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来源: 南方日报网络版     时间: 2019-04-25 08:18:46
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  实习记者 胡定坤

  还记得去年八月开启“奔日”旅程的“帕克”太阳探测器吗?它正跋涉在逐步靠近太阳的旅途上。按照计划,它已于近日抵达第二个轨道近日点。而在整个飞行过程中,它将7次利用金星的引力弹弓作用,一次次靠近太阳,直至“触摸”太阳。

  虽然“帕克号”遥不可及,但引力弹弓对人们已不是个陌生词汇。在电影《流浪地球》中,人类将地球送出太阳系的过程中便用到了木星的引力弹弓效应。随着电影的热映,引力弹弓已然成为观众最为关注的“硬核”科技之一。

  那么,出现在深空探测实践和科幻电影中引力弹弓到底是什么?什么情况下才需要借助引力弹弓完成任务呢?

  推进系统“差劲” 玩转引力才行

  “所谓引力弹弓就是航天器在飞行过程中有意靠近行星等天体,借用天体引力改变航天器的速度大小和方向,从而有目的地改变航天器的运行轨道。”清华大学航天航空学院航天动力学与控制实验室副教授龚胜平说,引力弹弓只是一个比较形象的“昵称”。执行深空探测任务的航天器往往先要大幅加速才能飞出地球引力空间,又要大幅减速才能被目标天体捕获,飞行途中还要多次进行轨道修正,整个过程耗费大量燃料。如果任务的能量需求超出航天器推进系统能力,往往就要借助引力弹弓来给航天器“加把劲儿”。

  “事实上,宇宙中天体的运行轨道被其他天体引力改变是常见的天文现象,原理就是牛顿第二定律和开普勒运动定律。”中国科学院国家天文台平劲松研究员在接受科技日报记者采访时表示,比如火星的两个卫星——火卫一和火卫二,关于其来源的一种猜测就是它们是被火星引力捕获的小行星。再比如太阳系中的彗星,其运行轨道的焦点应该是太阳系的平均质心,但太阳引力会对距离较近的彗星造成扰动,使其偏离理论轨道。此外,我们经常在新闻中看到,有小行星与地球擦肩而过,险些撞击地球,这些小行星的运行轨道往往也会因地球引力而改变。也就是说,宇宙中本身就存在引力弹弓效应。

  “引力弹弓不仅能实现电影中的加速作用,也能使航天器减速。”龚胜平介绍,美国国家航空航天局(NASA)在1977年开始的“壮丽旅程”计划就利用了引力弹弓的加速作用,旨在将航天器送出太阳系。其中“旅行者1号”只经过木星和土星的两次加速就达到了太阳系逃逸速度,“旅行者2号”更是利用了木星、土星、天王星、海王星的四次加速。1974年美国发射的人类历史上首个水星探测器“水手10号”则通过飞越金星减速,实现靠近水星的目的。

  引力弹弓究竟是怎样实现加减速的?南京航空航天大学航天学院副研究员杨洪伟表示,如果航天器从行星运动方向的前侧飞越,那么行星的引力就会把航天器向后拽,这样的引力弹弓效果就是减速。

  “引力弹弓在改变航天器速度大小的同时,也改变其速度方向,这能够帮助人类完成一些特殊任务。”龚胜平谈到,比如1990年欧洲太空局(下称欧空局)和NASA联合研制的“尤利西斯号”航天器的目标是太阳极地观测,其环日轨道面和地球公转的黄道面几乎垂直。“尤利西斯号”飞行过程中受到木星的拽拉,使轨道向上弯曲,成功被甩入环太阳极地轨道。

  任务愈发复杂 应用领域多样

  “随着深空探测任务要求越来越高,引力弹弓的方案也日益复杂。”龚胜平说道,当时“水手10号”的目标只是飞越水星,后来为了更全面地探测水星,各国开始发展能够长期围绕水星工作的卫星,这要求探测器在到达水星附近时的速度更低,以被其捕获,

