天體物理學家裏奇·珀內爾（Rich Purnell），在沒日沒夜演算後的巨大疲憊之中，看到了超級電腦給出的驗證結果——“正確”。

　　他一躍而起，蓬頭垢面，趕往美國國家航太局，在那裏有一票人正在為營救滯留火星的宇航員馬克而焦頭爛額，珀內爾報告了他的設想——讓本應從火星返回地球的赫爾墨斯號飛船掠過地球，借助引力彈弓效應，重回火星，營救馬克。

　　這是目前正在國內熱映的科幻片《火星救援》中的情節。珀內爾把赫爾墨斯號“打發”回火星，這一劍走偏鋒的救援方案，可謂救回馬克的關鍵一環。

　　儘管赫爾墨斯號變軌後的運動軌跡圖看起來確實“像那麼回事兒”，但和一些航太史上經典的探測器變軌案例比起來，還是“弱爆了”。《火星救援》中的這個橋段，有點兒“小兒科”。

　　引力變軌，拼的就是性價比

　　引力可以對航太器起到加速、減速和改變方向等多種作用，而且是免費的

　　航太專家、《國際太空》雜誌執行主編龐之浩告訴科技日報記者，在太陽系行星際探測中，已廣泛採用了引力彈弓，或者説引力跳板的原理和方法。

　　引力能從兩個方面使探測器飛行軌道發生變化：一是根據探測天體的品質、探測器的飛越高度和相對速度，使其軌道發生一定程度的偏轉；二是根據探測器的飛入角大小改變其速度。“因此，為了準確地利用引力飛行，應當事先確定探測器的飛入高度和飛入角度，並隨時注意其速度的微小變化。” 龐之浩説。

　　所謂引力彈弓效應，在中國空間技術研究院502所高級主任研究師黃翔宇看來，其實有個更樸實的名字——“引力輔助變軌”。

　　“引力可以對航太器起到加速、減速和改變方向等多種作用。”黃翔宇在接受科技日報採訪時表示，引力輔助，就是利用航太器近飛二級天體時受到的引力作用，改變航太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，它就受到地球引力（此時相對於太陽，地球就是二級天體）影響，進入一個雙曲線型近飛軌道；如果飛入角度控制得當，離開這一軌道時，由於地球引力的“給力”，赫爾墨斯號在日心參照係下的速度值就能增大。

　　簡單來説，這就相當於被地球引力推了一把；而且這個推手，可是免費的！於是，赫爾墨斯號能在不耗費燃料的情況下實現變軌，往更深更遠的地方飛去。

　　用更少的燃料，走更有意思的路

　　燃料這東西，飛出去了就很難補給，最好能省著用；如果有擴展任務，燃料在手，心中不慌

　　不過，為啥要這麼“摳門”使用引力助推呢？就不能以不差錢的豪爽，瀟灑地直奔目的地嗎？

　　其實也可以。比如2003年6月10日，美國發射“勇氣號”火星探測器，成功逃逸地球後進入日心轉移軌道，並於2004年1月3日到達火星。這種“直接轉移”法耗費時間短，操作也簡單。

　　不過，迂迴的“借力轉移”法也有其特殊優點。借力飛行軌道能夠降低發射能量。畢竟，航太器攜帶的燃料越多，對發射火箭的要求就越高，成本也隨之上揚；而且，燃料這東西，航太器飛出去了就很難補給，前路漫漫，最好能省著點用；再説了，如果有什麼擴展任務，燃料在手，心中不慌啊。

　　除了節省燃料，龐之浩告訴科技日報記者，在某些情況下，引力助推還能縮短星際航行時間。他舉例説，如果探測器選擇最經濟的雙切橢圓軌道飛行，從地球飛向土星需要6年，飛向天王星需要16年，飛抵海王星需要31年，而假如借助木星作為引力跳板，飛抵土星只需3到4年，飛到天王星只需8到9年，飛近海王星也只需12年。

　　還有的探測器借助“引力”進入到了非常特殊的軌道。美國發射的旅行者1號和2號探測器，就“頗有心機”地利用1982年“九星聯珠”的機會，先後借助木星、土星、天王星的引力作“跳板”，從木星跳到土星，又從土星跳到天王星，繼而又跳到海王星，成為探測太陽系行星最多、探測成果最豐富的行星際探測器。1990年10月6日由發現號太空梭攜帶升空發射的尤利西斯號太陽探測器，在飛近木星之後，借助木星的引力作用，偏轉90°而跳入垂直于黃道面的太陽極區，對從未接觸過的太陽的兩極地區進行了探測，取得了許多新成果。

