简介

原理解释

重力助推法的历史渊源

重力助推法的局限(两个局限 相关探讨)

简介

在航天动力学和宇宙空间动力学中，所谓的重力助推（也被称为重力弹弓效应或绕行星变轨）是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。重力助推既可用于加速飞行器，也能用于降低飞行器速度。

原理解释

行星的重力助推作用能够改变飞行器相对于太阳的速度，但由于必须遵守，所以它和行星间的相对速度并没有改变。在飞行器第一次从远距离接近行星时，产生的运动效果就像该飞行器被行星反弹开了。科学家们称这种情况为弹性碰撞，不过两者之间并没有发生实体接触。

假设你是一个静止的观测者，那么你就会看到：行星以速度U向左运动，飞行器以速度v向右运动。由于两者的运动方向相反，所以当飞行器运行至行星右侧时，其轨道就会发生弯曲，进而以U+v的相对速度（相对于行星表面）运行。当飞行器脱离环行星轨道时，其相对于行星表面的速度仍然为U+v，但是此时的运动方向与原来相反——即向左运动。而由于行星本身正以速度U向左运动，所以在观测者看来，飞行器正以2U+v的速度向左运行——其速度提升幅度为2U，即行星运行速度的两倍。

由于未考虑轨道的各种细节，所以这是一个过于简单化的模型。但是事实证明如果飞行器沿双曲线轨道运行，则其无需启动引擎既可从相反方向离开行星，同时只要其脱离了该行星引力的控制，那么它就可以获得2U的加速度。

该理论看似违背了能量守恒和动量守恒定律，但这是由于我们忽略了飞行器对行星的影响。飞行器获得的线性动量在数值上等同于行星失去的线性动量，不过由于行星的巨大质量，使得这种损失对其速度的影响可以忽略不计。

在现实宇宙空间中飞行器与行星的相遇实际上会出现两个维度上的因素。在上述理论所提供的案例中，由于要求提高飞行器的速度，所以需要实现的是矢量增益，如右图所示。

同时，重力助推也能被用于降低飞行器的速度。1974年的水手10号以及后来的信使号即通过重力助推实现了减速，两者都是飞往水星的探测器。

如果飞行器需要获得更多的加速度，最经济的做法是当其位于行星近拱点时点燃火箭。火箭助推为飞行器提供的加速度总是相同的，但是它引起的动能变化则与飞行器的实时速度成正比。所以为了从火箭助推中获得最大动能，火箭必须在飞行器速度最大时——即处于近拱点时点火。在奥伯特效应中该技术得到了详细阐释。

重力助推法的历史渊源

最初提出重力助推法的科学家是苏联的尤里·康德拉图克(Кондратюк, Юрий Васильевич)。他在所署时间为‘1918-1919’ 的论文‘Тем кто будет читать, чтобы строить’（《致有志于建造星际火箭而阅读此文者》） 中提出在两颗行星间飞行的飞船可以使用两行星卫星的重力实现轨道初段的加速和轨道末段的减速。

弗里德里希·詹德(Friedrich Zander)在其1925年的论文‘Проблема полета при помощи реактивных аппаратов: межпланетные полеты’（《星际飞行中喷气推进的问题》） 中也提出了类似的构想。

但是两者都未能意识到行星沿飞行器轨道施加的重力助推能够推进飞行器从而减少飞行器星际间飞行的燃料消耗。 这一设想由麦可·米诺维奇(Michael Minovitch)于1961年提出。

1959年，重力推进法得到了首次应用，当时苏联的侦测器月球3号使用该法运行至月球背面并拍摄了该区域的照片。当时这一操作流程由克尔德什应用数学研究所所设计。

重力助推法的局限

两个局限

在实际操作中，使用重力助推法的主要局限是行星和其他大质量天体并不总是在助推的理想的位置上。例如70年代末旅行者号得以成行的重要原因是当时木星、土星、天王星和海王星都将运行至助推的理想地点，形成了一个队列。类似的队列将要到22世纪中期才会再次出现。这是一个极端的例子，但是即使是某些目标较小的计划，为了等待行星到达理想的位置，也必须空耗去数年时间。

该方法的另一局限是提供重力助推的行星的大气。由于重力与距离的平方成反比，所以当飞行器越接近行星时，其所获得的重力助推效果就越显著。但是如果飞行器太过于接近行星，从而过于深入行星大气，那么其损耗的能量将会大于其从行星重力助推中获得的能量。

相关探讨

当然，从另一方面说，该效应也能够用来实现大气制动。也有人提出（至今还只是停留于理论阶段）当飞行器穿越大气层时可以利用大气层的气动升力为飞行器提供大气推进力。该方法能够将飞行器的轨道挠曲为一个较之重力助推更大的角度，因此也能够获取更多的动能。

使用太阳作为行星间重力助推的天体是不可能的，因为太阳相对于太阳系整体来说是相对静止的。但是，接近太阳时所获得的强大推进也和重力推进由相似的效果。该方法能够极大增加飞行器的动能，但是存在着飞行器是否能够抵御太阳高温的问题。

而对于星际间的旅行，使用太阳作为重力助推的星体是可行的，如原本属太阳系内的天体就可在飞掠太阳时获得推进从而开始它的银河系之旅，其能量和角动量来自于太阳环绕银河运转的轨道。但是这种星际间旅行所需的时间是超出人类可接受范围的。

该方法的另一个理论上的限制是广义相对论。如果飞行器接近黑洞的史瓦西半径，它就需要更多的能量才能从这个极度扭曲的空间中逃逸出来，所耗的能量将会多于从黑洞的重力助推中获得的能量。

不过，如果一个转动的黑洞的自转轴指向理想的方向，它就有可能提供额外的重力助推效果。广义相对论预言一个较大的转动天体的附近会出现参考系拖拽现象，即附近的空间被拖拽往天体自转的方向。理论上一颗普通的恒星也会出现这种现象，但是对太阳附近空间所作的观测至今未能得出确定的结果。广义相对论预言在转动的黑洞附近围绕着一层被称为能层的空间。在这个空间中物体的正常状态仍然无法存在，因为该空间正沿着黑洞自转方向以光速被拖拽着运动。但是潘洛斯机制或许可以为飞行器从能层中获取能量，虽然这个过程要求飞行器必须将一些‘压仓物’抛入黑洞，这样飞行器也必须损失一部分由‘压仓物’所携带的能量，这部分能量则被黑洞吸收。