楊健
宇宙航行哪家強？沒有光速引擎，就靠引力彈弓！
——宇宙物理學
01
宇宙航行最重要的是什麼？
茫茫宇宙，浩浩無窮，想要遨遊其中，最重要的是什麼呢？
答案毫無疑問，就是速度。
為什麼呢？因為宇宙是在是太大了！
恆星之間的距離動輒上百光年，星系的直徑則上萬光年，星系之間的距離，也基本在上億光年了。
整個太陽系的直徑大約10萬個天文單位，也就是1.5光年；
太陽系所在的位置是被稱為“本星際雲”的區域，這是一個形狀像沙漏，氣體密集而恆星稀少，直徑大約300光年；
銀河系的直徑約10萬光年；
整個宇宙我們目前觀測到的範圍有900億光年！
沒有速度，怎麼跑那麼遠？
02
如何獲取速度？
在沒有光速引擎，曲率引擎，時空蟲洞這種科幻作平中的技術時，人類根本還達不到很高的、足以星際航行的速度。
最初，人類只能靠燃燒能源產生的反衝作用來加速；
後來雖然發現核能，但是目前還沒有利用到飛船的推進上；
還有一些特別的技術，比如利用光子的「光壓」，等等，這些都還有待繼續研究。
那麼人類就這麼慢騰騰下去麼？
還好，還有引力彈弓！
這就是開篇我說的——宇宙航行哪家強？沒有光速引擎，就靠引力彈弓！
03
引力彈弓
從上面的講解，可以知道，引力彈弓其實就是人類在宇宙中加速的一種方式。
下面簡單講一下，引力彈弓的原理。
先看一張示意圖：
一個飛行器，依靠一顆星體B（比如木星），進行引力彈弓加速。
注意紅色的軌跡，是飛船的軌跡（相對於星體B）；
首先以B為參考系分析：
飛船進入星體B的引力場時的速度V入B（相對於B）和離開星體B時的速度V出B（也是相對於B），大小是一樣的——原因是機械能守恆。
然後以太陽為參考系來分析：
V入B和V出B都要疊加一個VB，從圖上可以清楚的看到，V入A比V出A要小（短），也就是說，經過這個過程之後，飛行器的速度（相對太陽）增加了！
極限情況下，可以加速2倍VB之多！
這就是神奇的引力彈弓效應！
木星的運行速度大約為13km/s，那麼經過一次彈弓的發射，飛行器可以提速最多26km/s！是個非常可觀的數字了！
宇宙物理學
引力彈弓是大質量天體對小質量飛行器的一種加速效應。
這種加速效應基於動量守恆。當一個飛行器經過一個大質量天體，比如行星，運動方向會被天體的引力偏轉，如果飛行器速度足夠不被天體捕獲，那麼就會在被天體偏轉一定角度後飛離該天體。而飛行器在靠近天體和遠離天體時會受到天體重力加速度的加減速，加速和減速是對稱的，所以飛行器離開時與靠近時與天體的相對速度是一樣的。但是由於天體本身存在速度，比如繞恆星公轉的速度和自轉的速度，而飛行器最終與天體相對速度不變，因此當與天體運動方向不同方向靠近然後以天體運動方向離開時，就會得到天體的公轉速度。
比如用效率最高的情況，飛行器以天體公轉反方向進入天體引力場，偏轉方向後從天體公轉方向離開，那麼它將增加天體公轉速度兩倍的速度，見下圖：
由於靠近前和離開後，飛行器與天體的相對速度不變，但是方向相反了，因此速度將變成原有速度V+天體公轉速度U×2。
由於動量守恆，飛行器增加的動量將降低天體公轉的動量。當然在兩者質量相差巨大的情況下，這種變化可以忽略不計。
除了可以通過竊取天體公轉動量做引力彈弓，其實也可以通過竊取天體的自轉角動量做引力彈弓，只不過一般天體的自轉並不太快，質量也不大，產生的空間拖拽效應並不明顯。但當有中子星黑洞這樣轉得快的大質量天體就不一樣了。比如電影《星際穿越》裡，男主角庫珀就利用了黑洞的自轉做引力彈弓加速飛船。這是利用了廣義相對論的一個現象：參考系拖拽。當大質量天體轉動時，會對周圍的空間產生拖拽，帶動周圍的空間跟著旋轉，這就使空間產生一個指向轉動方向的速度，利用這個就可以為飛行器加速了。
