43
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(fā)射一艘食物補(bǔ)給飛船過去，等下一次執(zhí)行火星地面任務(wù)，再用阿瑞斯4號接沃特尼回來。萬萬沒想到運(yùn)載補(bǔ)給船的火箭剛升空就爆炸了，NASA員工們內(nèi)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(bǔ)給飛船花了八個多月時間降落火星時再發(fā)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(jī)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(jī)演算了一遍。這一段還真是槽點(diǎn)滿滿的，且不說未經(jīng)申請個人電腦就能接入超級計算機(jī)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(zhí)行任務(wù)的宇航員冒著極大的風(fēng)險去拯救一個基本會要狗帶的宇航員。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。
為了讓觀眾弄懂引力彈弓的方案到底是怎么回事兒（因為NASA工作人員才不會這么小白?。?，黑人小哥還用了一個形象的比喻來說明他的救援方案。
其實，引力彈弓并不神奇。
我們可以把“赫爾墨斯”號飛船想象成一個乒乓球，當(dāng)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，那這個球與拍相撞后反彈速度就會變快。
在這里，這面移動的球拍就是繞太陽公轉(zhuǎn)的地球，飛船從地球公轉(zhuǎn)中竊取了少量動能，從而獲得了更快的速度。跟球拍在球運(yùn)動軌跡外側(cè)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(yùn)動軌跡內(nèi)側(cè)的力。
這樣的應(yīng)用十分常見，我們向地球以外的天體發(fā)射飛行器時，常會應(yīng)用到其他行星或天體做引力彈弓，以此來節(jié)省燃料、時間和計劃成本。比較經(jīng)典的可能是美國的“卡西尼”號了，它于1997年10月15日從地球發(fā)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，又于1999年8月18日利用了地球的彈射，后于2000年12月30日利用了木星的彈射，最終于2004年7月1日抵到達(dá)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(qiáng)烈的偏轉(zhuǎn)。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(dá)米勒星球，這就需要降速c/3，他采用的方案是利用一顆中子星進(jìn)行引力彈弓減速。
還是用乒乓球的例子來說，如果要減速，就需要球拍跟球移動方向相同，這樣乒乓球反彈后的速度就變慢了?！把策壵摺碧栵w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(xué)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(qū)分引力彈弓是加速還是減速，主要看飛行器經(jīng)過星球是在星球運(yùn)動方向的前方還是后方，如果是后方就是加速，前方則是減速。
電影《星際穿越》的唯一科學(xué)指導(dǎo)基普·索恩通過計算發(fā)現(xiàn)，中子星的引力并不能滿足減速要求，要達(dá)到這樣的減速大概需要質(zhì)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(zhì)量作引力彈弓時會看到的場景）
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(tǒng)制造一個飛船加速器，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(tǒng)有不少限制條件，需要兩個黑洞足夠大，不會出現(xiàn)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(xué)或核燃料飛船接近雙黑洞系統(tǒng)中的一個，開始所謂的變焦-旋轉(zhuǎn)軌道。
飛船應(yīng)首先向黑洞（變焦）降落，繞黑洞旋轉(zhuǎn)幾圈，之后等待黑洞運(yùn)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(zhuǎn)軌道。如果這兩個黑洞還是彼此相向而行的話，那么經(jīng)過短暫的旋轉(zhuǎn)后，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(jīng)不再相向而行，那么飛船就要在旋轉(zhuǎn)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(guān)鍵在于，飛船應(yīng)進(jìn)入黑洞的臨界軌道，以及在那里對回旋進(jìn)行控制。一旦你達(dá)到了想要的接近光速的速度，就可以發(fā)動火箭離開臨界軌道，飛向宇宙深處的目標(biāo)星系。
（變焦-回旋軌道能把飛船的速度提升到接近光速）
（發(fā)動火箭離開臨界軌道，飛向遙遠(yuǎn)的星系）
這趟旅行路途遙遠(yuǎn)，差不多有100億光年的距離。但當(dāng)你移動的速度接近光速的時候，你的時間流逝比起地球?qū)⒋鬄闇p緩。如果你足夠接近光速，就能按照自己的設(shè)想在幾年甚至更短的時間里到達(dá)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(tǒng)。
（雙黑洞系統(tǒng)內(nèi)的減速彈弓效應(yīng)）
這種類型的引力彈弓效應(yīng)能夠提供一種方法，以跨越星系際尺度的距離，然后把文明散播出去，主要的障礙（也許是難以逾越的）是如何找到或者制造所需要的雙黑洞系統(tǒng)。如果你處于一種足夠發(fā)達(dá)的文明之中，那么發(fā)射端的系統(tǒng)可能還不是問題，但減速系統(tǒng)就另當(dāng)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(yīng)，地球已經(jīng)過去了十幾億年，而你的年齡只長了幾歲。想象一下，你會面對什么樣的景象？
推薦閱讀：
2、馬特·達(dá)蒙真的需要被第三次拯救嗎？看《火星救援》中的科學(xué)與不科學(xué)
【創(chuàng)馬“火星救援”專場開啟招募】
在未來三個月內(nèi)的某個時間點(diǎn)（我們希望在2015年農(nóng)歷春節(jié)之前），雷鋒網(wǎng)硬創(chuàng)邦將在北上深三大城市選擇一個地點(diǎn)，讓所有學(xué)者、創(chuàng)客、科幻愛好者一起，動用力所能及的工具，包括開源開發(fā)板、3d打印機(jī)等，為六千萬公里外火星上人類的生存出謀劃策并開發(fā)出產(chǎn)品。
活動接受團(tuán)隊、個人參賽，參賽團(tuán)隊以“3-5人”為小組，需要在48小時內(nèi)完成最終的產(chǎn)品開發(fā)。優(yōu)勝團(tuán)隊將獲得兩萬元獎金和其他獎品?；鹦蔷仍銜韱?？
報名地址：http://www.ozgbdpf.cn/events/index/unqiue/24.html
雷峰網(wǎng)原創(chuàng)文章，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。詳情見轉(zhuǎn)載須知。
