杨健

宇宙航行哪家强？没有光速引擎，就靠引力弹弓！

——宇宙物理学

01

宇宙航行最重要的是什么？

茫茫宇宙，浩浩无穷，想要遨游其中，最重要的是什么呢？

答案毫无疑问，就是速度。

为什么呢？因为宇宙是在是太大了！

恒星之间的距离动辄上百光年，星系的直径则上万光年，星系之间的距离，也基本在上亿光年了。

整个太阳系的直径大约10万个天文单位，也就是1.5光年；

太阳系所在的位置是被称为“本星际云”的区域，这是一个形状像沙漏，气体密集而恒星稀少，直径大约300光年；

银河系的直径约10万光年；

整个宇宙我们目前观测到的范围有900亿光年！

没有速度，怎么跑那么远？

02

如何获取速度？

在没有光速引擎，曲率引擎，时空虫洞这种科幻作平中的技术时，人类根本还达不到很高的、足以星际航行的速度。

最初，人类只能靠燃烧能源产生的反冲作用来加速；

后来虽然发现核能，但是目前还没有利用到飞船的推进上；

还有一些特别的技术，比如利用光子的「光压」，等等，这些都还有待继续研究。

那么人类就这么慢腾腾下去么？

还好，还有引力弹弓！

这就是开篇我说的——宇宙航行哪家强？没有光速引擎，就靠引力弹弓！

03

引力弹弓

从上面的讲解，可以知道，引力弹弓其实就是人类在宇宙中加速的一种方式。

下面简单讲一下，引力弹弓的原理。

先看一张示意图：

一个飞行器，依靠一颗星体B（比如木星），进行引力弹弓加速。

注意红色的轨迹，是飞船的轨迹（相对于星体B）；

首先以B为参考系分析：

飞船进入星体B的引力场时的速度V入B（相对于B）和离开星体B时的速度V出B（也是相对于B），大小是一样的——原因是机械能守恒。

然后以太阳为参考系来分析：

V入B和V出B都要叠加一个VB，从图上可以清楚的看到，V入A比V出A要小（短），也就是说，经过这个过程之后，飞行器的速度（相对太阳）增加了！

极限情况下，可以加速2倍VB之多！

这就是神奇的引力弹弓效应！

木星的运行速度大约为13km/s，那么经过一次弹弓的发射，飞行器可以提速最多26km/s！是个非常可观的数字了！

宇宙物理学

引力弹弓是大质量天体对小质量飞行器的一种加速效应。

这种加速效应基于动量守恒。当一个飞行器经过一个大质量天体，比如行星，运动方向会被天体的引力偏转，如果飞行器速度足够不被天体捕获，那么就会在被天体偏转一定角度后飞离该天体。而飞行器在靠近天体和远离天体时会受到天体重力加速度的加减速，加速和减速是对称的，所以飞行器离开时与靠近时与天体的相对速度是一样的。但是由于天体本身存在速度，比如绕恒星公转的速度和自转的速度，而飞行器最终与天体相对速度不变，因此当与天体运动方向不同方向靠近然后以天体运动方向离开时，就会得到天体的公转速度。

比如用效率最高的情况，飞行器以天体公转反方向进入天体引力场，偏转方向后从天体公转方向离开，那么它将增加天体公转速度两倍的速度，见下图：

由于靠近前和离开后，飞行器与天体的相对速度不变，但是方向相反了，因此速度将变成原有速度V+天体公转速度U×2。

由于动量守恒，飞行器增加的动量将降低天体公转的动量。当然在两者质量相差巨大的情况下，这种变化可以忽略不计。

除了可以通过窃取天体公转动量做引力弹弓，其实也可以通过窃取天体的自转角动量做引力弹弓，只不过一般天体的自转并不太快，质量也不大，产生的空间拖拽效应并不明显。但当有中子星黑洞这样转得快的大质量天体就不一样了。比如电影《星际穿越》里，男主角库珀就利用了黑洞的自转做引力弹弓加速飞船。这是利用了广义相对论的一个现象：参考系拖拽。当大质量天体转动时，会对周围的空间产生拖拽，带动周围的空间跟着旋转，这就使空间产生一个指向转动方向的速度，利用这个就可以为飞行器加速了。

