火星，我們的鄰居，太陽系內和地球最像的行星。2020年7月23號，中國首次火星探測任務“天問一號”探測器升空。到8月底，已累計飛行1億公里，而當到達火星時，“天問一號”將距離地球約1.95億公里，實際飛行路程約4.7億公里。
不僅是火星，人類有一天總會移民更多的星球，探測、登陸、定居……
飛向異星球的路遙遠無比，燃料是個大問題。有沒有什麼省油的小妙招呢？
我們的故事從學霸小黑開始講起。他從小就心心念念要探索宇宙，征服星辰大海。長大後終於得償所願，進入NASA做了一名航天工程師。
NASA的探火任務突遭意外，有個宇航員被孤零零丟在火星上，必須救他回來。可其他船員乘坐的赫爾墨斯號已經從火星升空，正在返航地球途中，燃料不足以支撐這樣來回折騰。更倒黴的是，從地球上發射的載有給養的救援飛船起飛後不久就爆炸了……
炸了……
了……
孤獨的宇航員坐在赭紅色的地平線上，望著遠方的故鄉，地球。比死亡更恐怖的是一步步滑向死亡深淵時的無力和絕望。
救，必須救。
NASA全員開始努力尋找解救方案，小黑也再次開啟了不眠不休模式。
怎麼救？
現在火星和地球被長達幾千萬公里的宇宙空間所阻隔，救援談何容易。
突然有一天，小黑靈機一動——用地球當“彈弓”，把現在正奔向地球的赫爾墨斯號再給“崩”回去！
於是就有了如下的名場面：
方案很簡單——算好赫爾墨斯號的軌道，以精確的角度進入地球引力範圍，飛船利用引力獲得加速，在正好繞了半圈後，飛船就可以“甩”向火星方向實施救援。
做個形象的比喻：地球像是一個大力士，接過赫爾墨斯號這顆飛來的“鉛球”，順勢轉身半圈，把鉛球用更大的速度拋了回去。
在場的所有人都聽明白了，是個可行的方案。於是，小黑獲得局長大人的盛讚：“OK，滾出去吧。”
這就是迄今為止真實感最強的近未來科幻電影《火星救援》，改編自安迪·威爾的同名小說。順便提一句，原著作者是暴雪公司的程式設計師，對，就是《魔獸》那個暴雪。為了寫這部小說，威爾自學了植物學、軌道動力學、火星概況等。
我們要探究的是：“引力彈弓”到底是個什麼東西？如何實現的？
引力彈弓一詞，近些年來在科幻作品中高頻出現。甚至有些網文會出現“XX的飛船失控，在星際間被各行星的引力彈弓彈來彈去……”，這是個巨大的謬誤，飛行器想要利用引力彈弓效應獲得加速，需要極其精確的軌道計算。
問：用好引力彈弓，攏共分幾步？
答：分三步。
以赫爾墨斯號為例。
第一步：飛船接近地球時，地球引力開始“吸”著飛船加速。
飛船滿心歡喜撲向地球的懷抱，飛呀飛，不用踩油門，速度還越來越快，好high喲。不難理解，此時的飛船類似墜落狀態。
第二步：同時，地球正在從圖右位置向左側公轉。
飛船飛著飛著發現：咦，地球呢？腫麼不見了？腫麼引力感越來越弱呢？答案很簡單：地球跑了。
第三步，地球離飛船越來越遠，終於，明顯的引力加速度消失了。但此刻飛船已經處在更高速度上。
可以看出，要用好引力彈弓效應實現加速，飛船軌道計算必須極其精準。遠不是網文想象的那麼容易，稍有不慎，飛船就會體驗“彈弓崩到自己臉上的100種死法”。
離行星太近，直接墜毀，撞死……
離行星太遠，使不上勁，跑偏了，餓死……
人類航天史上對這一效應利用最充分、最著名的例項莫過於旅行者1號、2號。
旅行者1號探測器實物圖
旅行者引力彈弓圖
1977年，太陽系的4顆行星木星、土星、天王星、海王星出現了巧妙的幾何排列，以人類製造的航天器速度，正好可以依次飛掠這4顆行星。這種排列下一次再出現時，要等到176年後，於是，旅行者探測器發生升空。
如上圖，旅行者1號和2號分別利用了不同行星的引力彈弓，不斷獲得新的加速。例如旅行者2號在接近土星時，因為太陽引力的原因，速度已經降到了16KM/S，但離開土星時，速度陡增到34KM/S。
土星加油站今日免費大放送！有木有！
星際航行中，加速是個難題，減速也是。《三體》中三體第一艦隊來侵略地球時，有近一半的燃料用於減速。
聰明如你者，一定想到了引力彈弓的另一種用法——減速。
和加速正好相反，利用行星在飛船後方的引力，使飛船向後被行星“拽”住。
聰明如你者，肯定又想到了一個話題：能量守恆。
飛船的加速減速，都需要能量，那這些能量從哪裡來的？
答案是：行星提供的。
飛行器每利用一次引力彈弓，行星公轉速度都會減慢一丟丟。萬有引力，飛船也在反方向吸引著行星嘛。
啊？那行星會不會被飛船們拽停呢？不會，因為飛船太輕，相比行星而言質量很小很小，行星損失的公轉速度幾乎可以忽略不計。
除非N年後人類的飛行器太多，累積質量多到足以影響行星公轉……那麼，在木星上的“引力彈弓加油站”會不會就要收費了，天啊，那得是多賺錢的一門生意……打住，想多了。
引力彈弓，不神秘，很簡單，基本原理都在初中物理課本中。人類在大航海時代的前夜，飛行器往往還需要藉助行星引力，希望有一天我們的航天器自身動力能夠強勁到無需引力彈弓，自力更生，嗨嗨皮皮地直奔星辰大海而去。
文：東方曉燦
