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火星，我们的邻居，太阳系内和地球最像的行星。2020年7月23号，中国首次火星探测任务“天问一号”探测器升空。到8月底，已累计飞行1亿公里，而当到达火星时，“天问一号”将距离地球约1.95亿公里，实际飞行路程约4.7亿公里。

不仅是火星，人类有一天总会移民更多的星球，探测、登陆、定居……

飞向异星球的路遥远无比，燃料是个大问题。有没有什么省油的小妙招呢？

我们的故事从学霸小黑开始讲起。他从小就心心念念要探索宇宙，征服星辰大海。长大后终于得偿所愿，进入nasa做了一名航天工程师。

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nasa的探火任务突遭意外，有个宇航员被孤零零丢在火星上，必须救他回来。可其他船员乘坐的赫尔墨斯号已经从火星升空，正在返航地球途中，燃料不足以支撑这样来回折腾。更倒霉的是，从地球上发射的载有给养的救援飞船起飞后不久就爆炸了……

炸了……

了……

孤独的宇航员坐在赭红色的地平线上，望着远方的故乡，地球。比死亡更恐怖的是一步步滑向死亡深渊时的无力和绝望。

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救，必须救。

nasa全员开始努力寻找解救方案，小黑也再次开启了不眠不休模式。

怎么救？

现在火星和地球被长达几千万公里的宇宙空间所阻隔，救援谈何容易。

突然有一天，小黑灵机一动——用地球当“弹弓”，把现在正奔向地球的赫尔墨斯号再给“崩”回去！

于是就有了如下的名场面：

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方案很简单——算好赫尔墨斯号的轨道，以精确的角度进入地球引力范围，飞船利用引力获得加速，在正好绕了半圈后，飞船就可以“甩”向火星方向实施救援。

做个形象的比喻：地球像是一个大力士，接过赫尔墨斯号这颗飞来的“铅球”，顺势转身半圈，把铅球用更大的速度抛了回去。

在场的所有人都听明白了，是个可行的方案。于是，小黑获得局长大人的盛赞：“ok，滚出去吧。”

这就是迄今为止真实感最强的近未来科幻电影《火星救援》，改编自安迪·威尔的同名小说。顺便提一句，原著作者是暴雪公司的程序员，对，就是《魔兽》那个暴雪。为了写这部小说，威尔自学了植物学、轨道动力学、火星概况等。

我们要探究的是：“引力弹弓”到底是个什么东西？如何实现的？

引力弹弓一词，近些年来在科幻作品中高频出现。甚至有些网文会出现“xx的飞船失控，在星际间被各行星的引力弹弓弹来弹去……”，这是个巨大的谬误，飞行器想要利用引力弹弓效应获得加速，需要极其精确的轨道计算。

问：用好引力弹弓，拢共分几步？

答：分三步。

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以赫尔墨斯号为例。

第一步：飞船接近地球时，地球引力开始“吸”着飞船加速。

飞船满心欢喜扑向地球的怀抱，飞呀飞，不用踩油门，速度还越来越快，好high哟。不难理解，此时的飞船类似坠落状态。

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第二步：同时，地球正在从图右位置向左侧公转。

飞船飞着飞着发现：咦，地球呢？肿么不见了？肿么引力感越来越弱呢？答案很简单：地球跑了。

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第三步，地球离飞船越来越远，终于，明显的引力加速度消失了。但此刻飞船已经处在更高速度上。

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可以看出，要用好引力弹弓效应实现加速，飞船轨道计算必须极其精准。远不是网文想象的那么容易，稍有不慎，飞船就会体验“弹弓崩到自己脸上的100种死法”。

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离行星太近，直接坠毁，撞死……

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离行星太远，使不上劲，跑偏了，饿死……

人类航天史上对这一效应利用最充分、最著名的实例莫过于旅行者1号、2号。

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旅行者1号探测器实物图

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旅行者引力弹弓图

1977年，太阳系的4颗行星木星、土星、天王星、海王星出现了巧妙的几何排列，以人类制造的航天器速度，正好可以依次飞掠这4颗行星。这种排列下一次再出现时，要等到176年后，于是，旅行者探测器发生升空。

如上图，旅行者1号和2号分别利用了不同行星的引力弹弓，不断获得新的加速。例如旅行者2号在接近土星时，因为太阳引力的原因，速度已经降到了16km/s，但离开土星时，速度陡增到34km/s。

土星加油站今日免费大放送！有木有！

星际航行中，加速是个难题，减速也是。《三体》中三体第一舰队来侵略地球时，有近一半的燃料用于减速。

聪明如你者，一定想到了引力弹弓的另一种用法——减速。

和加速正好相反，利用行星在飞船后方的引力，使飞船向后被行星“拽”住。

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聪明如你者，肯定又想到了一个话题：能量守恒。

飞船的加速减速，都需要能量，那这些能量从哪里来的？

答案是：行星提供的。

飞行器每利用一次引力弹弓，行星公转速度都会减慢一丢丢。万有引力，飞船也在反方向吸引着行星嘛。

啊？那行星会不会被飞船们拽停呢？不会，因为飞船太轻，相比行星而言质量很小很小，行星损失的公转速度几乎可以忽略不计。

除非n年后人类的飞行器太多，累积质量多到足以影响行星公转……那么，在木星上的“引力弹弓加油站”会不会就要收费了，天啊，那得是多赚钱的一门生意……打住，想多了。

引力弹弓，不神秘，很简单，基本原理都在初中物理课本中。人类在大航海时代的前夜，飞行器往往还需要借助行星引力，希望有一天我们的航天器自身动力能够强劲到无需引力弹弓，自力更生，嗨嗨皮皮地直奔星辰大海而去。

文：东方晓灿

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