不过电影里，当时飞船已经在黑洞的引力场里了，所以它并不能直接通过空间拖拽加速后脱离黑洞引力场，而是必须往黑洞自转的反方向抛射质量。结果就是电影看到的，把失去能量的推进器全抛掉，然后飞船才获得足够的动量飞往目标星球。

星宇飘零2099

最近热映的科幻大片《流浪地球》让引力弹弓的名字再次进入了公众的视野。在同名小说中，刘慈欣把地球的流浪分为五个阶段：首先让地球停止自转（刹车时代），然后通过推进器和引力弹弓效应推动地球离开太阳系（逃逸时代），推动地球加速飞向比邻星（前流浪时代），让地球减速飞向比邻星（后流浪时代）， 使地球成为环绕比邻星的行星（新太阳时代）。在同名科幻电影中，重点表现了逃逸时代中利用木星引力弹弓效应时遇到的各种危险。

那么，我们通过什么方式才能离开太阳系呢？影片中表现的引力弹弓效应又是怎么回事呢？

逃离太阳系

我们首先来讨论：如果要把地球推离太阳系，需要多大的速度。

我们知道，地球在围绕太阳做近似圆轨道运动，太阳对地球的万有引力提供圆周运动的向心力。我们通过万有引力和向心力公式可以求出地球的公转速度是30km/s，也就是说，每秒钟地球会在公转轨道上运动30千米，虽然我们一点感觉也没有，但是我们的确每时每刻都随着地球一起高速运动。

如果地球速度增加一点，地球就能挣脱一点太阳的束缚，渐渐远离太阳。但是如果速度增加的不够，地球又不能完全脱离太阳的引力，所以最终还会回到出发点。也就是说，速度增加之后地球会做一个以出发点为近日点的椭圆轨道运动。在《流浪地球》中，刘慈欣安排了巨型推进器，推动着地球加速，于是地球的轨道就越变越大。

假如地球在现在的位置速度增加到42km/s，也就是公转速度变为原来的根号2倍，地球的动能就足以克服太阳的吸引力，从而摆脱太阳的束缚，飞向星际空间。但是地球的质量太大了，想通过推进器做到这件事非常困难。别说是那么大个的地球，就是小型的宇宙飞船、人造卫星，想完全依靠自身的动力摆脱太阳的引力，人类都还没有做到。

其实，人类探索宇宙的过程，非常像几百年前的大航海时代。人们无法凭借划桨船横渡大洋，但是借助风力帆船，人们轻松的实现了环球旅行，发现了新大陆。

同样，宇宙中也有这样的“风力”，那就是引力弹弓。

引力弹弓效应

为了理解引力弹弓，我们首先需要大家设想一个简单的物理模型：质量很大的球和质量很小的球发生弹性碰撞。比如一个铅球和一个乒乓球碰撞，两个球都有很好的弹性，碰撞过程不会损失能量。

假如最初铅球是不动的，乒乓球以速度Vo撞向铅球，会发生什么呢？显然，由于铅球质量非常大，碰撞后铅球几乎还是静止的。而乒乓球会发生反弹，并且反弹的时候速度大小还是Vo，保持不变。

现在，我们让铅球也动起来：假如最初铅球是朝向乒乓球以速度V1运动的，乒乓球还是以速度V0飞来，又会发生什么呢？

我们不妨这样设想：假如有个小人坐在铅球上，他会感觉铅球是静止的，而乒乓球向自己飞来的速度是V1+V0，根据刚才的讨论，当乒乓球反弹后，他会观察到乒乓球离开自己的速度大小不变，还是V1+V0。

也就是说：在铅球上的人看来，乒乓球向右反弹的速度是V1+V0。

但是，如果我们回到地面参考系，情况就不是这样了。由于铅球本身有一个向右的速度V1，所以乒乓球反弹的速度应该是V1和V1+V0的叠加，也就是说，地面上的人看来，乒乓球反弹的速度会变成2V1+V0

