□ 谭汪涛 科普时报
大家小的时候一定玩过弹弓吧？食指和拇指捏住的同时拉紧橡皮筋，突然一放松，“子弹”嗖地离弦而出，很过瘾，甚是好玩，但是大家有听说过“引力弹弓”吗？
没错，许多航天迷应该都听说过这个词，它又被称作“引力助推”效应，是指利用某些天体的引力，改变飞行器的轨道和速度，从而达到节省燃料和时间的目的，一般来说，火箭能为探测器提供的动能是比较有限的，若想让探测器能脱离地球乃至太阳的引力控制，火箭必须非常的庞大，且造价昂贵，为了解决这一问题，科学家们想出了许多的办法，使得探测器在太空中不必使用火箭就能获得动能，例如：电推、太阳风帆等，其中，最为传统且成熟的方法就是使用“引力弹弓”。
在许多的探测任务中，这种方法被用于加速。利用行星弹射，“新视野号”飞掠冥王星时速度达到13.8KM/S，欧空局著名的“罗塞塔号”更是完成了经地球内侧的水星、金星的弹射再接近地球“回家看看”的壮举，并最终实现与一彗星在其轨道远日点交汇并着陆的目标。另外，最为著名的兄弟星“旅行者1号”和“旅行者2号”在1977年利用难得的行星连珠时机大幅加速，其中“旅行者1号”以17.8KM/S的速度创下了航天史最快纪录，至今尚未被打破。而在另一些需要进入行星轨道的任务中，引力弹弓则被用来减速。当高速飞行的探测器需要被行星捕获时，必须来一个“急刹”，叫做“空中刹车”，像探测木星的“朱诺号”“伽利略号”探测土星的“卡西尼号”，都是凭借这一办法进入环绕行星的轨道的。
那么，究竟是什么原理造就了这一天然的弹弓呢？这里大家需要了解碰撞和动量的概念，物体动量值数上等于物体速度与质量的乘积，方向与速度相同，在对心碰撞中，只研究运动的初末状态，两物体组成的系统前后动量和相等，称为动量守恒。其中，碰撞可分为弹性碰撞和非弹性碰撞，完全非弹性碰撞时两物体合二为一，动能的损失最大，这如同两块橡皮泥碰撞，“啪”的一声便粘住了，而完全弹性碰撞要求系统前后动能守恒，两乒乓球的碰撞是接近这种情况的，碰撞发生后，各自弹开。而在太空中，几乎没有空气阻力，所以我们的飞行器在与行星“周旋”时并不直接与之接触，加上在这极短的飞掠时间里，行星可以看作近似在直线轨道上运行。因此，在平行于该直线的方向上，这个过程的动量和机械能皆守恒，是个实实在在的弹性碰撞过程。
以加速过程为例，飞行器进入行星范围之后迎面向行星冲过来，绕过行星背面被其引力往前一拉，掉头离开行星引力范围，这就好比两颗质量不一样的小球迎面相撞，质量小的球以更快的速度被弹回去。这个过程结束后，飞行器的初速度与行星的速度之和比上飞行器末速度与行星速度之差，正好等于飞行器质量与行星质量之间的和与差的比值。由于飞行器质量相对于行星很小，可以忽略不计，那么飞行器末速度与初速度相比，增加了两倍的行星速度，而行星速度近似不变，其实这虽然看上去并不满足机械能守恒，但是若将飞行器质量考虑进去的话，行星是会有微弱减速的。我们的探测器巧妙地利用引力弹弓，从行星的动能中窃取了一小部分化为己用。同样，只要将飞行器“迎面飞来”换成“身后超车”，就可以减速了。
然而，引力弹弓并不是什么时候都能用的，它讲究时间窗口，而且以上都是在直线方向上的简单讨论。引力弹弓的形成与行星的密度、质量、飞行器初速大小、方向都有关系，若飞行器的速度太大，行星密度较小，那么很可能还未到达足以使轨道正确改变的位置，就已经和行星相撞了。
（作者系广西柳州铁一中高三年级学生）
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