地球到月球的平均距離不過(guò)38萬(wàn)公里，照我們平時(shí)的直覺(jué)，連個(gè)高速都懶得繞，肯定是直著沖過(guò)去最省事?？烧嬲牡窃萝壍缊D一攤開(kāi)，軌跡卻是一個(gè)又一個(gè)弧線(xiàn)、橢圓，看上去像是“故意繞遠(yuǎn)路”。

明明是兩點(diǎn)之間，為什么不走“直線(xiàn)最短路”？火箭和飛船這一套“繞圈飛”的操作，到底是在浪費(fèi)時(shí)間，還是另有高招？

走直線(xiàn)并不可行

在日常生活中，“直線(xiàn)”意味著走最短的路，因?yàn)槟憧梢噪S時(shí)踩剎車(chē)、拐彎、掉頭。但在太空里，一旦你把飛船推離地球大氣層，后面大部分時(shí)間其實(shí)是“順著慣性和引力滑行”，而不是像開(kāi)車(chē)那樣隨時(shí)操控方向。

地球周?chē)目臻g，是一個(gè)被引力主宰的系統(tǒng)。只要物體的速度達(dá)到一定大小，它就會(huì)在引力場(chǎng)中走出一條軌道曲線(xiàn)。這個(gè)軌道可以是圓的、橢圓的、拋物線(xiàn)的，極端情況下是雙曲線(xiàn)的，但幾乎不會(huì)是那種我們?cè)诮炭茣?shū)上隨手畫(huà)的“筆直線(xiàn)”。

人類(lèi)第一次真正搞懂這套規(guī)則，大概是從17世紀(jì)開(kāi)始。開(kāi)普勒從行星觀測(cè)數(shù)據(jù)里總結(jié)出“橢圓軌道定律”、“面積速度定律”，牛頓則用萬(wàn)有引力定律給出了數(shù)學(xué)解釋?zhuān)喝魏我粋€(gè)被中心引力約束的物體，只要初速度不是零，它運(yùn)動(dòng)軌跡的自然解幾乎必然是曲線(xiàn)。

把這個(gè)原理放到“地月系統(tǒng)”里就更明顯了。月球不是靜止在太空中等你去撞，而是以約1公里/秒的速度繞地公轉(zhuǎn)，地球又以30公里/秒繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)。

你發(fā)射出去的飛船，要在這樣的“移動(dòng)靶子＋移動(dòng)發(fā)射臺(tái)”的組合里，找一條從A點(diǎn)（地球附近軌道）滑到B點(diǎn)（月球附近軌道）的路。你用的是火箭不是魔法，不能讓飛船在真空里拐個(gè)直角彎，軌跡自然是被引力和初速度“雕刻”出來(lái)的一條曲線(xiàn)。

所以，所謂“直線(xiàn)飛去月球”，在物理上基本就不成立。真正可行的，只有選擇哪一種曲線(xiàn)更省能量、更安全、更容易控制。繞圈這件事，看似麻煩，實(shí)際上是在順著宇宙的規(guī)則“借力打力”，而不是硬碰硬。

霍曼轉(zhuǎn)移軌道，用一條大橢圓“抄近道省油”

那飛船到底是繞了個(gè)什么圈？最經(jīng)典的答案叫“霍曼轉(zhuǎn)移軌道”。這是德國(guó)工程師瓦爾特·霍曼在1925年提出的一種在兩個(gè)圓形軌道之間轉(zhuǎn)移的最省能量方案。

你可以簡(jiǎn)單把它想成這樣一件事：飛船先老老實(shí)實(shí)在近地軌道繞圈，相當(dāng)于坐在一條“軌道公交車(chē)”上繞地球轉(zhuǎn)；

當(dāng)公交車(chē)剛好轉(zhuǎn)到和你要去的方向?qū)Φ蒙系哪且稽c(diǎn)時(shí)，猛踩一腳油門(mén)（點(diǎn)火），讓飛船軌道從“矮圓”變成“長(zhǎng)橢圓”；

飛船就沿著這條橢圓軌道一路滑，剛好在橢圓的另一頭碰上月球的軌道；

這時(shí)候再輕點(diǎn)一腳油門(mén)，就能從“橢圓”變成“繞月的軌道”，順利“下車(chē)”。

整套過(guò)程只需要在幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)短時(shí)間點(diǎn)火，大部分路程都靠飛船自己在引力場(chǎng)里滑行，既安全又省燃料。

阿波羅登月計(jì)劃就是典型的例子：大約12分鐘把飛船送入近地停泊軌道（距離地面約190公里），在軌飛行2～3圈完成檢查和對(duì)接；

然后實(shí)施“地月轉(zhuǎn)移注入”（TLI）點(diǎn)火，大約6分鐘，把速度從7.8公里/秒提高到約10.8公里/秒；

關(guān)掉發(fā)動(dòng)機(jī)，飛船沿著一條長(zhǎng)橢圓軌道飛行約3天，抵達(dá)月球附近，再實(shí)施“月球軌道插入”減速點(diǎn)火。

你如果硬是想走那種“我就要直直沖過(guò)去”的暴力路線(xiàn)，意味著一路上都要不停點(diǎn)火加速、修正方向，最后再暴力減速才能在月球旁邊停下來(lái)。這對(duì)燃料的消耗將是災(zāi)難級(jí)的。

要知道，按照火箭方程，額外多帶一點(diǎn)燃料，意味著要用更多燃料去推這些燃料本身，陷入惡性循環(huán)。現(xiàn)實(shí)中的發(fā)射成本，大頭就是被這幾個(gè)字鎖死的：速度增量（Δv）。