大家看，乒乓球来的时候速度是V0，反弹之后速度变成了2V1+V0，速度变大了2V1。这是因为在碰撞过程中，铅球的一部分能量转移到了乒乓球上。由于铅球的质量远远大于乒乓球，这一点能量的损失对铅球的速度几乎没有影响，但是却可以让乒乓球获得很大的速度增加。

也有人把这个过程比作是有人朝着行进的火车扔小球：如果球的速度是100km/h，火车的速度也是100km/h，那么当球反弹的时候，速度最大会变成300km/h。

在《流浪地球》中，地球是依靠木星的引力弹弓效应进行加速的。这是因为木星的质量是地球的318倍，就好像刚才的铅球。而地球的质量很小，就好像刚才的乒乓球。地球可以从木星偷一点能量，使自身获得很大的速度增加，但是木星几乎没什么感觉。

只不过，在引力弹弓效应中，两颗星球并没有真的碰撞，能量交换的过程是通过引力完成的。

在靠近木星的时候，地球会因为木星引力的作用做双曲线运动。如果在木星参考系下看，地球飞来的时候速度与飞走的时候速度一样大，都是V0。

不过，在太阳参考系下看，木星本身是具有速度的。假设在太阳参考系下，木星的速度是V1，那么地球飞进木星引力和飞出木星引力时候，地球的速度实际上是木星速度V1和相对于木星的速度V0的叠加。速度是矢量，满足矢量叠加法则：以两个速度为邻边做平行四边形，再把对角线连接起来，就是合速度。

从上面的图我们就能看出，虽然在木星看来，地球飞过来和飞走时候的速度都一样大，但是在太阳参考系下看，地球飞出木星引力范围时速度变大了。变大的程度取决于地球入射时的角度。木星的公转速度是13km/s，极端情况下地球通过引力弹弓获得的速度增量可以达到两倍木星速度，即速度增大26km/s，这个速度的增量是非常可观的。如果我们想通过化学能源把地球加速到这么大可能需要很久很久，现在只需要在木星旁边轻轻走一圈就实现了。

人类推动地球很难，木星推动地球却很容易。在宇宙中，质量就是王道。

引力弹弓效应的应用

引力弹弓绝对不是只存在于科学家的头脑和科幻电影之中，而是早已经被人类掌握的空间技术。

最早提出这个技术的人是苏联科学家尤里·康德拉图克, 他在1918年左右发表的论文《致有志于建造星际火箭而阅读此文者》中提出了引力助推的概念。此人还设计了人类登月的方式，并最终被美国宇航局采纳，阿波罗号宇宙飞船就是基本按照尤里的设想建造的。

（尤里，这个名字让人联想到一个游戏）

不过，引力弹弓的轨道设计需要大量计算，它的正式应用是在大约50年之后。1961年，加州大学洛杉矶分校25岁的研究生迈克尔·米诺维奇使用当时最先进的IBM7090计算机研究三体问题，顺带计算了一下引力弹弓的轨道。

他惊奇的发现，在1970年代末期，太阳系会提供一次绝佳的引力弹弓的机会：木星、土星、天王星、海王星都位于太阳的同一侧，如果发射一颗人造卫星，依次利用这四颗星球的引力弹弓加速，就可以在12年内，用很少的燃料探访这四颗星球。如果错过了这个时机，下次就要再等上176年。

他赶紧把自己的发现告诉了NASA。在他的游说下，NASA开始了航海家号计划，1977年NASA先后发射了旅行者二号和旅行者一号卫星。如今，两位旅行者都已经完成了各自的使命，并且已经在宇宙中遨游了42年，它们已经成功的借助引力弹弓效应飞到了太阳系的边缘。

现在，旅行者一号距离太阳有140多倍日地距离，它是距离我们最远的人造天体。目前它们还可以和地球进行联络，但是以光速传播的电磁信号也需要19个小时才能到达地球。

在旅途中，两颗卫星近距离的掠过了木星和土星，拍摄了大量珍贵的照片传回地球。

（旅行者一号拍摄的木星大红斑）

在1990年，旅行者一号完成了太阳系的全家福照片，其中有一张照片刚好把地球包含在内。

在这张照片上，地球不过是一个暗淡的蓝点，我们不禁感慨，人类千万年的王朝更替沧海桑田，璀璨的文明和无数的先贤智者， 也不过都发生在这一粒宇宙的尘埃之上。

除了旅行者号，伽利略号、卡西尼号、信使号、尤里西斯号等空间探测器都用到了引力弹弓效应，这种效应在空间技术中越来越普遍。甚至有人把引力弹弓称作是“宇宙中的高速公路”

