從《火星救援》說起，為你講述深空探測中的“借力飛行”

浩瀚的太空總能給人帶來無限遐想，從古至今，人類對於太空的探索從未止步。每當夜幕降臨，看著夜空中浩如煙海的繁星，你是否也對那裡充滿了好奇？如果你是一名航天愛好者，那你對“卡西尼”這個名字一定不會陌生。“卡西尼”號是美國於1997年10月15日發射的一枚土星探測器。據《北京日報》報道，由於燃料耗盡，“卡西尼”號探測器將於2017年晚些時候退役。而提起“卡西尼”號探測器，就不得不說說它的“借力飛行”之旅。

“卡西尼”號探測器（圖片來源：《科技日報》）

什麼是“借力飛行”？

很多人都看過一部電影，叫做《火星救援》。在電影中，為了營救滯留在火星的宇航員馬克·沃特尼，天體物理學家珀內爾讓本應從火星返回地球的赫爾墨斯號飛船只是掠過地球，借助“引力彈弓效應”重回火星。這裡的“引力彈弓效應”其實就是一種“借力飛行”的手段。

中國航天科技集團公司五院502所高級主任研究師黃翔宇在接受《科技日報》採訪時表示，引力可以對航天器起到加速、減速、改變方向等多種作用。利用航天器近飛二級天體時所受到的引力作用，改變航天器環繞中心天體的軌道能量和飛行方向。

在《火星救援》中，當赫爾墨斯號飛掠地球時，如果距離足夠近，它就會受到地球引力（此時相對於太陽，地球就是二級天體）的影響，進入一個雙曲線型近飛軌道。當赫爾墨斯號離開這一軌道時，借助地球引力的作用，其在日心參照系下的速度值就能增大。簡單來說，飛船就相當於被地球引力“推”了一把。於是赫爾墨斯號能在不耗費燃料的情況下實現變軌，也就是“借力飛行”。

“卡西尼”號為什麼要“借力飛行”呢？

航天器在飛行時需要消耗一定的燃料，但在太空中，燃料很難補給。“借力飛行”能夠節省燃料、時間和計劃成本，幫助航天器更好地完成任務。

“卡西尼”號探測器任務艱巨。《科技日報》介紹，它主要是對土星系進行空間探測，包括環繞土星飛行，對土星及其大氣、光環、衛星和磁場進行深入考察等。為了完成這些任務，“卡西尼”號探測器上攜帶了很多科學儀器，據《光明日報》報道，“卡西尼”探測器由軌道器和被稱為“惠更斯”的子探測器組成，其中軌道器上載有12台科學探測儀器，子探測器攜帶6個科學儀器，總重量達5700千克。那麼，怎樣才能讓這樣一個“龐然大物”飛達土星呢？

中國國防科技信息中心副研究員陳有榮早接受中國網採訪時向大家介紹，為使“卡西尼”號探測器能成功到達土星，科學家們設計了復雜的“借力入軌”飛行軌道，即利用金星、地球和木星巨大的引力作用，讓它從這些行星附近經過時一次又一次地獲得加速。也就是說，“卡西尼”探測器必須要通過“借力飛行”才能完成任務，即：

1997年10月15日，“卡西尼”號發射升空﹔

1998年4月26日，“卡西尼”號首次掠過金星，獲得第1次加速﹔

1999年6月25日，“卡西尼”號第二次掠過金星，獲得第2次加速﹔

1999年8月18日，“卡西尼”號掠過地球，獲得第3次加速﹔

2000年12月30日，“卡西尼”號飛臨木星周圍，獲得最后一次加速﹔

2004年5月18日，“卡西尼”號正式進入土星系。

在將近20年的服役過程中，“卡西尼”號探測器為我們發回了大量寶貴資料。但是據新華網報道，“卡西尼”號探測器在2016年末已進入最后階段。據《人民日報海外版》報道，2017年9月，“卡西尼”號探測器將執行“自殺任務”——俯沖入土星內環，並將關鍵數據傳回地球，隨后在土星大氣層分崩離析，結束自己的使命。（趙鵬）

本文由北京天文館副研究員詹想進行科學性把關。