霍曼轉(zhuǎn)移的巧妙之處就在于：它不是繞遠(yuǎn)路，而是用最少的速度增量跨過(guò)“引力井”的這一頭和那一頭。你可以把它理解成，從一個(gè)山谷翻到另一個(gè)山谷，不是想方設(shè)法硬爬絕壁，而是選了一條坡度最合理但稍微繞一點(diǎn)的山路，既走得穩(wěn)，也省體力。

對(duì)現(xiàn)代航天來(lái)說(shuō)，每省下1米/秒的Δv，都是實(shí)打?qū)嵤∠聛?lái)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。能繞圈就能少燒一大截錢(qián)，誰(shuí)會(huì)和錢(qián)包過(guò)不去呢？

萬(wàn)一出事，有軌道緩沖區(qū)和回家“逃生路線(xiàn)”

省燃料只是第一層動(dòng)機(jī)，還有一層更現(xiàn)實(shí)的：安全冗余。飛船不是網(wǎng)吧電腦，壞了重啟就行，它是一整套高度復(fù)雜、極其昂貴，而且載著人命的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)軌道時(shí)，工程師必須考慮到一個(gè)問(wèn)題：如果中途出故障，我們還有沒(méi)有機(jī)會(huì)救回來(lái)？

近地停泊軌道就是一個(gè)典型的緩沖區(qū)。阿波羅任務(wù)中，土星五號(hào)第三級(jí)兩次點(diǎn)火之間的間隔，飛船要繞地球飛上幾圈，這段時(shí)間不是在“繞著玩”，而是讓地面團(tuán)隊(duì)有機(jī)會(huì)檢查飛船各系統(tǒng)、完成登月艙和指令艙的對(duì)接。

如果這一步發(fā)現(xiàn)飛船有重大問(wèn)題，可以選擇放棄登月，中止任務(wù)，讓飛船在近地軌道多轉(zhuǎn)幾圈，計(jì)算一條安全再入大氣層的軌道，把人先送回來(lái)。

真正進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移段之后，霍曼軌道的幾何特性也給了“折返”創(chuàng)造空間。阿波羅13號(hào)就是最著名的例子，1970年，飛船在飛往月球途中爆炸，服務(wù)艙嚴(yán)重受損，電力和氧氣告急。NASA工程師臨時(shí)調(diào)整任務(wù)規(guī)劃，讓飛船沿著一條繞月的自由返航軌道飛行。

也就是說(shuō)，不在月球軌道點(diǎn)火減速，而是借助月球引力輕輕拐個(gè)彎，讓飛船從月球背后“甩”回地球；整個(gè)過(guò)程中，飛船大部分時(shí)間仍在按事先設(shè)計(jì)好的近似“霍曼”幾何軌道滑行，只在必要時(shí)做少量修正點(diǎn)火。

最終，阿波羅13號(hào)在任務(wù)發(fā)射后第142小時(shí)安全濺落太平洋，創(chuàng)造了一次教科書(shū)式的“繞一大圈，保住一條命”。

如果一開(kāi)始就按照那種“直線(xiàn)沖刺”軌道去設(shè)計(jì)，飛船在大部分時(shí)間里都會(huì)遠(yuǎn)離任何穩(wěn)定軌道，一旦推進(jìn)系統(tǒng)出問(wèn)題，就很難借助現(xiàn)有引力系統(tǒng)自然回到地球附近。那時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)“直線(xiàn)”不僅不省事，還是一條幾乎沒(méi)有后悔藥的路。

未來(lái)會(huì)不會(huì)“直飛”？

也許有人會(huì)問(wèn)：等將來(lái)火箭技術(shù)再牛一點(diǎn)、推進(jìn)劑能量密度再高一點(diǎn)，是不是就可以不繞圈，直接一腳油門(mén)推到底了？理論上，推得出那樣的Δv，就能干很多今天不敢想的事，但到那時(shí)候，人類(lèi)反而更不會(huì)去“單純追求直線(xiàn)”。

原因很簡(jiǎn)單：當(dāng)你有更強(qiáng)的推進(jìn)能力時(shí)，你能玩的是更復(fù)雜、更精細(xì)的軌道設(shè)計(jì)，比如弱穩(wěn)定邊界軌道、拉格朗日點(diǎn)轉(zhuǎn)移、引力彈弓等。

比如，美國(guó)、日本、歐洲的深空探測(cè)器已經(jīng)多次利用“地—月—行星”引力組合，實(shí)現(xiàn)了極其省油的多次變軌和加速。

“繞圈”不再只是簡(jiǎn)單的霍曼橢圓，而是演變成一整套“宇宙軌道藝術(shù)”。

到那一步，人類(lèi)的思路已經(jīng)完全變了：與其糟蹋一大堆燃料去硬剛直線(xiàn)，不如更精細(xì)地算明白：哪一條曲線(xiàn)在時(shí)間、能耗、安全、科學(xué)目標(biāo)之間的綜合性?xún)r(jià)比最高。

航天從來(lái)就不是一場(chǎng)“幾何比賽”，而是一場(chǎng)在物理、工程和風(fēng)險(xiǎn)之間平衡的游戲。

所以，當(dāng)你再看到“地月距離38萬(wàn)公里，飛了3天才到”的說(shuō)法時(shí)，不妨在心里補(bǔ)一句：這3天，是工程師和物理定律一起算出來(lái)的最佳解，而不是“技術(shù)不行”的妥協(xié)。