三體人來了後，地球人怎麼才能成功地跑掉？

「學問空天，知識未來」空天科普大賽第一季

論文編號: KT010

作者｜李泰博

根據《三體》的黑暗森林法則，一旦暴露自己的坐標，就會被更高級的文明消滅，所以最安全的應對措施就是逃亡。

為了保護地球人高貴的基因，應對某些擦槍走火的「豬隊友」，我球人開展了各種星際穿越技術研究，極大地提高了「逃亡」的成功率。

早在幾萬年前，狩獵時期的智人便通過與獵物你追我趕，總結出逃亡成功的兩個關鍵因素：

跑得快、跑得遠。

歷史發展到1938年，一位叫Yuri Kondratyuk的俄羅斯人，提出了「行星借力」的理論，增大了人類行星際穿越的可能性。

「行星借力」指的是航天器在飛越某一行星之後，航天器的絕對速度大小和方向都發生了改變，從而在不消耗推進劑的條件下，實現加速、減速、改變軌道。

1、航天器朝著行星的運動方向飛，航天器加速；

2、航天器背向行星的運動方向飛，航天器減速。

簡單地說：

「同向相當於拉了一把，逆向相當於拽了一下」

「行星借力」還有一個酷炫的名字「星際彈弓」。下面便介紹航天歷史上著名的幾次「星際彈弓」。

第一彈：Mariner10—行星借力的開拓者

美國於1973年9月3號發射的水手號水星探測器Mariner 10，是第一個利用行星借力的航天器。

水手號目的地為水星，任務為探測水星和金星。1974年2月5日16:00~20:00之間的四個小時，水手號飛越了金星並藉助金星引力，將軌道降低到了水星軌道高度上。此外，水手號在進行金星借力時還收穫了彩蛋，發現了金星旋轉的大氣和微弱的磁場。

圖1 Mariner 10水星探測器

圖2 Mariner 10拍到的金星

第二彈：Voyager 1—飛向外太陽系

旅行者1號Voyager1是美國NASA於1977年9月5號發射的，目的是探索外太陽系。他的雙胞胎兄弟叫Voyager2。2017年9月18日Voyager 1已距離太陽139.9AU(209億公里)。作為一枚責任心強的航天器，旅行者雖處遙遙億里之外但仍通過深空網路接受人類的指令、並傳回數據。

圖3 Voyager 1和其他的星際飛行器

旅行者1號能逃離太陽引力場，借力木星和土星功不可沒。1979年2月Voyager1靠近木星並開始擔任木星系攝影師的工作。1979年4月旅行者1號告別木星。除了進行利用木星借力外，攝影師旅行者1號還發現了木星的衛星Io上有活火山，成就了一張張攝影大片。

圖4 衛星Io上的活火山Loki

1980年9月旅行者1號到達土星。這次土星借力任務中，旅行者1號計劃飛越土星最大的衛星Titan，以展示他的多才多藝。不幸的是，旅行者1號為避免與土星相撞，沒有進入到計劃中的軌道，而是在Titan的後方擦過。

第三彈：Galileo—plan B拯救計劃

伽利略號Galileo於1989年由NASA發射，目標是飛往木星。Plane A為直接霍曼轉移。不幸的是，Galileo在失去了挑戰者號後，助推器也出現了問題。可憐的Galileo沒法提供到達木星的速度增量了。Plane A宣告失敗，Plane B登場。Galileo通過借力一次金星、兩次地球，於1995年12月到達木星。

圖5 Galileo號探測器與木星

第四彈：Ulysses—展現轉彎神技能

為了探索太陽的極地區域，1990年NASA發射了ESA的Ulysses探測器。實現飛向太陽的極地，需要約30km/s的速度增量從地球轉移到太陽附近，再變軌到極地區域（可以近似理解為從水平面到垂直面）。以當時的推進水平，這似乎是一件不可能完成的任務。因此Ulysses只能不走尋常路。

圖6 Ulysses 探測太陽極區

1992年2月8日Ulysses到達了木星的南邊，這時Ulysses還近似和地球處於一個平面（赤道面）。再藉助木星巧妙變軌之後，Ulysses轉彎朝南，並離開了赤道面，將軌道抬高了80.2°。此後，Ulysses的近日點與地球與太陽的距離（1AU）一致，遠日點與木星與太陽的距離（5AU）一致，需6年繞太陽一圈。計劃2098年9月4日，Ulysses將利用第二次木星借力超越海王星。

