从《火星救援》说起，为你讲述深空探测中的“借力飞行”

浩瀚的太空总能给人带来无限遐想，从古至今，人类对于太空的探索从未止步。每当夜幕降临，看着夜空中浩如烟海的繁星，你是否也对那里充满了好奇？如果你是一名航天爱好者，那你对“卡西尼”这个名字一定不会陌生。“卡西尼”号是美国于1997年10月15日发射的一枚土星探测器。据《北京日报》报道，由于燃料耗尽，“卡西尼”号探测器将于2017年晚些时候退役。而提起“卡西尼”号探测器，就不得不说说它的“借力飞行”之旅。

“卡西尼”号探测器（图片来源：《科技日报》）

什么是“借力飞行”？

很多人都看过一部电影，叫做《火星救援》。在电影中，为了营救滞留在火星的宇航员马克·沃特尼，天体物理学家珀内尔让本应从火星返回地球的赫尔墨斯号飞船只是掠过地球，借助“引力弹弓效应”重回火星。这里的“引力弹弓效应”其实就是一种“借力飞行”的手段。

中国航天科技集团公司五院502所高级主任研究师黄翔宇在接受《科技日报》采访时表示，引力可以对航天器起到加速、减速、改变方向等多种作用。利用航天器近飞二级天体时所受到的引力作用，改变航天器环绕中心天体的轨道能量和飞行方向。

在《火星救援》中，当赫尔墨斯号飞掠地球时，如果距离足够近，它就会受到地球引力（此时相对于太阳，地球就是二级天体）的影响，进入一个双曲线型近飞轨道。当赫尔墨斯号离开这一轨道时，借助地球引力的作用，其在日心参照系下的速度值就能增大。简单来说，飞船就相当于被地球引力“推”了一把。于是赫尔墨斯号能在不耗费燃料的情况下实现变轨，也就是“借力飞行”。

“卡西尼”号为什么要“借力飞行”呢？

航天器在飞行时需要消耗一定的燃料，但在太空中，燃料很难补给。“借力飞行”能够节省燃料、时间和计划成本，帮助航天器更好地完成任务。

“卡西尼”号探测器任务艰巨。《科技日报》介绍，它主要是对土星系进行空间探测，包括环绕土星飞行，对土星及其大气、光环、卫星和磁场进行深入考察等。为了完成这些任务，“卡西尼”号探测器上携带了很多科学仪器，据《光明日报》报道，“卡西尼”探测器由轨道器和被称为“惠更斯”的子探测器组成，其中轨道器上载有12台科学探测仪器，子探测器携带6个科学仪器，总重量达5700千克。那么，怎样才能让这样一个“庞然大物”飞达土星呢？

中国国防科技信息中心副研究员陈有荣早接受中国网采访时向大家介绍，为使“卡西尼”号探测器能成功到达土星，科学家们设计了复杂的“借力入轨”飞行轨道，即利用金星、地球和木星巨大的引力作用，让它从这些行星附近经过时一次又一次地获得加速。也就是说，“卡西尼”探测器必须要通过“借力飞行”才能完成任务，即：

1997年10月15日，“卡西尼”号发射升空；

1998年4月26日，“卡西尼”号首次掠过金星，获得第1次加速；

1999年6月25日，“卡西尼”号第二次掠过金星，获得第2次加速；

1999年8月18日，“卡西尼”号掠过地球，获得第3次加速；

2000年12月30日，“卡西尼”号飞临木星周围，获得最后一次加速；

2004年5月18日，“卡西尼”号正式进入土星系。

在将近20年的服役过程中，“卡西尼”号探测器为我们发回了大量宝贵资料。但是据新华网报道，“卡西尼”号探测器在2016年末已进入最后阶段。据《人民日报海外版》报道，2017年9月，“卡西尼”号探测器将执行“自杀任务”——俯冲入土星内环，并将关键数据传回地球，随后在土星大气层分崩离析，结束自己的使命。（赵鹏）

本文由北京天文馆副研究员詹想进行科学性把关。