如何理解引力助推（引力彈弓效應或繞行星變軌）？它在以前的應用和將來的展望是什麼？

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請詳細地介紹下
引力助推（引力彈弓效應或繞行星變軌）的原理，以及它在以前的應用和在將來如何應用的展望。
百科裡也有，但感覺比較簡單。它的原理是什麼？能量傳遞是怎麼樣的？它在之前的應用有哪些？未來是否會成為飛行器飛往深空的重要加速途徑？對天體有沒有影響？
發現網上相關資料不多，所以來知乎提問了。歡迎大家修改為更合理的提問。

首先不認同已有的兩條答案
引力助推Gravity Assist的物理原理是動量守恆定律不是動能。
動量守恆的一個很普遍的應用是撞球/撞球，但和這裡有所區別

首先需要明確動量和動量守恆定律
動量是矢量，動能是標量。即動能只有大小沒有方向，而動量即有大小又有方向。
動量是質量m和速度v（矢量）的矢量積

在不受外力或外力之和為0的情況下，系統的總動量守恆。
以撞球/撞球為例，若桌面摩擦力足夠小，則可以近似的認為其動量守恆，而動能一般會變化：

以上是引出動量和動量守恆定律的概念，接下來討論引力助推Gravity Assist：
首先介紹其應用，給一個直觀的概念：
引力助推Gravity Assist通過與天體的萬有引力作用改變自身動量的大小和方向，即飛行器速度的大小和方向。因此可以對飛行器進行變軌，加速/減速。
原理如圖：

注意：
1.外力不為0，因此總動量會減少，但外力較小的情況下一般近似認為動量守恆
2.由於一般選用天體的質量遠大于飛行器，因此天體的速度的改變一般忽略不計

小明挎著愛馬仕包走在路上，一輛摩托飛馳而來，摩托后座上的人搶包，小明不肯鬆手，結果包破了，小明被帶飛。小明的動能增加，摩托的動能損失，但是因為摩托比小明重太多，摩托的速度基本不變。

小明=飛行器
摩托=行星
包=引力

引力彈弓可以看成飛行器從行星屁股後面飛過，被行星的引力拉了一把，前後引力勢能不變，但是由於行星被往後拉，動能減少，飛行器被往前拉，動能增加。但是由於行星比飛行器重太多，行星的速度幾乎不變。但是
1.與小明被摩托車拉不同，飛行器不受摩擦力，也沒有包帶張緊時的能量損失，整個引力彈弓過程是機械能守恆的，可以看成彈性碰撞過程，聯立機械能守恆和動量守恆兩個方程求解
2.飛行器運動方向不與行星平行，而是成一夾角
3.如果飛行器從行星的前面過，如果沒有恰好撞在行星表面的話，反而會被減速
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引力彈弓歷史上的運用重力助推

水手10號
水手10號是第一艘藉助引力助推到達另一顆行星的探測器，它於1974年2月5日經過金星，經過引力助推的減速之後到達水星。它是第一艘探測水星的飛行器。

旅行者1號
至2007年7月6日，旅行者1號距離太陽154.4億公里（103.2天文單位），目前位於太陽系和星際空間之間的邊緣帶,是距離地球最遠的人造物體。它在經過木星和土星時通過引力助推獲得了足以完全擺脫太陽引力的動能。

伽利略號
1989年，美國航空航天局通過阿特蘭蒂斯號太空梭在太空中施放了伽利略號探測器。伽利略號最初計劃使用赫曼轉移軌道法，但由於挑戰者號太空梭的事故，伽利略號的「半人馬座」推進火箭不再被允許通過太空梭運至太空，取而代之的是一種功率較小的固態燃料推進火箭。在這種情況下，伽利略號在其軌道上一次飛掠過金星，兩次飛掠過地球，計劃1995年12月到達木星。

伽利略號的工程師調查後認為（但是無法證實）在飛掠過程中飛行器與金星的長時間接觸，使伽利略號上的主天線的潤滑劑失效。該技術故障迫使伽利略號使用功能較差的後備天線。

在其後伽利略號探測木星衛星的過程中，也多次使用引力推進法，從而延長了燃料的使用時間，也增加了其與木星衛星近距離接觸的機會。

尤利西斯號探測器
1990年，歐洲空間局發射了尤利西斯號探測器，用以研究太陽的極地地區。由於太陽系中所有行星的軌道基本上都位於黃道面上，所以為了運動至環繞太陽的極軌道上，該探測器必須將其從環地球軌道上繼承的30千米/秒的速度降為零，同時獲得繞太陽極面運行的軌道速度——但是以現有的航天器推進系統還無法完成該任務。

於是尤利西斯號被發射往木星，當其到達木星「前下方」的一個區域時，即落入了行星的引力場中，之後經歷了1分鐘的引力推進，最終使尤利西斯號的軌道向上彎曲，脫離環木星軌道，進入環太陽的極軌道。這一策略只需足夠尤利西斯號運行至木星的燃料即可。

信使號
信使號飛行器頻繁的使用引力助推來降低速度，最後進入環水星軌道。在其飛行過程中，共一次飛掠過地球，兩次飛掠過金星，三次飛掠過水星，最終將於2011年3月到達水星附近，此時其速度已經降得足夠低，使用剩餘的燃料足以將該飛行器送入環水星軌道。雖然其間的每次飛掠主要都是為了進行引力助推，但是也提供了不可多得的科學觀測機會。