不過電影裡，當時飛船已經在黑洞的引力場裡了，所以它並不能直接通過空間拖拽加速後脫離黑洞引力場，而是必須往黑洞自轉的反方向拋射質量。結果就是電影看到的，把失去能量的推進器全拋掉，然後飛船才獲得足夠的動量飛往目標星球。
星宇飄零2099
最近熱映的科幻大片《流浪地球》讓引力彈弓的名字再次進入了公眾的視野。在同名小說中，劉慈欣把地球的流浪分為五個階段：首先讓地球停止自轉（剎車時代），然後通過推進器和引力彈弓效應推動地球離開太陽系（逃逸時代），推動地球加速飛向比鄰星（前流浪時代），讓地球減速飛向比鄰星（後流浪時代）， 使地球成為環繞比鄰星的行星（新太陽時代）。在同名科幻電影中，重點表現了逃逸時代中利用木星引力彈弓效應時遇到的各種危險。
那麼，我們通過什麼方式才能離開太陽系呢？影片中表現的引力彈弓效應又是怎麼回事呢？
逃離太陽系
我們首先來討論：如果要把地球推離太陽系，需要多大的速度。
我們知道，地球在圍繞太陽做近似圓軌道運動，太陽對地球的萬有引力提供圓周運動的向心力。我們通過萬有引力和向心力公式可以求出地球的公轉速度是30km/s，也就是說，每秒鐘地球會在公轉軌道上運動30千米，雖然我們一點感覺也沒有，但是我們的確每時每刻都隨著地球一起高速運動。
如果地球速度增加一點，地球就能掙脫一點太陽的束縛，漸漸遠離太陽。但是如果速度增加的不夠，地球又不能完全脫離太陽的引力，所以最終還會回到出發點。也就是說，速度增加之後地球會做一個以出發點為近日點的橢圓軌道運動。在《流浪地球》中，劉慈欣安排了巨型推進器，推動著地球加速，於是地球的軌道就越變越大。
假如地球在現在的位置速度增加到42km/s，也就是公轉速度變為原來的根號2倍，地球的動能就足以克服太陽的吸引力，從而擺脫太陽的束縛，飛向星際空間。但是地球的質量太大了，想通過推進器做到這件事非常困難。別說是那麼大個的地球，就是小型的宇宙飛船、人造衛星，想完全依靠自身的動力擺脫太陽的引力，人類都還沒有做到。
其實，人類探索宇宙的過程，非常像幾百年前的大航海時代。人們無法憑藉划槳船橫渡大洋，但是藉助風力帆船，人們輕鬆的實現了環球旅行，發現了新大陸。
同樣，宇宙中也有這樣的“風力”，那就是引力彈弓。
引力彈弓效應
為了理解引力彈弓，我們首先需要大家設想一個簡單的物理模型：質量很大的球和質量很小的球發生彈性碰撞。比如一個鉛球和一個乒乓球碰撞，兩個球都有很好的彈性，碰撞過程不會損失能量。
假如最初鉛球是不動的，乒乓球以速度Vo撞向鉛球，會發生什麼呢？顯然，由於鉛球質量非常大，碰撞後鉛球幾乎還是靜止的。而乒乓球會發生反彈，並且反彈的時候速度大小還是Vo，保持不變。
現在，我們讓鉛球也動起來：假如最初鉛球是朝向乒乓球以速度V1運動的，乒乓球還是以速度V0飛來，又會發生什麼呢？
我們不妨這樣設想：假如有個小人坐在鉛球上，他會感覺鉛球是靜止的，而乒乓球向自己飛來的速度是V1+V0，根據剛才的討論，當乒乓球反彈後，他會觀察到乒乓球離開自己的速度大小不變，還是V1+V0。
也就是說：在鉛球上的人看來，乒乓球向右反彈的速度是V1+V0。
但是，如果我們回到地面參考系，情況就不是這樣了。由於鉛球本身有一個向右的速度V1，所以乒乓球反彈的速度應該是V1和V1+V0的疊加，也就是說，地面上的人看來，乒乓球反彈的速度會變成2V1+V0
