮球还是会以30千米/小时的速度反弹，因为这相当于弹性碰撞，方向改变，速度不变。

皮球的弹性碰撞

但是有一天，小明将皮球用力扔向了一辆迎面开来的大卡车，如果皮球出手的速度还是30千米/小时，卡车的行驶速度是100千米/小时，皮球反弹回来的速度会是多少呢？

正确答案是：230千米/小时。

卡车司机看到小明向自己扔皮球，小皮球向自己飞来时的速度是130千米/小时，也就是卡车与皮球的相对速度；而皮球撞击卡车后反弹时，它从卡车那儿获得了额外的动量，于是小明看到皮球反弹的速度变成了230千米/小时。

皮球碰撞卡车获得更快的速度

是不是有点出乎意料？但这就是科学。打球的时候，你挥拍的力度越大速度越快，球反弹回去的速度会比你挥拍的速度快许多。

重力辅助

航天器当然不能依靠与星球碰撞来实现加速，这意味着坠毁。因此科学家们利用了万有引力的原理。

星球因为其巨大的质量扭曲了它周围的空间，从而在附近制造了一个“重力阱”，科学家常常形象化地将其比喻为一个“漏斗”，星球就在这个“漏斗”的中心，它的质量越大，“重力阱”就越深越陡峭。按万有引力定律，星球的引力与距离的平方成反比关系。

重力阱与万有引力

当高速飞行的航天器接近行星并进入行星的引力范围时，它会受到万有引力的影响改变方向，同时速度会越来越快；只要航天器的航线不笔直对准行星，其自身的动量会带着它逃离行星的重力陷井。

我们知道，行星是围绕着恒星运动的，它自身有一个很快的轨道速度。只要航天器进入行星引力场的角度合适，它就能从行星那里获得额外的动量，就像小明的皮球从卡车获得动量一样，航天器会在逃离时加速。这就是我们说的引力弹弓。

一组重力辅助应用动图

从上面的一组动图我们可以看到，图c、f、h、i中代表航天器的小蓝点从行星（黑点）后方进入引力场，它们最终都获得了额外的加速。

重力辅助不只用于加速，它也能使航天器减速、制动，或者只是改变其运动方向。

了解到重力辅助的作用，我们再回到最初的问题：航天器可以用太阳、地球和月球来做“引力弹弓”吗？

答案可能要令你失望。

地球和太阳都不能用作引力弹弓

月球是地球的卫星，它以每秒1.022千米的轨道速度绕地球运动，同时由于月球的引力比较小，因此航天器从月球获得的加速也很低，一般情况下我们不会利用月球来做重力辅助。

还是以小明来举例：如果小明是站在高速行驶的汽车上向外扔皮球，站在车外的观察者小黄看到皮球的速度是多少？

这很容易计算，车辆行驶的速度是100千米/小时，小明扔球的速度是30千米/小时，小黄看到皮球飞出来的速度是二者速度的叠加：130千米/小时。

小黄看到球的速度

当航天器从地球发射，它已经从地球获得了一个29.78千米/秒的轨道速度，这时候引力弹弓不起作用。对于地球之外的观察者而言，航天器的飞行速度就是其自身速度与地球轨道速度的叠加，就像小黄看到汽车上飞出的皮球一样。我们在向火星发射探测器时，正是利用了地球轨道速度比火星快这一点，而航天器围绕地球椭圆轨道的加速过程被称为奥博特机动，这与引力弹弓是两个不同的概念。

“洞察号”在发射时叠加了地球的轨道速度

同样，在太阳系内，任何从行星发射的航天器都不能利用太阳做引力弹弓。因为在太阳系里太阳是相对静止的，它不能赋予航天器额外的速度，只会通过自身强大的引力使其改变方向（如重力辅助应用动图中的图e所示）。

总结：

“引力弹弓”效应利用了万有引力定律和动量守恒的原理。

当航天器高速接近一颗运动中的星球时，它会受到星球重力阱的吸引而改变自己的惯性，从而改变自己的方向和动量。只要角度合适，航天器可以从星球那里获得额外的动量，从而使自己加速或减速。

人造航天器从地球出发，它在升空的过程中已经获得了地球赋予的轨道速度，因此航天器不能再利用地球来做引力弹弓。

对于太阳系而言，太阳本身不存在轨道速度，因此它只能使航天器转向，不能为其提供额外的加速。

太阳在银河系中高速飞行，其轨道速度大约为240千米/秒，如果一个飞行器从太阳系外飞来并接近太阳，是可以实现引力弹弓效应的。

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