　　軌道計算，這的確是個技術活兒

　　首先要把軌道路線利用電腦全部模擬出來，並反覆調整模型參數，才能得到最靠譜的路線圖

　　那麼，軌道設計師們究竟是怎麼算出深空探測器的飛行路線圖的？

　　“這個問題很複雜。”黃翔宇説，很多理論在深空探測路線規劃中沒那麼奏效，因為航太器軌道會受到多個天體引力的影響。所以，不能單從理論出發去推演。

　　“要借助引力變軌的話，就要計算出合適的變軌時間和位置，以保證航太器變軌後能到達目標軌道，最好能使整個變軌過程耗費燃料最少。”黃翔宇説，深空探測器的航程漫長，以電影中的赫爾墨斯號為例，它從火星返回地球，再從地球前往火星，還要從火星回來……在影片裏，這段“豪華加長版太空遊”要耗費533天的時間。中間要考慮的變數也多了去了——太陽、地球和火星的引力及它們之間的相互作用，太陽光光壓攝動，借力飛行的時間範圍，借力飛行的軌道參數……

　　軌道計算確實是個技術活兒。軌道設計師的做法，一般都是建立一個軌道動力學模型，根據航太器現在的狀態一步步往前進行推算，並借助電腦對軌道參數進行反覆迭代和優化。比如説，對赫爾墨斯號，電腦得先盡職盡責地把它這500多天的路線全部模擬出來；軌道設計師再根據模擬結果去進行參數調整，直到替航太器找到最靠譜的路線圖。

　　軌道控制，有時“大動”有時“微調”

　　在某些特殊階段，要怎麼飛，航太器依靠自主導航和控制可以“自己説了算”

　　路線圖找到了，還得對航太器進行軌道控制。黃翔宇表示，近年來深空探測自主導航和控制已成為地面測控的一種有效補充手段。在某些特殊的飛行階段，比如接近、著陸等需要實時精確獲取和控制航太器相對目標天體的位置、速度等資訊的任務階段，自主導航與控制比地面測控性能表現更佳。

　　不過，目前尚無法完全讓航太器處於“無人看管”狀態，龐之浩指出，探測器在星際航行中，地面必須對其進行跟蹤、監測和調整；而且，只要確切知道探測器在任何時刻的位置和速度，地面就可以對它的軌道進行必要調整，從而使它最終飛向目標。

　　這些調整一般都要借助探測器上的發動機完成，有時要“大動”，有時要“微調”。比如，在“嫦娥二號”變軌中，月球探測衛星大部分軌道控制利用490N大推力發動機完成，少量中途軌道修正以及環月運作軌道維持控制採用10N小推力發動機進行。

　　一個逆天的航太器軌道

　　請不要覺得赫爾墨斯號的軌道複雜。要知道，美國國家航太局首席科學家羅伯特·法誇爾（Robert Farquhar）在大約30年前，就為衛星ISEE-3設計出了一幅非常炫酷的軌道圖。

　　這是第一顆在一個軌道穩定點——日地之間第一拉格朗日點L1研究吹向地球的持續太陽風的衛星，發射于1978年。1982年，完成最初任務後，它開始了一系列月球飛越活動，然後奔著當時大熱的“哈雷彗星”去了。

　　我們來感受一下這顆衛星的變軌過程。

　　根據當時媒體的報道，ISEE-3先朝返回地球方向飛行，之後與月球軌道相交，並且朝地外飛去，遠離地球橫穿地尾，這是一個具有獨特的粒子和場特性的空域。然後，在地球重力將其拉回來之前，ISEE-3還會繼續往前飛奔一百萬英里，並再次飛到地尾下面，之後開始逃脫地球引力。在穿越地尾期間，它達成“在空域收集科學數據”成就。

　　當衛星幾乎處於地尾下邊最遠點時，地面控制人員將遙控衛星上的推進系統點火，為其提供改變軌道的速度，衛星飛掠月球；最後一次近距離飛越月球時，它能獲得攔截彗星所需要的重力加速度，從而進入太陽軌道，與一顆叫“賈可比尼·津納”的彗星相遇，成為第一個與彗星相會並採集數據的探測器；一年後，它又成功遇上了哈雷彗星。

　　其實在法誇爾設計的軌道裏，這顆探測器踏上的，並非是永不回頭的旅程。它能于2014再度回來，它也確實如約而至，近距離掠過地球。只可惜，儘管研究團隊重新與其建立了聯繫，但ISEE-3退役已久，其推進器出現問題，引擎無法成功啟動。後來，它還是沿著孤獨的日心軌道與地球漸行漸遠。