解答专家
杰里米·琼斯（Jeremy B. Jones）
美国国家航空航天局喷气推进实验室“卡西尼号”宇航小组组长
宇宙飞船的轨道主要是由某个大的中心天体（如太阳、地球）的引力决定的，比如“卡西尼号”飞船的轨道就是由土星引力决定的。如果中心天体只是附近唯一产生引力的天体，那么飞船就会以恒定的轨道能量和角动量沿椭圆形轨道绕着中心天体飞行。然而，在太阳系中，许多体积庞大的天体都有较小的天体环绕着，比如太阳有八大行星（和众多较小物质）环绕，地球有月球环绕，土星有土卫六等多颗卫星环绕。
当围绕一个主天体运行的宇宙飞船，逐渐飞近该主天体的一颗卫星时，它们就会交换轨道能量和角动量。因为总的轨道能量是恒定的，所以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，沿轨道环绕主天体运行一周的时间，即轨道周期与轨道能量成正比，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，所以弹弓效应对飞船轨道的影响也就远远大于对卫星轨道的影响。例如，飞往土星的“卡西尼号”飞船，质量只有3,000千克左右，而土星最大的卫星土卫六，质量则有1023千克左右。这样，“卡西尼号”受到弹弓效应的影响，将比土卫六受到的影响高出20个数量级。
我们可以设想一下，当“卡西尼号”沿轨道围绕土星飞行时接近土卫六，将会发生什么。当飞船靠近时，土卫六的引力使“卡西尼号”相对土卫六的速度有所增加，更为重要的是，使“卡西尼号”的飞行方向发生改变。当“卡西尼号”从土卫六附近离开时，它相对土卫六的速度会降到初始速度，但是飞行方向仍然是改变后的方向。结果，“卡西尼号”相对土星的速度已经改变。根据飞船飞掠时的相对位置，速度的改变可能是方向改变，也可能是大小改变，或者两者兼有。如果相对土星的速度大小改变，那么“卡西尼号”的轨道能量就会改变，轨道周期也随之改变。同样，“卡西尼号”相对土星的速度不论大小变化还是方向变化，都会使“卡西尼号”的角动量改变，导致轨道定向的变化。
当宇宙飞船从卫星的“背部”越过时，会获得相对主天体更快的飞行速度，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。因为导航可以控制飞船的飞行轨道，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，以改变它的速度方向——也就是说，只改变宇宙飞船轨道的方向和角动量。当然，所有的这些变化反过来也会造成卫星轨道能量和角动量的变化。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。
有趣的是，改变宇宙飞船飞行的弹弓效应只是模仿了在太阳系中经常发生的一种现象。太阳系之外的彗星就常常由于大行星（主要是木星）的引力而被拽进太阳系内。
◎译者：徐彬
