初始速度不够，如何给航天器进行加速？引力弹弓效应的加速原理

在宇宙探索的过程中有一个最为重要的问题，那就是速度。

人类对宇宙的探索脚步能够迈到多远，完全取决于人类所能够达到的速度。比如，人类想要将人造卫星送入地球轨道，让其围绕地球平稳运行，就必须要达到第一宇宙速度，也就是每秒7.9千米；如果人类想要发射一颗火星探测器，那就需要彻底摆脱地球引力，也就必须要达到每秒11.2千米的第二宇宙速度；如果人类想要把航天探测器发射到太阳系之外，去见证太阳系以外的世界，那就需要摆脱太阳引力场的束缚，也就必须要达到第三宇宙速度，每秒16.7千米。

总而言之，要摆脱一个引力场的束缚，就需要达到一定的初始速度，越强的引力场，想要摆脱，所需要的初始速度就越大。

在现实之中，航天器发射的时候是很难达到这么高的初始速度的。

原因有两个，一个是受限于人类现有的科学发展水平，另一个则是要考虑燃料的节约问题。想要提高航天器的发射速度就势必要消耗更多的燃料，而携带更多的燃料又会增加运载火箭的负担，所以在实际的航天工程中，往往发射的初始速度并不高，达不到摆脱相应引力场的要求，但是这些航天器会在进入宇宙空间之后进行加速，而为这些航天器加速的就是宇宙中各种各样的天体，而这些天体之所以能够成为加速器，就是源于引力弹弓效应。

以嫦娥四号月球探测器为例，它就是利用了地球的引力弹弓效应进行加速，因为搭载嫦娥四号的长征三号乙型运载火箭的初始速度不足以将它送入月球轨道，所以在发射升空之后，利用了地球的引力弹弓效应实现了加速，最终成功进入了月球轨道。

那么引力弹弓效应到底是怎么回事，它的加速原理是怎样的呢？

首先，我们引出一个概念，那就是弹性碰撞。假设有一面墙，我们向墙上投掷一枚石子，石子撞击墙壁后反弹，在不考虑空气阻力以及引力影响的情况下，这枚石子在撞击前和撞击后的相对速度应该是相等的，也就是说这枚石子投掷出去的时候是每秒2米，那么撞击墙壁后反弹回来的速度也应该是每秒2米。

当然，墙壁是不会动的，我们现在把墙壁换成一辆正在向我们驶来的汽车，它的速度为每秒10米，我们向它投掷石子，因为石子与汽车的运动方向是相对的，所以它们的相对速度就是10+2=12m/s。当石子撞击汽车反弹之后，它与汽车的相对速度依然是不变的，但此时石子与汽车的运动方向是相同的，所以石子的速度就是10+12=22m/s，石子的运动速度是22m/s，而汽车与石子同向运动，汽车的速度为10m/s，所以二者的相对速度仍然是12m/s。这就是弹性碰撞原理。

由弹性碰撞原理可知，石子投掷出去时的速度为2m/s，碰撞之后，由于弹性碰撞原理，碰撞后的石子的速度变为了22m/s，速度大幅提高了。

为什么要讲弹性碰撞原理呢？这是因为引力弹弓效应与弹性碰撞原理极为相似。只不过引力弹弓效应并没有发生真实的碰撞，而是利用了天体的引力效应。以地球为例，地球的运动速度约为30km/s，假设一个运动速度为5km/s的航天器以与地球运动方向相对的方向进入地球引力范围，那么此时它与地球的相对速度为35km/s，当它绕行地球之后，以与地球运动方向相同的方向离开地球时，它和地球之间的相对速度是不变的，仍然是35km/s，但此时地球与航天器在向同一个方向运动，所以要保证两者的相对速度仍为35km/s，此时航天器的速度就等于两倍的地球速度加上航天器的速度，也就是30+30+5=65km/s。这就是引力弹弓效应的加速原理。

在实际的应用过程中，由于每个天体的质量和速度都不相同，航天器进入天体引力范围的角度也不一样，所以所获得的加速效果自然也就不尽相同了。

曾经在1977年的时候，通过观测和计算发现，木星、土星、天王星和海王星都运行到了太阳的同一侧，如果此时发射航天器就能够依次利用这几个大质量的气态行星进行加速，是人类冲出太阳系的好机会，于是旅行者一号和二号依次发射升空了。当时旅行者二号航行到木星附近的时候，速度只有大约10km/s，而在利用了木星的引力弹弓效应加速之后，在离开木星的时候已经具备了35km/s的速度，远超第三宇宙速度，现在它已经运行到了距地球200多亿公里的地方。引力弹弓效应其实在很早的时候就已经被发现了，最先提出这一概念的是前苏联的科学家尤里，不过当时还无法对引力弹弓效应进行验证和计算，直到1961年，科学家米诺维奇才利用计算机对引力弹弓效应进行了精确的计算。