什么是引力弹弓?

天文学家马特·博思韦尔(Matt Bothwell)帮助肯解决了这个问题……

马特:这是人们在天文工程中使用的一种机动方式，通过绕过天体来提高航天器的速度，通常是行星或卫星之类的。如果你想象一艘宇宙飞船在太空中飞行为了让它加速或减速，它需要一些能量而能量是不能被创造或毁灭的，对吧?这是物理学最基本的原理之一。但它可以从一个地方移动到另一个地方。所以如果你飞过一颗行星，就有可能从那颗行星上窃取一些能量，一些动量，并将其转移到航天器上。

克里斯-我明白了如果我把自己瞄准一个遥远的物体，比如说我指向木星，我就会感受到木星对我的重力加速度，所以我要向木星加速一点。但是当我经过木星的时候，为什么我没有失去给我的推力呢?为什么我不用把它还回去?因为很明显我不想永远跟着木星转。我想去我想去的地方。那么为什么我不再失去能量呢?

马特:关键是要把握好角度。所以你是完全正确的，比如当你飞向木星时，你的速度会越来越快，因为你被它的引力场拉着。在正常情况下你会旋转然后失去所有的能量。但是通过仔细计算角度，这就是为什么我们称它为引力飞掠，你可以计算出它是正确的，所以你实际上带着比你获得的更多的能量离开。通常使用的类比有点像从高速行驶的火车上反弹网球，对吗?如果你在车站看到一列火车向你驶来，你可以轻轻地向它扔一个网球，然后它会以每小时100英里的速度击中火车，然后飞起来，对吗?这就从火车上窃取了一些能量。

克里斯:所以球不仅会反弹回你身上，而且还会随着火车向一边移动。你是这个意思吗?

马特:没错。基本上是动量的增加。显然没有什么是免费的。所以当宇宙飞船获得一些能量时，地球也会失去这些能量，对吧?所以，就像宇宙飞船以更快的速度离开一样，在宇宙飞船离开后，这颗行星的速度却变慢了一点。

克里斯:所以你基本上计划了你的旅程，你的目标是木星，因为木星在正确的位置，它在加速你，但是木星在它的轨道上移开了，但是你在一个新的轨道上继续前进，但是你在正确的方向上得到了一点推动?你以各种方式不断重复这个循环，以获得越来越多的自由能，就像从给你能量的行星上获得的那样，最终给你自己更快的速度?

马特:没错。规划旅程实际上是非常非常重要的，因为很明显，你需要一个行星在你的轨道上，为了得到一个这样的飞越。在20世纪70年代末，当旅行者号任务被发射出去的时候，有一个非常幸运的例子。有所谓的大旅行。所以四颗外行星，木星，土星，天王星和海王星都在一条直线上。所以我们可以用引力弹弓穿过它们，得到一个非常非常好的助推，进入外太阳系。