引力弹弓的效应是怎么回事，帮忙解释一下？

在航天领域，如果让飞船在行星间移动，就得需要具有推进能力的太空飞船。因为太空没有空气，飞船需从尾部喷出气流才能获得加速的推力。想要获得更高的速度，飞船就需携带更多的燃料，而增加推进能力所需的燃料质量几乎成指数增长的。

如果要探索较远的太阳系外围的行星，比如木星或者土星，像利用较早期的霍曼转移轨道（Hohmann transfer orbit）的变轨方式，依靠飞船自带的燃料加速进入目标行星轨道，需要的燃料是异常巨大的。如果仅仅靠飞船自己的推进能力，探索太阳系外围的行星至今仍是不可能实现的。

那么，推力不够怎么办？

航天科学家的应对方法是找一个有实力的“朋友”拉一把。在太阳系内，行星和大卫星都在以很高的速度做轨道运动。如果飞船飞行的途中遇到这些质量庞大的天体，就会被它们的引力拽上一把，这会帮助飞船增加飞行速度，也可以帮助飞船用很少的燃料就改变飞行方向。

这种把行星当作“引力助推器”，利用行星重力场给飞船加速或者减速的过程，被称为引力弹弓效应（Slingshot effect），也称引力助推或绕行星变轨。

第一艘借助引力弹弓效应到达另一颗行星的探测器，就是1973年11月美国发射的“水手10号”（Mariner 10）水星与金星探测器。它于1974年2月5日经过金星，并借助金星的引力助推前往水星。

引力弹弓的助推原理是什么？

引力弹弓效应，是指利用行星或者其他天体的相对运动和引力来改变太空飞船的速度和轨道，以此来节省燃料、时间和计划成本，携带更多的有效载荷。

上图是引力弹弓效应的一个简单图示，显示了理想情况下的引力加速：飞船以速度Ｖ迎面向行星飞来，在经过引力弹弓效应后，飞船的飞行方向完全改变，速度增加了2U。飞船在此过程中借助行星获得了“加速”效果。

这很像是迎着火车前行的方向扔一个棒球，在撞击之后，棒球被反弹回来，并且从火车车体上获得了新的动能。在引力弹弓变轨过程中，行星将动能传递给了飞船，同时改变了飞船的速度方向。在弹射过程中，飞船越靠近行星，获得的加速度就越大。

在实践中，有时飞船并不一定要完全改变方向，有时飞船也会借助引力弹弓效应进行减速，以便进入预定目标行星的轨道。

引力弹弓助推的成功案例

如果想要通过引力弹弓效应获得最佳的航行速度，科学家和工程师们需要精确地计算轨道，因为引力弹弓的效果对帮助“助推”的行星的相对位置也有极高的要求。有的太空计划需要漫长的等待，才能获得最有利的发射窗口。因此，在某种意义上，太空探索最大的障碍不在于技术，而在于如何选择合适的策略，以尽可能小的代价，取得尽可能多的成果。下面是两个众所周知的成功案例。

1、航天历史上，在太阳系内最著名的飞行当属1977年发射的“旅行者号”（Voyager）计划，两艘“旅行者号”飞船的探索旅途是太空时代的传奇，它们的航道轨迹被学界称作通向太阳系外的“伟大航路（Grand Tour）”。

1977年8月20日，第一艘“旅行者号”飞船发射成功。有趣的是，这艘飞船反而称作“旅行者2号”，而“旅行者1号”飞船则在9月5日才离开地球。这两艘飞船都充分利用了引力弹弓效应。

“旅行者1号”在飞掠木星和土星时，利用了这两颗大质量行星进行了加速，然后才达到了太阳的逃逸速度。“旅行者2号”利用了木星、土星以及天王星的助推加速，但在接近海王星时，为了探索海王星的卫星“海卫-1”，飞掠海王星的角度导致了相反的引力弹弓效应，速度下降了一些。最后使得“旅行者1号”比“旅行者2号”更快了。

科学家从它们传回的信息得出，这两艘飞船分别于2013年和2018年先后飞离了太阳系进入星际空间，成为星际空间的人类探测装置。

2、由欧航局ESA、美国宇航局NASA和意大利航天局ASI合作的一个土星系空间探索项目，卡西尼号探测器（Cassini Probe）于1997年10月15日在美国发射升空。

卡西尼号历经多次引力弹弓加速，飞往土星轨道。它两次飞掠过金星，被金星弹射了两次。之后途径地球、木星，又被地球和木星分别施加了引力弹射。最终获得了巨大的速度到达了土星。