李永乐老师

前苏联科学家尤里.康德拉图克通过天文观测发现：一个天体飞越另一个天体的过程中，由于万有引力的相互作用，它的运动方向发生了改变，更为奇妙的是速度变得更快了！通过分析研究，发现这个作用力过程与儿童玩具“弹弓”相似，故命名“引力弹弓”。

“引力弹弓”效应目前在航空航天上已广泛釆用，尤其是星际飞行过程中。如美国的＜旅行者一号＞、印度的＜火星探测器＞等，釆用这种原理可最大限度节省烧料。巧借东风，何乐而不为！

更进一步更通俗的讲，“引力弹弓”本质上是一种“甩转”作用，用手甩转绳子套住的物体，加速后手松开，将物体抛出去，这个过程就是“引力弹弓”。手抓住不放，物体会一直随手持续甩转，即“甩转运动”。其实，不管物体有或沒有“甩”飞出去，本质上都是一种“甩转作用”。

非常遗憾，这位科学家没悟透：卫星、天体运动就是“甩转运动”，这种“甩转运动”能真实完美解释卫星、天体运动及进动现象！

为此，鄙人在2000年正式提出“甩转假说”，并投稿上海《天文学进展》刊物，但被退稿。

“甩转假说”指出：中心天体在运动过程中，通过万有引力甩转了周边小一级天体。即太阳公转时甩转了太阳系；地球获得能量克服太空飞行阻力绕太阳公转，同时甩转了地月系，将能量传递给月球、人造卫星、飞船、空间站等，这些天体获得能量克服太空飞行阻力绕地球飞行。宇宙中大小天体、星系如此环环相扣，级级相连，依据引力甩转作用井然有序的运动着。级级上推，终极动力来源于宇宙星系循环演变过程！

详细论述辩证请参阅本头条＜原创新观点之一：甩转假说＞和＜原创新观点之五：宇宙模型假说＞。

青山绿水250400698

引力弹弓效应，说白了就是宇宙中的一个小质量星体借助一个比它质量大很多的星体来实现运动加速的现象。

具体来说要实现引力弹弓效应需要三大条件，以下岛民小云简单进行描述大家就懂了。

一是两个星体之间的质量必须差距比较大。就像《流浪地球》（小说）中地球借助木星的质量实现弹弓效应从而加速逃离太阳系一样，如果两个星体质量相差不大，那两个星体之间的引力作用会很弱，那很难实现弹弓效应。

二是两个星球之间必须要近距离接触。实现引力弹弓，一般需要小质量星体向大质量星体方向逐渐接近靠拢，从而被大质量星体的引力捕获，从而小质量星体才有可能借助引力来实现加速，如果距离太远，大质量星体的引力根本影响不了小质量星体的加速度。

三是小质量星体必须要具备逃逸速度。也就是说，当小质量星体因为接近大质量星体，从而获取加速度，获取后的这个速度必须在这个大星体的逃逸速度以上，小星体才能够逃离大星体而不至于被大星体吸引进去，最终坠落。

岛民小云的时空物画

何为引力弹弓效应？

简单的说，引力弹弓就是把行星当做一个弹弓，把太空航天器当做弹珠，利用行星的重力场来给太空航天器加速，将它像弹珠一样甩向下一个目标，也就是把行星当作"引力助推器"

▲引力弹弓效应发现▲

著名科学家迈克尔·米诺维奇(Michael Minovitch)于1961年提出，当航天器靠近某颗行星的时候，会被它的引力所吸引。这有点类似于一个人在飞机上跑步：飞机不开时，他的速度不会特别快，火车一旦开了，就会带着他一起跑，从而使他相对于地面的速度大大增加。这样，只要航天器不被行星捕获，它离开行星时的速度就会比原来大很多。这就是著名的引力弹弓效应的由来。