大家看，乒乓球來的時候速度是V0，反彈之後速度變成了2V1+V0，速度變大了2V1。這是因為在碰撞過程中，鉛球的一部分能量轉移到了乒乓球上。由於鉛球的質量遠遠大於乒乓球，這一點能量的損失對鉛球的速度幾乎沒有影響，但是卻可以讓乒乓球獲得很大的速度增加。
也有人把這個過程比作是有人朝著行進的火車扔小球：如果球的速度是100km/h，火車的速度也是100km/h，那麼當球反彈的時候，速度最大會變成300km/h。
在《流浪地球》中，地球是依靠木星的引力彈弓效應進行加速的。這是因為木星的質量是地球的318倍，就好像剛才的鉛球。而地球的質量很小，就好像剛才的乒乓球。地球可以從木星偷一點能量，使自身獲得很大的速度增加，但是木星幾乎沒什麼感覺。
只不過，在引力彈弓效應中，兩顆星球並沒有真的碰撞，能量交換的過程是通過引力完成的。
在靠近木星的時候，地球會因為木星引力的作用做雙曲線運動。如果在木星參考系下看，地球飛來的時候速度與飛走的時候速度一樣大，都是V0。
不過，在太陽參考系下看，木星本身是具有速度的。假設在太陽參考系下，木星的速度是V1，那麼地球飛進木星引力和飛出木星引力時候，地球的速度實際上是木星速度V1和相對於木星的速度V0的疊加。速度是矢量，滿足矢量疊加法則：以兩個速度為鄰邊做平行四邊形，再把對角線連接起來，就是合速度。
從上面的圖我們就能看出，雖然在木星看來，地球飛過來和飛走時候的速度都一樣大，但是在太陽參考系下看，地球飛出木星引力範圍時速度變大了。變大的程度取決於地球入射時的角度。木星的公轉速度是13km/s，極端情況下地球通過引力彈弓獲得的速度增量可以達到兩倍木星速度，即速度增大26km/s，這個速度的增量是非常可觀的。如果我們想通過化學能源把地球加速到這麼大可能需要很久很久，現在只需要在木星旁邊輕輕走一圈就實現了。
人類推動地球很難，木星推動地球卻很容易。在宇宙中，質量就是王道。
引力彈弓效應的應用
引力彈弓絕對不是隻存在於科學家的頭腦和科幻電影之中，而是早已經被人類掌握的空間技術。
最早提出這個技術的人是蘇聯科學家尤里·康德拉圖克, 他在1918年左右發表的論文《致有志於建造星際火箭而閱讀此文者》中提出了引力助推的概念。此人還設計了人類登月的方式，並最終被美國宇航局採納，阿波羅號宇宙飛船就是基本按照尤里的設想建造的。
（尤里，這個名字讓人聯想到一個遊戲）
不過，引力彈弓的軌道設計需要大量計算，它的正式應用是在大約50年之後。1961年，加州大學洛杉磯分校25歲的研究生邁克爾·米諾維奇使用當時最先進的IBM7090計算機研究三體問題，順帶計算了一下引力彈弓的軌道。
他驚奇的發現，在1970年代末期，太陽系會提供一次絕佳的引力彈弓的機會：木星、土星、天王星、海王星都位於太陽的同一側，如果發射一顆人造衛星，依次利用這四顆星球的引力彈弓加速，就可以在12年內，用很少的燃料探訪這四顆星球。如果錯過了這個時機，下次就要再等上176年。
他趕緊把自己的發現告訴了NASA。在他的遊說下，NASA開始了航海家號計劃，1977年NASA先後發射了旅行者二號和旅行者一號衛星。如今，兩位旅行者都已經完成了各自的使命，並且已經在宇宙中遨遊了42年，它們已經成功的藉助引力彈弓效應飛到了太陽系的邊緣。
現在，旅行者一號距離太陽有140多倍日地距離，它是距離我們最遠的人造天體。目前它們還可以和地球進行聯絡，但是以光速傳播的電磁信號也需要19個小時才能到達地球。
在旅途中，兩顆衛星近距離的掠過了木星和土星，拍攝了大量珍貴的照片傳回地球。
（旅行者一號拍攝的木星大紅斑）
在1990年，旅行者一號完成了太陽系的全家福照片，其中有一張照片剛好把地球包含在內。