圖7Ulysses的繞日軌道

第五彈：Rosetta—開啟彗星的征程

羅塞塔號Rosetta是第一個到達彗星的航天器。Rosetta於2004年3月發射，任務是與67P彗星交會之後，釋放他的小夥伴Philae，登陸彗星進行科學探測。

圖8 羅塞塔號Rosetta和Philae

Rosett在飛行途中曾多次借力，其中地球借力就有3次。

第一次借力是2005年3月4日地球借力。

第二次借力為2007年2月25日火星借力。羅塞塔號的火星借力可以說是一局「驚心動魄的豪賭」。羅塞塔號借力火星時，僅距離火星250km，而且位於火星的陰影區（沒有太陽光）。羅塞塔號失去了太陽能的補給，沒法通信，依靠為其他任務準備的電池飛行了漫長的15分鐘。最終羅塞塔號贏得了這場博弈，還傳回了火星的照片。

圖9羅塞塔號拍攝的火星

2007年9月13日羅塞塔號第三次借力是借力地球，與地球相距5700km。9月7日-8日卡特里那的一位天文學家觀察到了羅塞塔號，把羅塞塔號誤認為成了近地小天體2007 VN84。當時天文學家以為2007 VN84要撞地球了，直到9月9日天文學家才正確辨識出羅塞塔號。

第四次借力是2008年9月5日借力行星2867?teins，主要目的是修正軌道。

圖10行星2867?teins

2009年11月13日羅塞塔號第五次借力也是最後一次地球借力。最終羅塞塔號於2014年8月與67P彗星交會。

圖11 代號為67P的彗星

當然，除了上述例子。還有卡西尼、信使任務等等都採用了行星借力。《星際穿越》的男主，普通大眾一枚，也利用行星借力「英雄救美，抱得美人歸」。

行星借力的乒乓球原理

其實想要理解行星借力並不難。下面用乒乓球代替航天器，用火車代替行星，用地面代替太陽來講解一下行星借力。借力可分為三步：

第一步相當於航天器進入借力行星的引力場。

第二步相當於航天器與行星動量交換。

第三步相當於航天器離開行星引力場。

乒乓球滾入火車之後，乒乓球的運動可以火車為參考系。乒乓球與火車相撞時為彈性碰撞，乒乓球相對火車的能量守恆。

當乒乓球從火車上滾下來時，在地面上觀察，乒乓球的滾出速度就和滾入時不一樣了。這就是「火車借力」的效果。

圖12 乒乓球碰撞示意圖

圖13 乒乓球的速度關係圖

現在重新回到行星借力。航天器與行星可不能碰撞，只能靠行星的引力作用「彈弓」了。航天器相對行星的運動為圓錐運動。在圓錐運動期間，航天器相對行星的速度大小不變、方向改變。當航天器離開行星時，航天器的軌道便改變了。

圖14 航天器的速度關係圖

圖15借力加速

圖16借力減速

行星借力幫你到這了。當三體人與地球人對立時，如何利用好行星借力、在太空中越跑越6就靠人品啦。（）

關於「學問空天，知識未來」空天科普大賽

「學問空天，知識未來」空天科普大賽為有獎科普作品大賽，由《未來空天》和《問空天》微信公眾號共同發起主辦，《無人機》、《天儀SPACETY》、《語宙》、《航天愛好者》、《HorizonX》、《凱思拓探索》、《風洞之家》、《5S微空天》、《看空天》、《湖南省宇航學會》等微信公眾號合作協辦。大賽得到陝西省宇航學會全力資助，同時獲得長沙天儀空間科技研究院有限公司、北京九天微星科技發展有限公司等的大力支持。大賽設一等獎1名，二等獎4名，優勝獎10名。一等獎2000元，二等獎1000元，優勝獎價值200元禮品。同時，各獎項頒發印製精美的大賽獎牌。

作者投稿時，請將作品發送至下述郵箱，並註明參加科普大賽。

投稿郵箱：

聯繫電話：

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！