由于引力弹弓效应的完美助推和辅助变轨，体积和质量巨大（6吨）的卡西尼号探测器在长达6.7年的太空长途跋涉途中依赖极少的推进燃料进入土星轨道。

那么，引力弹弓加速是否违反能量守恒以及动量守恒定律？

引力弹弓效应中，飞船从远距离接近行星时，产生的运动效果如同该飞船被行星反弹开了。科学家称之为不发生实体接触的弹性碰撞。飞船运动速度的改变并不违反能量守恒定律和动量守恒定律。理论上飞船获得的线性动量在数值上等于行星失去的线性动量。

不过由于飞船的质量远远小于行星的质量，因此行星的运动状态几乎不会在引力弹射的过程中发生转变，行星线性动量的极微小的损失对其速度的影响可以忽略不计。

此外，科学家们注意到，虽然在利用引力弹弓效应时，飞船越靠近行星它获得的加速度越大，但如果太过于贴近行星，飞船有可能会受到行星大气、磁场的影响，其未知的风险也是不容忽视的。

今天，引力弹弓已经是一种被广泛应用和非常成熟的航天技术，它为人类征服太空创造了一个又一个的奇迹。

（谢谢阅读）

卡西尼号探测器的“寿终正寝”对人类的意义是什么？

　9月15日消息，卡西尼号被科学家们称为世界上最勇敢的飞船之一，今天它的生命走向了尽头，但是它的一生仍然是极其精彩的。现在卡西尼号飞船正在土星轨道中飞行，为科学家们收集更多关于这颗星球的信息。但是数小时后，它的任务和生命都将终结。

卡西尼的完结，对人类来说损失了一个来自远方的千里眼，但同时也为科研带来了不少惊喜的数据，要说最终的意义，人类又得造一架卫星发射了。　　

　　卡西尼号将冲入土星大气层，然后开始燃烧并且毁灭，这样它就不会意外撞向土星的任何一颗卫星。这样也是为了避免它从地球携带的细菌污染这些卫星的环境。即使是在毁灭的过程中，卡西尼号也将为我们呈现土星的美丽景象。卡西尼号将飞入土星内部，在它最后的时刻到来之前拍摄照片并且发送回地球。

　　卡西尼号飞船最大的发现之一就是土卫二有可能存在外星生命，而且就在我们太阳系内。我们从未预料到一颗探测器会有这样的发现，因为它的主要目标是土星而非它的卫星。卡西尼号在太阳系中的发现完全改变了我们对于地球这个邻居的认知。

　　伦敦帝国学院的一位天体物理学家Dave Clements称：“卡西尼号的探索让我们对于土星卫星的认知从光点变成了现实，包括遍布冰冻岩石和甲烷海洋的土卫六，喷射水蒸气烟羽的土卫二，还有形状怪异的土卫七和土卫十八。它的发现让我们了解到，太阳系中的精彩超出我们想象。”

　　卡西尼号的撞击预计将在今天英国人的午饭时间发生，它生命的终结也让来自27个不同国家的一大群人结束自己长达20多年的工作。英国雷丁大学空间物理学教授Mathew Owens称：“卡西尼号长达20年的任务带给我们令人惊讶的数字，它发现了六颗卫星，拍摄了50万张图片，发送回了近一太字节的数据，为超过4000份科学论文提供了基础。”

　　但是那些从事这一任务的科学家们称他们并不后悔，因为这个任务所获得的成就是开始时所未预料到的。英国南安普顿大学物理学和天文学副教授Caitriona Jackman称：“我们是带着问题参与到其中的，我们想要绘制土星的磁场图，我们想要检查土星的卫星，我们想要登陆土卫六，而且也成功了。”

　　他补充道：“卡西尼号给我们带来了许多意想不到的惊喜。在绘制土星的卫星图时，我们发现了更多的卫星，我们也发现其中一颗卫星——土卫二的表面裂缝存在喷发水蒸气的间歇泉。这些意料之外的发现能够改变任务的过程。我认为需要强调的是，这个任务不会在今天结束，因为卡西尼号飞船所收集的数据还需要分析很多年。”

　　与Jackman博士一样，许多英国的科学家们对于这个任务悲喜交加，既有任务结束的悲伤，也有卡西尼号将发送新数据回来的喜悦。格林威治皇家天文台的天文学家Marek Kukula称：“卡西尼号任务是一项巨大的冒险。它完全改变了我们对于土星的了解，它发送回来的一系列照片展现了大气层、土星环和卫星的壮丽，让我们感觉好像自己身临其境。虽然任务的结束让人悲伤，但是它所获得成绩值得我们庆祝。”

