火星救援中的引力彈弓是什麼?

在電影《火星救援》中，NASA計算了馬克·沃特尼的食物儲備和他種土豆的供給情況，最初決定先發射一艘食物補給飛船過去，等下一次執行火星地面任務，再用阿瑞斯4號接沃特尼回來。萬萬沒想到運載補給船的火箭剛升空就爆炸了，NASA員工們內心一定有一萬頭草泥馬奔騰而過。不過這未嘗不是一件好事，畢竟在地球這端出事，總好過補給飛船花了八個多月時間降落火星時再發生事故的好，不然沃特尼真的將成為「迄今為止唯一死在火星上的人」了。

這個時候，NASA的黑人小哥靈機一動，想出一套拯救沃特尼的絕（he）妙（he）的方案。為了驗證這個方案，小哥還用超級計算機演算了一遍。這一段還真是槽點滿滿的，且不說未經申請個人電腦就能接入超級計算機太扯淡，NASA小哥用的引力彈弓方法也只是一種飛行器加速常用的方法，而且還要用讓5個本來正常執行任務的太空人冒著極大的風險去拯救一個基本會要狗帶的太空人。真不知道該說這是美國的英雄主義特色，還是《火星救援》作者安迪·威爾是個白蓮花呢。

引力彈弓到底是什麼鬼？

為了讓觀眾弄懂引力彈弓的方案到底是怎麼回事兒（因為NASA工作人員才不會這麼小白啊），黑人小哥還用了一個形象的比喻來說明他的救援方案。

引力彈弓並不神奇，我們可以把「赫爾墨斯」號飛船想像成一個桌球，當它飛向一面靜止的球拍時，反彈速度是相同的（不考慮重力、空氣阻力、非彈性碰撞，其實是速率，那些理工宅想要刁難小編的情況）。但如果這個球拍向著來球方向移動，那這個球與拍相撞後反彈速度就會變快。在這裡，這面移動的球拍就是繞太陽公轉的地球，飛船從地球公轉中竊取了少量動能，從而獲得了更快的速度。跟球拍在球運動軌跡外側施力碰撞反彈不同的是，「赫爾墨斯」號的「反彈」是受到地球引力的牽引，所以是在繞過地球時，受到來自運動軌跡內側的力。

這樣的應用十分常見，我們向地球以外的天體發射飛行器時，常會應用到其他行星或天體做引力彈弓，以此來節省燃料、時間和計劃成本。比較經典的可能是美國的「卡西尼」號了，它於1997年10月15日從地球發射前往目的地——土星，但只帶了很少的燃料，它在1998年4月26日利用了金星的彈射，在1999年7月24日利用了金星的第二次彈射，又於1999年8月18日利用了地球的彈射，後於2000年12月30日利用了木星的彈射，最終於2004年7月1日抵到達土星。

「卡西尼」號從地球到土星的旅程

像「卡西尼」號這樣，利用引力彈弓算是非常溫柔的，因為這些行星引力都太弱，無法提供強烈的偏轉。而在電影《星際穿越》中，庫珀使用引力彈弓的劇情就更極端了。他的目的是使「巡邏者」號飛船到達米勒星球，這就需要降速c/3，他採用的方案是利用一顆中子星進行引力彈弓減速。

還是用桌球的例子來說，如果要減速，就需要球拍跟球移動方向相同，這樣桌球反彈後的速度就變慢了。「巡邏者」號飛船的航行軌跡的引力會拉拽中子星，降低飛船的速度，這個過程叫做「動力學摩擦」。

用引力彈弓的方法加速

用引力彈弓的方法減速

想要區分引力彈弓是加速還是減速，主要看飛行器經過天體時，是在天體運動方向的前方還是後方，如果是後方就是加速，前方則是減速。

電影《星際穿越》的唯一科學指導基普·索恩通過計算發現，中子星的引力並不能滿足減速要求，要達到這樣的減速大概需要質量為卡岡都亞千分之一的黑洞，他還用自己的方程和Mathematica模擬出了它們的圖像。下面這一系列圖片，就是庫珀將會在引力彈弓旅途中看到的景象。

以卡岡都亞為背景，用中等黑洞質量作引力彈弓時會看到的場景

如何巧用引力彈弓，把飛船加速至光速？

事實上，引力彈弓還有更多妙用。在基普·索恩為同名電影寫的《星際穿越》一書中提到，可以利用雙黑洞系統製造一個飛船加速器，從而以極少的燃料將飛船加速至接近光速。

這個雙黑洞系統有不少限制條件，需要兩個黑洞足夠大，不會出現潮汐力毀掉飛船的情況，而且二者處在極其橢圓的軌道上，使得人們可以駕駛著化學或核燃料飛船接近雙黑洞系統中的一個，開始所謂的變焦-旋轉軌道。

飛船應首先向黑洞（變焦）降落，繞黑洞旋轉幾圈，之後等待黑洞運行到幾乎正對著它的「同伴」時，（變焦）飛離黑洞，與伴黑洞交匯，滑入伴黑洞的旋轉軌道。如果這兩個黑洞還是彼此相向而行的話，那麼經過短暫的旋轉後，飛船還可以（變焦）升軌回到第一個黑洞去。

如果兩個黑洞已經不再相向而行，那麼飛船就要在旋轉軌道上待久一些；你必須把自己駐留在第二個黑洞的軌道上，直到兩個黑洞下一次碰頭時，再回到第一個黑洞。用這種辦法——總是等雙黑洞彼此接近的時候去躍遷，你就能讓飛船就能加速得越來越快。只要雙黑洞的軌道足夠橢圓，你想多接近光速就能多接近。

這個方案的非凡之處是，你只需極少的火箭燃料去控制在每個黑洞邊上該待的時間。關鍵在於，飛船應進入黑洞的臨界軌道，以及在那裡對迴旋進行控制。一旦你達到了想要的接近光速的速度，就可以發動火箭離開臨界軌道，飛向宇宙深處的目標星系。

變焦-迴旋軌道能把飛船的速度提升到接近光速

發動火箭離開臨界軌道，飛向遙遠的星系

這趟旅行路途遙遠，差不多有100億光年的距離。但當你移動的速度接近光速的時候，你的時間流逝比起地球將大為減緩。如果你足夠接近光速，就能按照自己的設想在幾年甚至更短的時間裡到達目的地——按照你測量的時間。可能的話，你還可以在目的地附近找一個用來減速的高度橢圓軌道雙黑洞系統。

雙黑洞系統內的減速彈弓效應

這種類型的引力彈弓效應能夠提供一種方法，以跨越星系際尺度的距離，然後把文明散播出去，主要的障礙（也許是難以逾越的）是如何找到或者製造所需要的雙黑洞系統。如果你處於一種足夠發達的文明之中，那麼發射端的系統可能還不是問題，但減速系統就另當別論了。

你也可以用同樣的方法回家，但你的歸來可能不會非常愉快。因為時間膨脹效應，地球已經過去了十幾億年，而你的年齡只長了幾歲。想像一下，你會面對什麼樣的景象？

本文來源：網易科技報導 責任編輯：白鑫_NT4464