弹弓效应怎样改变宇宙飞船运行的轨迹？
解答专家：杰里米?B?琼斯（Jeremy B. Jones），卡西尼喷气推进实验室（位于美国加州帕萨迪那市）航空小组主管
宇宙飞船利用地心引力的原理来改变轨道，这和太阳系中其他小型天体轨道改变的原因相似。比如，来自外太空的彗星，常常会被几个大型天体（木星经常扮演这种角色）的重力吸引，被拽进了太阳系的内部。
如果没有受到其他因素的影响，卫星和宇宙飞船都会遵守轨道能量与角动量的守恒原则，沿椭圆形轨道围绕一个较大的天体运行――我们把这个较大的天体称为主天体。但是，当宇宙飞船逐渐飞近一颗卫星――后者也围绕同一个主天体运转，它们就会交换轨道能量和角动量。因为轨道能量与角动量的总和是恒定的，所以在这二者的接近和交换过程中，如果宇宙飞船得到了更多的轨道能量，那么卫星的轨道能量就会相应减少。而且，轨道周期长度和轨道能量成正比，因此宇宙飞船的轨道能量增强时，它的轨道周期也会随之延长，这就是弹弓效应――当然，卫星的轨道周期就会缩短。
宇宙飞船的质量远远小于卫星，所以弹弓效应对它轨道的影响也就远远大于对卫星的影响。例如，飞往土星的“卡西尼号”太空探测器，质量只有3000千克，而土星最大的卫星“土卫Ⅵ”，质量则高达1025千克。这样，当卡西尼号飞近“土卫Ⅵ”时，它受到弹弓效应的影响，将比“土卫Ⅵ”受到的影响高出20个数量级。
当宇宙飞船从卫星的“背部”越过时，会获得比围绕主天体运行时更快的飞行速度，也获得更大的轨道能量。这种情形，就像是用弹弓把宇宙飞船抛向一个更大的运行轨道一样。我们也可以让宇宙飞船从卫星的“前面”飞过，这样就能减慢它的飞行速度（也降低它的轨道能量）。我们甚至可以让宇宙飞船在卫星的“头顶”或“脚底”飞行，以改变它前进的方向――也就是说，只改变宇宙飞船轨道的轴向和角动量大小。当然，所有的这些调整会造成卫星轨道能量和角动量的逆转换。不过因为卫星的质量很大，因此跟其他影响卫星轨道的作用力相比，弹弓效应造成的变化就显得微不足道了。（译/黄敏 毛东）
本文选自《环球科学》2006年创刊号
