上世紀六、七十年代,正值美蘇冷戰的巔峰時期,這兩個超級大國之間的對決已經從地面延伸到了太空,此時米國為了展示自己的高超技術,制定了一項宏偉的太空探索計劃,命名為水手計劃,於是從1962年到1973年10月米國總共發射了10顆水手系列探測器,它們的任務是去探索金星、水星以及火星,最後只有其中的7顆獲得了成功
然而這個專案最令人印象深刻的還是接下來的水手11號及12號,因為在1977年正好遇到了太陽系的多顆行星將呈幾何排列在太陽一側的難得機遇,只要把握好這次機會,就可以使得探測器攜帶較少的燃料,且可以在最短的時間內造訪木星、土星、天王星以及海王星。於是原本的水手11號以及12號太空船便被改名為旅行者1號及2號,負責去探索這些遙遠的行星。
1977年9月5日旅行者1號在佛羅里達州被泰坦三號E半人馬座火箭成功發射升空,並於1979年1月開始對木星進行拍攝,在對木星進行了近三個月的拍攝後,它接下來的任務便是飛往更遠的土星,然而由於太陽引力的拖拽,旅行者1號的速度持續下降,最低是甚至達到了14公里每秒,然而此處物體的太陽系逃逸速度為18公里每秒,若是不對飛行器進行加速的話,它將無法飛出太陽系完成後續任務。
於是旅行者1號便開始採取機動飛掠木星,並藉助木星的強大引力實現了自身的加速,其日心速度一度達到了37公里每秒,遠遠超過了此處的太陽系的逃逸速度,那麼為什麼旅行者1號一進一出木星就可以獲得如此高的速度?它的能量又是來自哪裡?其實這就是著名的引力彈弓效應,是由前蘇聯科學家尤里康德拉圖克於1918年提出
以木星為例,假設木星圍繞太陽的速度為U,此時一個探測器以v的速度以相對木星的運動方向進入木星的引力範圍,那麼探測器與木星的相對速度就是為U+V,然而當探測器繞行木星半周後再射出木星時,兩者的方向相同,由於它們的相對速度不變,所以探測器理論上的速度就必須達到V+2U,而探測器獲得的這部分額外動能則是由木星所提供的。但由於木星比探測器的質量大得多,所以木星損失的這點動能在速度上根本體現不出來。
但在實際的航天應用中,由於探測器的入射和射出角度不同,它額外獲得的速度也會有差異,但最高時也只能是接近行星速度的2倍,引力彈弓效應不僅可以給探測器帶來加速效果,它也可以實現探測器的減速。比如,2004年NASA發射的水星探測器-信使號,由於它在不斷的接近水星時也會更加的靠近太陽,所以它逐漸累積了較高的速度,如果不對信使號進行減速的話,那麼它將無法被水星引力成功捕獲。
所以原本只需三個月的行程,信使號卻花了長達6年多的時間來藉助行星大氣以及引力彈弓效應進行減速,最後信使號於2011年3月18日成功進入了水星軌道,引力彈弓的發現和利用對目前的深空探索極其重要,假如沒有發現引力彈弓效應,以我們人類目前的科學技術想要探索宇宙深空也許還只是一個夢想,所以學會利用天然存在的力場探索宇宙,也同樣是一種高超的智慧。(以上內容取材於網路,請理性看待)