免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。

卡西尼号土星探测器进入土星飞行的轨道？

当“卡西尼号”到达土星时，它利用97分钟的时间完成了对火箭系统的点 火。此后，它利用土星的引力将飞船的速度放慢。当飞船穿越土星环的平面时， 最惊险的时刻到来了。技术人员经过精心的设计，控制“卡西尼号”从土星环平 面的一个缺口处穿过，最终完成了飞船的入轨。如果飞船同具有一定体积的土 星环物质发生碰撞，整个空间任务将前功尽弃。幸运的是，“卡西尼号”的入轨 进行得非常成功。接下来，“卡西尼号”开始围绕土星进行飞行，它的复杂飞行 模式很像蝴蝶的形状。“卡西尼号”在高椭圆轨道内，时而靠近土星，时而远离土 星。这主要是为了既能获得土星本身的详细科学数据，又能了解土星环和土星 卫星的相关信息。

卡西尼探测器飞了20年后坠入土星，目前有何进展？

出品：科普中国

制作：川陀太空

监制：中国科学院计算机网络信息中心

卡西尼号即将受控坠入土星大气，据美国宇航局最新消息，在美国东部时间9月15日上午4时55分，地球与卡西尼探测器的联系将中断，这就是意味着这艘价值近33亿美元的探测器彻底告别我们，坠入土星上层大气。

图1.卡西尼探测器自拍照，注意图中土星的六边形气旋

撞击土星上层大气位置大约在土星北纬10度附近，高度距离土星上层大气云顶1915公里，速度为每小时11万公里，大约为每秒30公里。据美国宇航局的推演，卡西尼号第一次接触土星上层大气时，调姿推进器还会在短时间内工作，并将探测器的蝶形天线对准地球方向，目的是获得土星大气的宝贵数据。

毕竟这是一次死亡之旅，多少年来才有一次，就像LCROSS探测器撞击月球那样，NASA在扬尘中发现了水。而这一次，卡西尼号也会带给我们意想不到的惊喜。就像那句话，死亡并不可怕，那些对社会有贡献的遗产才是人们敬仰你的原因。

当卡西尼号与地球联系中断后，其生存时间只有30秒左右，高度从土星云顶上方1915公里下降至1500公里。随着大气逐渐稠密，卡西尼号开始解体，毕竟这不是一个符合空气动力学的玩意，在宇宙真空环境中运行也根本不需要流体外形设计。只要几分钟，卡西尼号将变成一颗流星，在土星大气中完全烧毁。

图2.卡西尼号的死亡轨道

名副其实的“旗舰”

土星作为太阳系中外侧轨道的气态行星，远日点10个天文单位，相当于15亿公里。地球和太阳之间的距离为1个天文单位，由此看出，土星距离我们也挺远的，无线电信号传输需要80多分钟。也就是说，卡西尼探测器在坠入土星大气之时，在80多分钟之后我们才知道。

确切地说，是美国宇航局在澳大利亚堪培拉安装的深空网络天线。这也是宇宙神奇的地方，所有的故事都发生在过去，由于光速恒定，加之宇宙空间的浩渺，电磁波的传播也需要时间。我们所看到的所有光其实都来自过去，只不过我们感觉不到罢了。宇宙如此之庞大，而我们也只能从探索自己的恒星系统开始，美国宇航局为此制定了一系列覆盖整个太阳系的探索计划，并设置了旗舰级的项目。

图3.美国宇航局在澳大利亚堪培拉安装的深空网络天线

旗舰级项目是相对而言，相对于那些中低端项目，旗舰级项目定位是最高的。

首先，探测器的造价最高，普遍在20亿至30亿美元，这个造价相当一艘辽宁号这样的中重型航母，比一般的探测器几亿美元造价要高得多。

其次，探测器的功能全面，可解决一个方向上的重大问题。比如卡西尼号就是，搭载了18台各种科学仪器，并且携带了惠更斯号着陆器，对土卫六泰坦进行登陆考察。

第三，运行时间长，卡西尼从1997年发射，2004年进入土星轨道，2008年全部完全任务，然后开始超期服役。直到今天，已经超期服役近10年，期间两次延长任务期。超期服役让NASA也比较尴尬，因为地面控制中心要经费才能维持，深空通信网络运营也要钱，机遇号就是因为超期服役太久，差点让NASA安排安乐死。

