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日期:2019-12-22编辑作者:澳门新葡8455手机版

三体问题是一个困扰了学术界长达300多年的超级难题。一大批著名的数学家,包括大名鼎鼎的牛顿爵士,都对它无可奈何。那为何米诺维奇作为一个初出茅庐、名不见经传的研究生,却敢啃这样的硬骨头呢?因为他有一个连牛顿爵士都没有的秘密武器。

“引力弹弓能够帮助人类完成原来难以实现的深空探测任务,但也并非没有缺点,其最大的问题就是时间成本高昂。”龚胜平强调,这是由于行星都在运动之中,航天器要想与其相逢往往需要在轨道上“空转”等待。例如航天器直接飞往水星只要四五个月,但采用引力弹弓的“信使号”足足飞了6年半,“比皮·科伦坡”更是需要7年,多出来的时间都用在了“漫长的等待”上。

澳门新葡8455手机版 1卡西尼号的航线图。图片来源:Nasa.gov

还记得去年八月开启“奔日”旅程的“帕克”太阳探测器吗?它正跋涉在逐步靠近太阳的旅途上。按照计划,它已于近日抵达第二个轨道近日点。而在整个飞行过程中,它将7次利用金星的引力弹弓作用,一次次靠近太阳,直至“触摸”太阳。

澳门新葡8455手机版 2IBM-7090(左)和它的控制台(右)。图片来源:(左)IBM.com,(右)IBM 7090/Wikipedia

虽然“帕克号”遥不可及,但引力弹弓对人们已不是个陌生词汇。在电影《流浪地球》中,人类将地球送出太阳系的过程中便用到了木星的引力弹弓效应。随着电影的热映,引力弹弓已然成为观众最为关注的“硬核”科技之一。

其中一件是在旅行者号探测器发射40周年之际,NASA为它发送了一句由很多网民投票选出的寄语:“We offer friendship across the stars. You are not alone.(友谊跨越繁星,你不是孤身一人。)”

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1964年的夏天,一个名叫加里·弗兰德罗(Gary Flandro)的加州理工学院研究生,跑到NASA下属的一个实验室去做暑期实习。他的任务是计算从地球飞往其他行星都有哪些可能的航线。这是一份技术含量不高的差事,所以一般人都不愿意做。但在算了上百条平淡无奇的航线之后,弗兰德罗却发现了一条意义非凡的航线,也就是下图显示的这条。

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澳门新葡8455手机版 4旅行者2号的航线图。图片来源:Voyager 2/Wikipedia

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但是人类对太空的探索没有停止,引力弹弓的故事也还将继续。(编辑:婉珺)

引力弹弓究竟是怎样实现加减速的?南京航空航天大学航天学院副研究员杨洪伟表示,如果航天器从行星运动方向的前侧飞越,那么行星的引力就会把航天器向后拽,这样的引力弹弓效果就是减速。

你可以把这个物理过程理解为搭便车。如果一个人在马路上跑步,那他相对于地面的速度总是有限的。但如果他在一列开着的火车上跑步,他自身的速度就会和火车的速度叠加在一起,从而使他相对于地面的速度大大增加。

“所以,实施引力弹弓往往会预设安全距离。”杨洪伟介绍,对于有大气的类地行星,如金星、火星等,飞越轨道高度控制在300公里以上。木星的磁场很强,飞越高度要求更是其半径的5倍以上。另外,引力弹弓在轨道设计上也有难题,特别是需要飞越多个行星的复杂任务。先飞越谁、后飞越谁、每个行星飞越几次,潜在的可行飞越序列有很多种,不同探测目标的最优序列也不同,这要求很强的轨道优化设计能力。

就是这么一个纯粹的数学问题,居然为人类打开了通往其他行星的大门。

“如果行星有大气,‘借力’的风险会更高。”龚胜平认为,如果航天器进入行星大气层,大气阻力过大,轨道和姿态控制都会比较困难,稍有偏差就会直接撞向行星,使飞行任务完全失败。

事实上,1961年的米诺维奇还不算一个严格意义上的数学家,因为他当时还只是一个加州大学洛杉矶分校数学系的研究生。在攻读博士学位期间,米诺维奇研究的是一个困扰了学术界好几百年的难题:著名的三体问题

那么,出现在深空探测实践和科幻电影中引力弹弓到底是什么?什么情况下才需要借助引力弹弓完成任务呢?

在旅行者号发射升空的20年后,同样借助引力弹弓效应,卡西尼号也开始了它的旅行。首先,它飞向方向相反的金星,并于1998年4月和1999年6月两次向金星借力;然后,它于1999年8月飞回到地球附近,向地球也借了一次力;接着,它于2000年12月飞到木星附近,向木星又借了一次力;最后,它于2004年7月飞到土星,成了土星的第一颗人造卫星。尽管整个路程是正常路程的2.5倍,由于引力弹弓大大提升了探测器的飞行速度,最终的飞行时间反而大大减少。

除了任务越来越复杂,引力弹弓的潜在应用领域也越来越广。杨洪伟补充道,2005年欧空局承办第一届国际空间轨道设计竞赛,竞赛题目是“拯救地球”,即设计拦截器空间飞行轨道使其以最大的相对动量撞击目标小行星。NASA喷气推进实验室最终摘得冠军。JPL提出的方案正是通过木星和土星的强大引力弹弓效应克服拦截器绕太阳公转的“顺行”速度,使其轨道相对小行星“逆行”,从而与目标“迎头相撞”。2012年JPL承办第六届国际空间轨道竞赛,竞赛题目是利用引力弹弓效应使探测器连续飞越木星的四个卫星,并力争实现对卫星表面区域的全覆盖。

说回到文章开头我们谈的两个太空探索任务。它们的航行路线都与引力弹弓密不可分。

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下图就是米诺维奇的秘密武器:加州大学洛杉矶分校的IBM-7090计算机。别看IBM-7090这么巨大,它的计算速度其实很慢,虽然是当时最快的计算机,但是却比今天最差的笔记本电脑还要差得远。光是慢也就罢了,它用起来还特别贵。据米诺维奇本人介绍,IBM-7090一旦开机,一小时就得花掉1000美元。要知道,当时一个美国家庭的平均年收入也才5000多美元。换句话说,你要是用这台电脑玩上5个小时的游戏,这一年全家人就得陪你一起喝西北风了。

这需要更多次借助引力弹弓减速。2004年NASA发射的“信使号”水星探测器先后1次飞越地球、2次飞越金星、3次飞越水星减速;2018年10月发射的由欧空局和日本宇宙航空研究开发机构联合研制的“比皮·科伦坡”水星探测器更是计划通过飞越1次地球、2次金星、6次水星才进入环水星轨道。

这个物理过程被称为“引力弹弓”,它是人类航天史上的一个里程碑式的发现。在发现引力弹弓之前,人类发射的航天器连火星也到不了;而在此之后,人类就有了探索整个太阳系的能力。

“引力弹弓不仅能实现电影中的加速作用,也能使航天器减速。”龚胜平介绍,美国国家航空航天局在1977年开始的“壮丽旅程”计划就利用了引力弹弓的加速作用,旨在将航天器送出太阳系。其中“旅行者1号”只经过木星和土星的两次加速就达到了太阳系逃逸速度,“旅行者2号”更是利用了木星、土星、天王星、海王星的四次加速。1974年美国发射的人类历史上首个水星探测器“水手10号”则通过飞越金星减速,实现靠近水星的目的。

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