《三体》系列2：星际航行中“霍曼轨道”是怎么回事？

在《三体》的第二部分《黑暗森林》中，以张北海为代表的中国太平洋空军对空间导航的动力推进方法进行了辩论和探索。就我们现有的技术而言，最省油和“杠杆”的飞行模式是采用“霍曼轨道”。在电影《星际穿越》中，还有一种利用黑洞引力的方式——弹弓效应，“通过力量”飞行。本质上，它也采用“霍曼轨道”。

假设我们想从地球飞到火星。虽然路线最短，但耗油量惊人。飞机如何轻装旅行并节省燃料？那就是在飞行时间和飞行路线上做出牺牲，并沿着霍曼轨道运行以“利用”太阳的引力。

尤利西斯号探测器正绕着霍尔曼运行

霍曼轨道以太阳(重心)为焦点，近日点和远地点分别位于地球轨道和目标行星(如火星)轨道上，轨道的长轴等于地球轨道半径和目标行星轨道半径之和。飞机沿着霍曼轨道从地球到目标行星的飞行时间等于这个椭圆运动周期的一半。

在实际工作过程中，行星的轨道不是圆形的，它们基本上是椭圆形的，它们的轨道不在同一平面上，因此，行星际飞行器的运动实际上会更加复杂。目前，科学家使用天体力学数值方法来计算他们的轨道，但思想基础是“霍曼轨道”，如下图所示:

沿霍曼轨道从地球到火星的飞机示意图

关于“Homan轨道”的数学计算和matlab数值模拟，我们将在下面的系列文章中给出。感兴趣的读者还可以参考2002年北京师范大学物理系彭芳年教授出版的《理论力学的matlab仿真》一书，该书解释了如何使用matlab来模拟这一飞行过程。

当然，在《三体》一书中，“霍曼轨道”是星际导航的最低级方法。还有其他更酷的导航方法，比如利用原子弹爆炸产生的光辐射来依次推进不工作的航天器。我们将在下面的文章中详细讨论这一点。