从1970年代以来，美国宇航局再有钱，也无法维持多个旗舰任务，比如1977年发射的旅行者系列就是旗舰任务，至今还没挂，还在烧钱，从两个方向上飞出太阳系，距地110亿公里以上。还在运行的最新旗舰任务就是好奇号火星科学实验室，造价25亿美元，核动力驱动 ，旨在寻找火星生命，现在还在火星赤道以南的盖尔撞击坑附近考察。

图4.还在运行的最新旗舰任务就是好奇号火星科学实验室，造价25亿美元，核动力驱动 ，旨在寻找火星生命

飞出太阳系有诀窍

土星作为中外侧轨道的行星，要想对其进行探索，只有太阳能电池板肯定是不行的。这里的光照效率较低，一般都需要核动力驱动。但核动力也不是万能的，放射性同位素热电机最大输出也才300多瓦，靠这点动力想飞到土星是不可能的。

因此，在深空飞行的轨道设计中，利用行星引力加速才是飞出太阳系的诀窍。旅行者系列成功开启了行星引力弹弓加速的序幕，卡西尼探测器也使用了引力弹弓加速。首先，卡西尼号虽然目标土星，但是它要先往金星方向飞，利用两次飞掠金星进行加速，然后再飞掠地球和木星，利用后者引力进一步加速，前往土星。

就在飞掠地球时出现了一个插曲，由于卡西尼号使用钚-238作为核燃料，因此飞掠地球其实是有危险的，如果卡西尼号突然发生故障并且撞上地球，那么33公斤的钚-238核燃料就会散布到大气层中。美国宇航局还为此进行了一次关于卡西尼号偏离轨道后钚-238对地球的影响，评估认为至少5000人可能因此丧命，间接影响人群数量最高可达50万人。

图5.卡西尼号使用钚-238作为核燃料

美航天专家称，幸好没有撞上地球，虽然发生这样事件的概率不到百万分之一，但从概率学的角度看，还是存在发生的可能性，既然有可能发生，就要做好最坏的打算。而且还有那个神奇的墨菲定律，越担心的事，越有可能发生，只要它存在发生的可能性。

1978年，苏联核动力卫星宇宙954坠毁加拿大，美加用了10个月时间在长800公里、宽50公里的区域内找到3000多个放射性碎片，对地面造了一定的放射性污染。随着深空核动力装置的普及，探测器制造的费用也增加，但随之带来的高效模式让后期探索变得更加从容，毕竟用了核动力之后根本不需要担心电力不足的问题，也只有这样才能飞出太阳系，至少目前看是如此。

目前旅行者系列两艘探测器已经在太阳系边缘，1号已经飞出太阳系，2号在未来数年内飞出，从两个不同方向上离开太阳系。

图6.核动力卫星

未来的旗舰项目

在2018年至2020年，美国宇航局计划打造新一代火星车，旨在对火星的宜居性进行全面评估，并且建立技术示范。从机遇号、勇气号开始，经过好奇号的进一步强化，美国宇航局对火星的了解逐渐加深，新一代火星车有望掘地三尺发现火星生命。

2022年，木卫二的飞掠任务也是一个旗舰级项目，在木星的一颗卫星上大动干戈确实有点大手笔，但考虑到木卫二的全球性冰下海洋，就不那么吝啬了。

图7.2022年，木卫二的飞掠任务也是一个旗舰级项目

该探测器还会释放一个着陆器，具备钻探能力，这里有望发现首个地外生命，其意义必然不亚于阿波罗登月。如果我们发现首个地外生命，对人类而言是个不小的撼动，正如异形契约中所言，我们到底来自哪里？

“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。

卡西尼探测器在最后5个月的时间里完成了什么任务？

卡西尼-惠更斯号是在1997年10月15日，于美国的佛罗里达州卡纳维拉尔角，搭载于泰坦4/半人马座(Titan IVB/Centaur)运载火箭发射升空，是美国航天局、欧洲航天局和意大利航天局的合作项目，主要对土星进行大气、光环、卫星和磁场的深入考察。

卡西尼-惠更斯号直径3米，高7米，重6.4吨，造价高达10亿美元，携带27种最先进的科学仪器。由两部分组成：探测土星的“卡西尼号”与探测土星最大卫星土卫六的探测器“惠更斯号”。

1997年10月15日升空后，于1998年4月在距金星284千米处飞过，然后绕太阳一圈，1999年6月再次于金星600千米处第二次获得加速，1999年8月，距地球1171千米处第二次被地球引力加速，2000年12月，距木星1000万千米加速飞过，速度达到30千米/秒以上，2004年7月1日12时12分，历时6年8个月，行程长达35亿千米，进入环绕土星转动的轨道，对土星进行长达4年的考察，2017年9月15日，执行来自NASA的最后一个任务，任务代号为:大终章（Grand Finale），内容是：自我焚毁。与探测了13年的气态行星融为一体。

