以经典力学中的“三体问题”为主要设定的科幻小说《三体》
导读：
从莱特兄弟发明飞机飞上天空，到苏联发射第一颗人造地球卫星进入太空，不过短短数十年。如今，人类航天器已经飞向太阳系深处，去探索那些遥远的神秘星球。然而，太空中没有空气，飞行器的飞行原理与飞机大不相同，那么人类又是如何解决这些问题的呢？ 撰文 | 张天蓉（美国德州大学奥斯汀分校理论物理博士）
审校 | 张双南（中国科学院高能物理研究所研究员）
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如果有人问你，人类飞向太空的第一阻力是什么？大多数人会不约而同地回答：是引力。的确如此，人类实现飞天梦的最艰难历程就是克服地球的引力。我们从中学物理中就学到了如何计算几个宇宙速度，那是人类摆脱地球或太阳引力的束缚冲向太空的几道门槛：如果达到 第一宇宙速度（7.9km/s）能让物体围绕地球旋转；如果达到第二宇宙速度（11.2km/s）便可以克服地球引力，绕着太阳转；第三宇宙速度（16.7km/s）标志着能够摆脱太阳的引力羁跘。
“旅行者”计划
不过，想跨越这几个门槛谈何容易？人类努力了几十年，迄今为止发射速度最快的航天器“新事业”（New Horizons），2006年发射时相对地球的速度为16.26 km/s，尚未达到第三宇宙速度。然而，人类于39年前发射的两个“旅行者号”探测器（voyager 1和voyager 2），旅行中的最高速度，却大大超过了这个速度。这其中有何奥秘呢？人造飞行器额外的动能从何而来？
东方热线首页图1：“新视野号”和“旅行者号”
以上问题的答案也是：引力。也就是说，对人类发射的航天飞行器而言，引力有时是阻力，有时又可能成为“推力”，我们可以利用太阳系中各大行星与飞行器间的引力作用，来加速飞行器。换个通俗的说法，让飞行器从高速运动的行星旁边掠过，顺便让自己得到加速度，从行星身上“揩点油”！
这种方法叫做“引力助推”，航天技术中经常用来改变飞行器的轨道和速度，以此节省燃料、时间和成本，这种方法既可用于加速飞行器，也可用于在一定的情况下降低飞行器速度。
如图1a中的红曲线所示，便是“旅行者2号”的速度在飞行过程中的变化情形。注意图中的速度是相对于太阳系坐标而言，因而与我们提及的相对于地球坐标而言的“宇宙速度”值有所区别，其差值是地球的公转速度，大约30km/s。红曲线上的四个尖峰分别代表该飞行器在经过土星、木星、天王星、海王星时因为“引力助推”而产生的速度变化。图中也画出2006年1月发射的“新视野号”的速度曲线（绿），与“旅行者号”的速度曲线相比较，明显地看出在四个行星附近，“引力助推”对“旅行者2号”的加速作用。图1b则显示了两个“旅行者号”探测器的行程。宋照肃
不过，引力助推的机会可遇不可求，要碰上一定的时机。1964年夏天，美国宇航局喷气推进实验室的Flandro，负责研究外太阳系行星任务。Flandro研究了木星、土星、天王星和海王星的运动规律，发现了一个176年才有一次的最好时机，那段时间（大约12年）以内，木星、土星、天王星和海王星都将位于太阳的同一侧，运行至实现“引力助推”的理想博司捷
地点，形成一个特别的行星几何排阵。基于这点，专家们促使NASA启动了“旅行者号”探测计划。
课堂教学即时评价1977年8月20日和9月5日，“旅行者2号”和“旅行者1号”从佛罗里达州的航天中心发射【注1】，这是两个几乎一模一样的“双胞胎妹”航天器，携带着镌刻了人类的消息和录音的金唱片，计算机的内存只有64KB（40年前的老古董电子设备，诸位可想而知是什么模样！）。“旅行者2号”，比她“” 的速度稍慢一点，但她丰富多产，成果不菲，顺利完成了造访4颗外行星的任务。这对“姊妹花”都曾经探测过土卫六的地貌，虽然不很成功，但也为后来的探索提供了许多有用的信息。土卫六是土星最大的卫星，有可能存在生命！“旅行者2号”在旅途中经过四次“引力助推”，将原来需要40年完成的4颗行星探索任务，用10年左右的时间内就提前完成了！“旅行者1号”快速访问了木星和土星后，继续高速飞行，如今已经越过太阳风的日球层边界，到达恒星际空间，成为了飞的最远的人类使者。两颗“旅行者号”虽然早已完成为预订任务，却并未“退休”，至今仍然每天向人类发回旅途日记。由于距离地球十分遥远，以光速传回的这些信息需要历时17小时才能抵达地球。
引力助推原理
最早提出该想法的是苏联物理学家尤里?康德拉图克。尤里于1897年生于乌克兰，是航天工程的先驱和理论家，曾被苏联政府流放和监禁，但在艰难的环境下钻研航天理论。后来，第二次世界大战中，尤里自愿入伍加入苏联红军，并于1943年在战争中阵亡。
图2：理解引力助推（或称重力弹弓）原理的直观图
尽管精确地计算飞行器的引力助推过程需要复杂的数学，但其物理原理却可以用图2中的例子，简单地使用动量守恒定律来直观解释。引力助推也被称为“重力弹弓”，因为它与弹性碰撞颇为类似。它利用飞船与行星及太阳之间的万有引力，使行星与飞船交换轨道能量，像弹弓一样把飞船抛出去。如图2右图所示，想象将一个篮球投向一列对面疾驶而来的火车。设篮球速度为V1=30mph，火车速度U=50mph，方向相反。最后结果如何？鉴于火车的质量比篮球大很多，篮球的质量可忽略不计，得到的结论是：碰撞后，篮球从火车那儿“捞了一把”，将以V2=V1+2U=130mph的速度向后方（火车的前方）飞去。火车因为质量大，速度几乎不变，仍然以原来的速度U照常行驶。人类发射到土星轨道附近的飞船与土星相遇时的情形便与刚才描述的“篮球撞火车”情形十分类似，只是飞船与土星并未直接接触，而是像图2左图所示的那样绕行过去，引力在其中扮演着重要的角。两者的物理原理虽然不同，但最后效果却是类似的：飞船得到了两倍土星速度的速度增值。
上海海洋大学学报也许有人会觉得以上的说法有违能量守恒。结论当然不是如此，实际上在两种情形下严格的计算都需要用到能量守恒。篮球的速度增加了，虽然看起来对火车似乎没有影响，但应该有那么一点极其微小的扰动，篮球增加的动能最终是来自于火车的动力系统。对飞船而言，能量则来自行星或太阳系。只有同时符合动量守恒定律、能量守恒定律、以及行星（如火车）质量远大于飞船（如篮球）质量，才能得到V2=V1+2U（建议读者简单推导一下，体会物理学的奥妙！）
coq10图3：研究引力助推的迈克尔
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