  这需要更多次借助引力弹弓减速。2004年NASA发射的“信使号”水星探测器先后1次飞越地球、2次飞越金星、3次飞越水星减速;2018年10月发射的由欧空局和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)联合研制的“比皮·科伦坡”水星探测器更是计划通过飞越1次地球、2次金星、6次水星才进入环水星轨道。

  龚胜平称,航天器利用同一天体多次加速或减速,需要二者能够多次相遇,轨道设计难度大大增加。这种方式被称作“共振借力”,已成为引力弹弓领域的研究重点之一。

  除了任务越来越复杂,引力弹弓的潜在应用领域也越来越广。杨洪伟补充道,2005年欧空局承办第一届国际空间轨道设计竞赛,竞赛题目是“拯救地球”,即设计拦截器空间飞行轨道使其以最大的相对动量撞击目标小行星。NASA喷气推进实验室(JPL)最终摘得冠军。JPL提出的方案正是通过木星和土星的强大引力弹弓效应克服拦截器绕太阳公转的“顺行”速度,使其轨道相对小行星“逆行”,从而与目标“迎头相撞”。2012年JPL承办第六届国际空间轨道竞赛,竞赛题目是利用引力弹弓效应使探测器连续飞越木星的四个卫星,并力争实现对卫星表面区域的全覆盖。

  杨洪伟表示,引力弹弓的应用已经从竞赛概念走进了现实任务。NASA准备在2023年发射的“欧罗巴快帆”(Europa Clipper)探测器正是计划通过连续飞越木卫二、木卫三、木卫四实现对木卫二的45次飞越探测。

  设计实施不易 时间成本高昂

  “引力弹弓已经有多次成功应用,整体来看技术比较成熟,但实施起来也并非轻而易举。”龚胜平表示,其中最关键的就是深空自主导航、控制技术。此外,深空测控、定轨对航天测控基础设施的要求比较高,需要全球布设测控网络,甚至还要发射天基测控卫星。

  杨洪伟解释道,引力弹弓实施时距离地球很远,比如地球到木星的距离是地球到太阳距离的4倍多,地面与航天器直接通讯延迟严重,需要航天器自主实施导航和控制。引力弹弓产生的速度变化量很大,航天器进入行星引力区域的位置、速度大小、速度方向等条件稍有偏差就可能会导致实际飞行轨道大幅度偏离预定轨道,这要求航天器必须“控得准”。另外,提供借力的行星的引力情况具有一定的未知性,也会带来不利影响。

  杨洪伟告诉记者,1980年,“旅行者1号”在完成对土星的探测后,发现土卫六有浓密的大气层。于是JPL操控“旅行者1号”去飞越土卫六进行观测,但土卫六将“旅行者1号”直接甩出了黄道面,使其无法再继续探测天王星和海王星。“旅行者1号”的行星探测计划提前终止。这一事件表明,实施引力弹弓还是有一定风险的。

  “如果行星有大气,‘借力’的风险会更高。”龚胜平认为,如果航天器进入行星大气层,大气阻力过大,轨道和姿态控制都会比较困难,稍有偏差就会直接撞向行星,使飞行任务完全失败。

  “所以,实施引力弹弓往往会预设安全距离。”杨洪伟介绍,对于有大气的类地行星,如金星、火星等,飞越轨道高度控制在300公里以上。木星的磁场很强,飞越高度要求更是其半径的5倍以上。另外,引力弹弓在轨道设计上也有难题,特别是需要飞越多个行星的复杂任务。先飞越谁、后飞越谁、每个行星飞越几次,潜在的可行飞越序列有很多种,不同探测目标的最优序列也不同,这要求很强的轨道优化设计能力。

  “引力弹弓能够帮助人类完成原来难以实现的深空探测任务,但也并非没有缺点,其最大的问题就是时间成本高昂。”龚胜平强调,这是由于行星都在运动之中,航天器要想与其相逢往往需要在轨道上“空转”等待。例如航天器直接飞往水星只要四五个月,但采用引力弹弓的“信使号”足足飞了6年半,“比皮·科伦坡”更是需要7年,多出来的时间都用在了“漫长的等待”上。

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