在《三体》第2部《黑暗森林》中,以章北海为代表的中国太空军对太空航行的动力推进方式进行了争论与探索。以我们现有的技术来说,最省燃料、最能够“借力”的飞行方式,就是采取“霍曼轨道”。在电影《星际穿越》中,也有利用大黑洞的引力弹弓效应进行“借力”的飞行方式,本质其实也是采取“霍曼轨道”。
假设我们要从地球飞到火星上面去,直线飞过去虽然路线最短,但消耗的燃料数量却也大得惊人。怎样才能让飞行器轻装上阵,做到最省燃料呢?那就要在飞行时间和飞行路线上做出牺牲,沿霍曼轨道运行,以借助太阳的引力“取巧”。
尤利西斯探测器就是沿霍曼轨道运行的
霍曼轨道以太阳(引力中心)为一个焦点,近日点和远日点分别位于地球轨道和目标行星(比如说火星)轨道上,轨道的长轴则等于地球轨道半径与目标行星轨道半径之和。沿霍曼轨道运动的飞行器从地球到目标行星的飞行时间,就等于这个椭圆运动周期的一半。
实际工作过程中,行星的运动轨道不是圆形,基本上都是一个椭圆,它们的轨道也并不在同一平面上,因此,行星际飞行器的运动实际上将更为复杂些。目前,科学家都用天体力学数值方法计算它们的轨道,但思想基础都是“霍曼轨道”,如下图所示:
飞行器从地球到火星沿霍曼轨道运行示意图
关于“霍曼轨道”的数学计算与matlab数值模拟,我们将在后续的系列文章中给出,有兴趣的读者也可以参考北京师范大学物理系彭芳辚教授在2002年出版的《理论力学的matlab模拟》一书,那书里讲解了如何用matlab来模拟这一飞行过程。
当然,在《三体》一书中,星际航行采取“霍曼轨道”算是最低级的方法,那里还有其他更酷的航行方式,比如利用原子弹爆炸产生的光辐射来依次推进非工质飞船,在后面的文章中,我们再对此进行详细讨论。