在這張照片上，地球不過是一個暗淡的藍點，我們不禁感慨，人類千萬年的王朝更替滄海桑田，璀璨的文明和無數的先賢智者， 也不過都發生在這一粒宇宙的塵埃之上。
除了旅行者號，伽利略號、卡西尼號、信使號、尤里西斯號等空間探測器都用到了引力彈弓效應，這種效應在空間技術中越來越普遍。甚至有人把引力彈弓稱作是“宇宙中的高速公路”
李永樂老師
前蘇聯科學家尤里.康德拉圖克通過天文觀測發現：一個天體飛越另一個天體的過程中，由於萬有引力的相互作用，它的運動方向發生了改變，更為奇妙的是速度變得更快了！通過分析研究，發現這個作用力過程與兒童玩具“彈弓”相似，故命名“引力彈弓”。
“引力彈弓”效應目前在航空航天上已廣泛釆用，尤其是星際飛行過程中。如美國的＜旅行者一號＞、印度的＜火星探測器＞等，釆用這種原理可最大限度節省燒料。巧借東風，何樂而不為！
更進一步更通俗的講，“引力彈弓”本質上是一種“甩轉”作用，用手甩轉繩子套住的物體，加速後手鬆開，將物體拋出去，這個過程就是“引力彈弓”。手抓住不放，物體會一直隨手持續甩轉，即“甩轉運動”。其實，不管物體有或沒有“甩”飛出去，本質上都是一種“甩轉作用”。
非常遺憾，這位科學家沒悟透：衛星、天體運動就是“甩轉運動”，這種“甩轉運動”能真實完美解釋衛星、天體運動及進動現象！
為此，鄙人在2000年正式提出“甩轉假說”，並投稿上海《天文學進展》刊物，但被退稿。
“甩轉假說”指出：中心天體在運動過程中，通過萬有引力甩轉了周邊小一級天體。即太陽公轉時甩轉了太陽系；地球獲得能量克服太空飛行阻力繞太陽公轉，同時甩轉了地月系，將能量傳遞給月球、人造衛星、飛船、空間站等，這些天體獲得能量克服太空飛行阻力繞地球飛行。宇宙中大小天體、星系如此環環相扣，級級相連，依據引力甩轉作用井然有序的運動著。級級上推，終極動力來源於宇宙星系循環演變過程！
詳細論述辯證請參閱本頭條＜原創新觀點之一：甩轉假說＞和＜原創新觀點之五：宇宙模型假說＞。
青山綠水250400698
引力彈弓效應，說白了就是宇宙中的一個小質量星體藉助一個比它質量大很多的星體來實現運動加速的現象。
具體來說要實現引力彈弓效應需要三大條件，以下島民小云簡單進行描述大家就懂了。
一是兩個星體之間的質量必須差距比較大。就像《流浪地球》（小說）中地球藉助木星的質量實現彈弓效應從而加速逃離太陽系一樣，如果兩個星體質量相差不大，那兩個星體之間的引力作用會很弱，那很難實現彈弓效應。
二是兩個星球之間必須要近距離接觸。實現引力彈弓，一般需要小質量星體向大質量星體方向逐漸接近靠攏，從而被大質量星體的引力捕獲，從而小質量星體才有可能借助引力來實現加速，如果距離太遠，大質量星體的引力根本影響不了小質量星體的加速度。
三是小質量星體必須要具備逃逸速度。也就是說，當小質量星體因為接近大質量星體，從而獲取加速度，獲取後的這個速度必須在這個大星體的逃逸速度以上，小星體才能夠逃離大星體而不至於被大星體吸引進去，最終墜落。
島民小云的時空物畫
何為引力彈弓效應？
簡單的說，引力彈弓就是把行星當做一個彈弓，把太空航天器當做彈珠，利用行星的重力場來給太空航天器加速，將它像彈珠一樣甩向下一個目標，也就是把行星當作"引力助推器"
▲引力彈弓效應發現▲
著名科學家邁克爾·米諾維奇(Michael Minovitch)於1961年提出，當航天器靠近某顆行星的時候，會被它的引力所吸引。這有點類似於一個人在飛機上跑步：飛機不開時，他的速度不會特別快，火車一旦開了，就會帶著他一起跑，從而使他相對於地面的速度大大增加。這樣，只要航天器不被行星捕獲，它離開行星時的速度就會比原來大很多。這就是著名的引力彈弓效應的由來。