卡西尼-惠更斯号，从里根当总统时开始规划，于克林顿总统任期内发射，于小布什第一个总统任期到达土星。本该于2008年达到设计寿命却多从事了第二期两年任务。之后，卡西尼-惠更斯号又延长了七年的寿命。与土星为伴十三年，这颗行星际探测器的飞行距离超过约61亿公里，足以环绕地球15.2万次；拍摄了453,000张照片；执行了250万条命令；收集了635GB的科学数据；协助发表论文3948篇。

现将卡西尼号-惠更斯的探测项目时间表附上:

1997年10月15日:一枚“大力神IVB/人马座”火箭将卡西尼飞船从美国佛罗里达州的卡纳维拉尔角航天发射场发射升空;

1998年4月25日:卡西尼-惠更斯探测器第一次近距离飞掠金星,执行行星轨道借力,最近时距离金星地表仅有大约284公里,此次行星借力后卡西尼飞船的速度提升7公里/秒;

1999年6月24日:卡西尼-惠更斯探测器第二次近距离飞掠金星,执行行星轨道借力,最近时距离金星地表大约600公里;

1999年8月17日:在升空大约两年之后,卡西尼-惠更斯探测器返回地球附近,执行第三次行星轨道借力飞行。最近时距离地球大约1100公里,从南太平洋上空飞过,此次借力飞行中,地球给了卡西尼飞船大约每秒5.5公里的加速;

1999年12月~2000年4月:卡西尼-惠更斯探测器穿越小行星带,它是人类历史上第七艘穿过小行星带的飞船。

2000年12月29日:卡西尼-惠更斯探测器飞过木星附近,距离大约1000万公里，速度达到了30千米/秒以上，当时另一艘飞船“伽利略”号正在木星轨道上工作,两艘飞船共同对木星进行了考察;

2004年6月11日:距离土卫九2000千米处经过，探测并拍摄了土卫九，土卫九是距离土星最远的卫星，半径110千米，对其进行了质量和密度的测量；

2004年7月1日:卡西尼-惠更斯探测器经过了6年8个月，行程长达35亿千米，进入环绕土星轨道转动,成为人类历史上首个人造土星卫星,同时也是历史上最遥远的人造行星卫星，对土星进行历时4年的考察；

2004年12月25日:卡西尼母船释放惠更斯着陆器,后者将独自飞行22天,前往土卫六;

2005年:发现土卫二表面上存在着薄但显著的大气层，还有土卫二南极的冰晶喷射活动；

2005年1月13日:惠更斯着陆器成功降落土卫六,从而达成人类历史上最遥远的一次登陆行动;

2005年2月17日:距离土卫二1179千米处经过，同年3月9日，距离499千米，土卫二半径250千米，表面明亮，几乎反射百分之百的阳光，初步怀疑表面是光滑的冰层；

2005年4月-11月:探测了土星光环和大气；逐个接近土卫四、土卫五、土卫七和土卫三，观测得知，土卫四半径560千米，土卫五半径870千米，表面布满环形山，土卫七位于土卫六土卫八间，不规则形状，最长直径175千米，土卫三半径530千米，密度如水，可能是冰球；

2006年:发现并探测到土卫六上存在碳氢化合物状态的湖泊；

2007年7月-9月:距离土卫八约1000千米处观测土卫八，观测到土卫八半径为720千米，表面颜色一面很暗，另一面接近白色；

2007年12月3日-2008年3月12日:两次接近土卫十一，分别距离6190千米和995千米处，对土卫十一进行观测；

2007年10月至2008年7月:增大轨道与土星赤道平面夹角，测量了远离土星赤道平面处的磁场和粒子、监视土星两极、极光现象；

2014年:发现土卫二南极地带存在液体海洋；

2015年8月17日:探测器第5次掠过土卫四表面，距离土卫四474公里；

2017年4月26日:“壮丽终章”执行指令发出,卡西尼飞船根据指令调整轨道,踏上撞击土星自我毁灭的道路;

2017年9月15日,北京时间19:54,卡西尼飞船将最终在土星大气层中焚毁,任务终结。

卡西尼号从升空到到达土星轨道,共穿越了哪些行星的轨道？

金星，地球，火星，木星，因为卡西尼号要通过这些卫星进行引力弹射加速。