▲引力弹弓效应的原理和价值▲

当行星沿着其轨道飞行时，航天器加速或减速取决于它是在行星的后面还是前面通过。当航天器利用“引力弹弓效应”先靠近、再离开行星的引力场时，它会改变方向沿着一个与以前不同的轨道运行，其接近和远离行星时相对该行星的速度是一样。如将太阳作为参考系来看这个过程，因行星自身相对太阳有一个速度V，飞行器改变方向后虽然相对行星速度不变，但实际上飞行器相对太阳的速度增加了一个速度V，飞行器利用引力弹弓效应实现了自身加速和变向。

目前的化学推进火箭承载能力非常有限，合理安排轨道，利用行星引力来加速，可以大大节省燃料，从而减轻探测器质量，留出空间安装科学仪器等等。这个“引力弹弓”效应是人类航天史上一个里程碑式的发现。在此之前，人类发射的航天器燃料最远也飞到不了火星；而在此之后，人类就有了探索整个太阳系的能力。

▲引力弹弓效应的重要应用▲

上个世纪70年代，科学家等的机会终于来了，九大行星中的——木星，土星，天王星和海王星一同向太阳系同一侧靠拢并恰好排成了一列，这种罕见的行星排布176年才会出现一次，NASA于是推出“壮丽旅程（Grand Tour）”计划，旅行者二号和旅行者一号相继升空。科学家让两个探测器飞出太阳系进行探索土星和木星的“小目标”。受载荷限制，执行发射任务的火箭的燃料只够飞到木星。但是借助木星的引力弹弓效应，它们的速度由10公里/秒提升至25公里/秒，远远超过第三宇宙速度，继续朝土星飞去，飞掠土星之后速度更是达到惊人的45公里/秒，引力弹弓使我们可以遨游整个太阳系。

关于引力弹弓效应我们就聊到这里，我是科学探秘007，喜欢我的文章请点击关注＋评论，和我一起探讨宇宙的奥秘

科学探秘007

《流浪地球》引爆了不少科学专有名词，什么洛希极限，引力弹弓，昨天科普了洛希极限，下面我用小学生都能听懂的尽可能通俗的语言科普下引力弹弓。

弹弓许多小男孩都玩过，一个“Y”型树杈，两根橡皮筋，一个包弹丸的皮块，用力拉皮筋储存势能，放手后势能就会转化为弹丸的动能，将弹丸发射出去，作为一种原始冷兵器，弹弓威力惊人，古代常用于狩猎和战争。

那到底什么是引力弹弓？

引力弹弓通俗来说就是猛拉一把，然后甩开。

如下图，引力弹弓发生在两个质量相差很大的天体之家，比如月球和地球之间，地球和木星之间，地球和太阳之间都可以有引力弹弓，大天体就被当成是弹弓架子。

当小天体靠近大的天体时受到大的天体的引力作用，速度越来越快，最靠近天体时速度最快，获得动能后逐渐远离大的天体，在此过程中小天体或者卫星获得了动能。

怎么样才能利用好引力弹弓？

天体运动目前无法控制，要想利用好引力弹弓作用，就得掌握好发射卫星的时机，只有卫星经过大天体周围时运动方向与大的天体运动的方向呈锐角的情况下，吸引后甩开过程才能被加速，否则加速效果就不明显，还可能减速。

引力弹弓没有橡皮筋，为啥还叫弹弓了？

天体上当然是没有橡皮筋的，但是在卫星或者小天体远离大的天体时势能最大，就相当于拉满橡皮筋，靠近大的天体过程就相当于释放橡皮筋的过程。所以被称为引力弹弓。

今天的科普就到这里了，更多科普，欢迎关注本号！

核先生科普

引力弹弓其实可以理解为，大家经常看到的车祸。一辆摩托车以极快的速度撞向一辆大货车，那么会发生什么情况？对，人被撞飞了。在这里，当大货车相对比于人来说的质量极大，而人的质量又极小的话，人会以什么速度飞出去？答案是人会以来时两倍的速度飞出去。