▲引力彈弓效應的原理和價值▲
當行星沿著其軌道飛行時，航天器加速或減速取決於它是在行星的後面還是前面通過。當航天器利用“引力彈弓效應”先靠近、再離開行星的引力場時，它會改變方向沿著一個與以前不同的軌道運行，其接近和遠離行星時相對該行星的速度是一樣。如將太陽作為參考系來看這個過程，因行星自身相對太陽有一個速度V，飛行器改變方向後雖然相對行星速度不變，但實際上飛行器相對太陽的速度增加了一個速度V，飛行器利用引力彈弓效應實現了自身加速和變向。
目前的化學推進火箭承載能力非常有限，合理安排軌道，利用行星引力來加速，可以大大節省燃料，從而減輕探測器質量，留出空間安裝科學儀器等等。這個“引力彈弓”效應是人類航天史上一個里程碑式的發現。在此之前，人類發射的航天器燃料最遠也飛到不了火星；而在此之後，人類就有了探索整個太陽系的能力。
▲引力彈弓效應的重要應用▲
上個世紀70年代，科學家等的機會終於來了，九大行星中的——木星，土星，天王星和海王星一同向太陽系同一側靠攏並恰好排成了一列，這種罕見的行星排布176年才會出現一次，NASA於是推出“壯麗旅程（Grand Tour）”計劃，旅行者二號和旅行者一號相繼升空。科學家讓兩個探測器飛出太陽系進行探索土星和木星的“小目標”。受載荷限制，執行發射任務的火箭的燃料只夠飛到木星。但是藉助木星的引力彈弓效應，它們的速度由10公里/秒提升至25公里/秒，遠遠超過第三宇宙速度，繼續朝土星飛去，飛掠土星之後速度更是達到驚人的45公里/秒，引力彈弓使我們可以遨遊整個太陽系。
關於引力彈弓效應我們就聊到這裡，我是科學探秘007，喜歡我的文章請點擊關注＋評論，和我一起探討宇宙的奧秘
科學探秘007
《流浪地球》引爆了不少科學專有名詞，什麼洛希極限，引力彈弓，昨天科普了洛希極限，下面我用小學生都能聽懂的儘可能通俗的語言科普下引力彈弓。
彈弓許多小男孩都玩過，一個“Y”型樹杈，兩根橡皮筋，一個包彈丸的皮塊，用力拉皮筋儲存勢能，放手後勢能就會轉化為彈丸的動能，將彈丸發射出去，作為一種原始冷兵器，彈弓威力驚人，古代常用於狩獵和戰爭。
那到底什麼是引力彈弓？
引力彈弓通俗來說就是猛拉一把，然後甩開。
如下圖，引力彈弓發生在兩個質量相差很大的天體之家，比如月球和地球之間，地球和木星之間，地球和太陽之間都可以有引力彈弓，大天體就被當成是彈弓架子。
當小天體靠近大的天體時受到大的天體的引力作用，速度越來越快，最靠近天體時速度最快，獲得動能後逐漸遠離大的天體，在此過程中小天體或者衛星獲得了動能。
怎麼樣才能利用好引力彈弓？
天體運動目前無法控制，要想利用好引力彈弓作用，就得掌握好發射衛星的時機，只有衛星經過大天體周圍時運動方向與大的天體運動的方向呈銳角的情況下，吸引後甩開過程才能被加速，否則加速效果就不明顯，還可能減速。
引力彈弓沒有橡皮筋，為啥還叫彈弓了？
天體上當然是沒有橡皮筋的，但是在衛星或者小天體遠離大的天體時勢能最大，就相當於拉滿橡皮筋，靠近大的天體過程就相當於釋放橡皮筋的過程。所以被稱為引力彈弓。
今天的科普就到這裡了，更多科普，歡迎關注本號！
核先生科普
引力彈弓其實可以理解為，大家經常看到的車禍。一輛摩托車以極快的速度撞向一輛大貨車，那麼會發生什麼情況？對，人被撞飛了。在這裡，當大貨車相對比於人來說的質量極大，而人的質量又極小的話，人會以什麼速度飛出去？答案是人會以來時兩倍的速度飛出去。
也就是說摩托車上的人假如以每小時150km的速度撞向一個質量極大的卡車，那麼就會以每小時300km的速度飛回去。
當把這裡面的卡車換成地球或者一個質量極大的天體，把人換成衛星。這樣看來，就可以很容易理解引力彈弓的原理了。
當然，衛星自然不會真的撞上行星，而是通過一定的軌道圍繞行星轉一圈，改變方向並完成加速。這就需要我們科學家精密的計算以及衛星自身精確的變軌了。
盒盒美美一家人
所謂引力彈弓效應是指在航天動力學和宇宙空間動力學中利用行星或其他天體的相對運動和引力改變飛行器的軌道和速度，以此來節省燃料、時間和計劃成本。要注意，引力彈弓效應既可用於加速飛行器，也能用於降低飛行器速度。
如果用生活中常見的例子做比喻的話，引力彈弓效應就像打乒乓球。你們憑生活常識就知道，當你揮拍的速度越快，乒乓球反彈回去的速度也越快。具體來說，它反彈出去的速度會等於你揮拍速度的兩倍加上球自身飛過來的速度。同時，如果對方大力發球，球飛過來的速度極快，你為了接扣球可能會故意往後揮拍，成功地話你就會讓乒乓球以一個很慢的速度反彈回去，具體來說這個反彈的速度回是飛過來的速度減去兩倍你向後揮拍的速度。
而在引力彈弓效應中，大質量天體就有點像球拍，飛行器就像乒乓球。只不過飛行器和天體並不像球拍那樣直接接觸。它們利用萬有引力，隔空就可以完成同樣的過程。
簡單理解看上圖：
一個速度為V的物體被一個速度為U的物體吸引並完全反射時，它的反射速度是2U+V。這是能量守恆定律和動量守恆定律的結果。
精確理解看下圖：
真實世界的天體和飛行器並不是簡單的完全反射。更常見的情況是飛行器被天體的引力彎曲一定角度並繼續飛行。不過我們通過計算可以證明：當天體不動的時候，飛行器在被吸引前後的速度的絕對值不變。當天體在運動的時候，飛行器的速度的絕對值會發生改變，具體是變大還是變小由飛行器的速度，天體的速度，已經飛行器軌道進入的位置共同決定。
引力彈弓效應在長距離的宇宙航行中運用得非常廣泛，比如下圖就是卡西尼號探測器的飛行軌跡，在這個六年的飛行軌跡中它先後兩次掠過金星，之後又掠過地球，木星，土星。分段多次進行引力彈弓加速為它提供了額外的兩公里每秒的速度增量。極大地節約了成本。
低熵製造機
用圖來說明！
引力看不見摸不著，不過，咱們可以用一根大麻繩來代替太陽與地球的引力。
而地球對飛行器的引力，用手拉手來代替。
顯然，若飛船遠離地球幾億公里，則地球對它的引力微乎其微，所以，飛船要想把地球的引力當成“彈弓”來使，就得先靠近它，讓地球引力拉著飛船飛一段，之後，飛船加速離開，這個過程，就是引力彈弓效應。
6年前，朱諾號從地球出發，2年後（4年前），朱諾號又回來了，從地球偷了一顆“能量核”，這才壯膽踏上征程，向著太陽系那顆最危險、最巨大的行星，木星飛去。
朱諾號從地球偷取“能量核”的過程如上圖：
地球以30公里每秒的高速向右運動，而朱諾號逐漸向地球靠近，然後貼著地球飛一段時間，此過程中，朱諾號一直受到地球無形引力的強力拉扯，當朱諾號來到地球的近拱點，也就是下圖這個位置：
朱諾號來到地球的近拱點後，此時它的速度最大，在其速度最大的時候發動機啟動 ，最後離開地球——這就是引力助推的過程。
為什麼是在近拱點加速而不是在其他地方？這是由於奧博特效應。詳細的解釋可在今日頭條搜索“若沒她人類衝不出太陽系，但我們也在付出代價”這篇文章。
引力助推結束後，朱諾號相對太陽的速度大大增加，而地球呢，因為中途拉扯了一下朱諾號，故速度會有所減慢，只是因為地球的質量實在太大了，減小的速度可完全忽略不計。
引力彈弓效應不止是用來給飛行器加速，還可以用來減速，具體原理如下圖：
注意地球的運動方向。