也就是说摩托车上的人假如以每小时150km的速度撞向一个质量极大的卡车，那么就会以每小时300km的速度飞回去。

当把这里面的卡车换成地球或者一个质量极大的天体，把人换成卫星。这样看来，就可以很容易理解引力弹弓的原理了。

当然，卫星自然不会真的撞上行星，而是通过一定的轨道围绕行星转一圈，改变方向并完成加速。这就需要我们科学家精密的计算以及卫星自身精确的变轨了。

盒盒美美一家人

所谓引力弹弓效应是指在航天动力学和宇宙空间动力学中利用行星或其他天体的相对运动和引力改变飞行器的轨道和速度，以此来节省燃料、时间和计划成本。要注意，引力弹弓效应既可用于加速飞行器，也能用于降低飞行器速度。

如果用生活中常见的例子做比喻的话，引力弹弓效应就像打乒乓球。你们凭生活常识就知道，当你挥拍的速度越快，乒乓球反弹回去的速度也越快。具体来说，它反弹出去的速度会等于你挥拍速度的两倍加上球自身飞过来的速度。同时，如果对方大力发球，球飞过来的速度极快，你为了接扣球可能会故意往后挥拍，成功地话你就会让乒乓球以一个很慢的速度反弹回去，具体来说这个反弹的速度回是飞过来的速度减去两倍你向后挥拍的速度。

而在引力弹弓效应中，大质量天体就有点像球拍，飞行器就像乒乓球。只不过飞行器和天体并不像球拍那样直接接触。它们利用万有引力，隔空就可以完成同样的过程。

简单理解看上图：

一个速度为V的物体被一个速度为U的物体吸引并完全反射时，它的反射速度是2U+V。这是能量守恒定律和动量守恒定律的结果。

精确理解看下图：

真实世界的天体和飞行器并不是简单的完全反射。更常见的情况是飞行器被天体的引力弯曲一定角度并继续飞行。不过我们通过计算可以证明：当天体不动的时候，飞行器在被吸引前后的速度的绝对值不变。当天体在运动的时候，飞行器的速度的绝对值会发生改变，具体是变大还是变小由飞行器的速度，天体的速度，已经飞行器轨道进入的位置共同决定。

引力弹弓效应在长距离的宇宙航行中运用得非常广泛，比如下图就是卡西尼号探测器的飞行轨迹，在这个六年的飞行轨迹中它先后两次掠过金星，之后又掠过地球，木星，土星。分段多次进行引力弹弓加速为它提供了额外的两公里每秒的速度增量。极大地节约了成本。

低熵制造机

用图来说明！

引力看不见摸不着，不过，咱们可以用一根大麻绳来代替太阳与地球的引力。

而地球对飞行器的引力，用手拉手来代替。

显然，若飞船远离地球几亿公里，则地球对它的引力微乎其微，所以，飞船要想把地球的引力当成“弹弓”来使，就得先靠近它，让地球引力拉着飞船飞一段，之后，飞船加速离开，这个过程，就是引力弹弓效应。

6年前，朱诺号从地球出发，2年后（4年前），朱诺号又回来了，从地球偷了一颗“能量核”，这才壮胆踏上征程，向着太阳系那颗最危险、最巨大的行星，木星飞去。

朱诺号从地球偷取“能量核”的过程如上图：

地球以30公里每秒的高速向右运动，而朱诺号逐渐向地球靠近，然后贴着地球飞一段时间，此过程中，朱诺号一直受到地球无形引力的强力拉扯，当朱诺号来到地球的近拱点，也就是下图这个位置：

朱诺号来到地球的近拱点后，此时它的速度最大，在其速度最大的时候发动机启动

为什么是在近拱点加速而不是在其他地方？这是由于奥博特效应。详细的解释可在今日头条搜索“若没她人类冲不出太阳系，但我们也在付出代价”这篇文章。

引力助推结束后，朱诺号相对太阳的速度大大增加，而地球呢，因为中途拉扯了一下朱诺号，故速度会有所减慢，只是因为地球的质量实在太大了，减小的速度可完全忽略不计。

引力弹弓效应不止是用来给飞行器加速，还可以用来减速，具体原理如下图：

注意地球的运动方向。

關鍵字: 宇宙 星系 科学