卡西尼號
卡西尼號探測器兩次飛掠過金星，之後又途經地球、木星，最終到達土星。其6.7年的旅程較之霍曼轉移軌道法所用時間——6年稍長，但是所需的速度增量少了2公里/秒，故體積和質量都較大的卡西尼號能夠依靠較少的推進燃料到達土星。赫曼轉移軌道法到達土星所需的加速度總值為15.7公里/秒（此處忽略了地球和土星的引力勢阱以及大氣制動效應），超過了現有飛行器推進系統的推進能力。

至於引力彈弓未來的運用，當然是用小的速度增量把飛行器送到需要的軌道上啦。但是引力彈弓需要行星在某時刻運行到合適的位置，比如旅行者一號連續受到了木星、土星、天王星、海王星的引力加速，這樣的行星排列176年才能遇見一次。

簡單來說，引力變軌（Gravity Assist，也可以叫做 Gravitational Slingshot）就是利用行星等天體的引力來加速或減速（所以叫做助推實際上是不全面的）。

為什麼要使用 Gravity Assist？
因為目前的化學推進火箭能力所限，飛船，尤其是深空探測器所能達到的 ΔV（推進器能帶來的總的速度變化量，可以理解為它的加速能力）相比於任務所需非常有限。合理安排軌道，利用行星引力來加速，可以大大節省燃料，從而減輕探測器質量，留出空間安裝科學儀器等等。

發射到近地軌道 ~10 km/s 從近地軌道到月球 2.7 km/s 　　　　　　火星 4.3 km/s 地球表面的逃逸速度，第二宇宙速度是 11.2 km/s 從地球軌道的位置逃逸太陽引力需要 42.1 km/s

Gravity Assist 的原理是什麼？
設想一列火車以 v 的速度前進，有一個人在側面以 u 的速度向著火車投一個球。從火車的參考系來看，球相對火車的速度是 (u + v)，假設碰撞是彈性的，那麼球反彈時相對火車的速度仍然是 (u + v)，那麼反彈的速度相對於地面就會是 (u + 2v)。對於天體和航天器也有類似的效應，兩者的接觸可以被認為是彈性碰撞，總的動能不變（相當於是動能在天體和航天器中通過引力的作用發生傳遞）。
（簡單解釋一下…具體的可以自行查閱軌道動力學資料，Wiki 之類）

Gravity Assist 的應用？
這一技術最早被用在 1974 年的 Mariner 10（水手 10 號）上，從地球發射後先到達金星，之後藉助金星的引力加速到達水星。在此以後基本上所有的深空探測任務都有使用。我在這裡把它的應用分為三類：

引力加速：從天體的後面（這個前後的概念是指行星在軌道上運轉的方向為前）追上它，在飛臨（flyby）的同時獲得引力加速。通常被用在探測太陽系外側天體的探測器上，例如 Cassini-Huygens（卡西尼-惠更斯 探測器）、Galileo（伽利略 探測器）、New Horizons（新視野號）還有著名的 Voyager 1 / 2（旅行者 1 號和 2 號）等等。因為從地球飛向外側行星時（例如木星和土星）需要克服太陽的引力，所以通常要利用外行星的引力來加速，尤其是木星。
引力減速：和引力加速相反，在天體的前面通過，飛臨的時候會被天體的引力減速。比如發射到地球內行星，尤其是水星的探測器。因為水星距離太陽太近，在飛向水星的過程中探測器會被太陽引力加速，最終無法被水星的引力俘獲。所以要想讓探測器被水星引力俘獲，進入水星軌道，就要利用金星和地球等的引力減速。
Free Return Trajectory：特指阿波羅計劃中使用的軌道。可以參考我的另一個答案…（可以說這個軌道的選擇救了阿波羅 13 的乘員…具體的就不多講了）

Gravity Assist 未來的應用？
在人類尚未發明更新型的推進方式之前，深空任務還是要靠 Gravity Assist…

懶得打字了…就寫這麼多吧…_(:з」∠)_
資料來源：Kerbal Space Program（誤）

說說後面兩點，一直是飛行器深空探測的重要途徑，已目前技術的尿性，不用說不定根本去不了木星之外的地方，還有，這個是有窗口的，有些甚至十幾年幾十年(像旅行者1號那種運氣好的年份人一輩子說不定也見不著一回，咳咳，這貨一路彈弓出去的)

總之，和依靠大氣減速差不多(當然比它更爽功能更多)，能用就用，不用白不用，以目前的技術，不得不用……

這是一個我當年看到的簡單直觀解釋，希望能幫助理解。

假設一個極端簡單的情況，我們以木星為參照系，一顆衛星以v1的速度接近木星，繞木星半周后仍然以v1的速度離開木星，這裡能量動量全部守恆沒啥特別的。

這時候我們把參照系切換到太陽，這時候木星正以v2的速度繞太陽運動，然後計算衛星相對太陽的速度，不難得到，進入木星軌道的速度是v1-v2，離開木星軌道的速度是v1+v2，即速度增加了2*v2。注意這個時候把木星和衛星看成一個繞太陽轉動的整體的情況下，能量和動量還是守恆的。

這就是一個極端簡化情況下的引力彈弓。

一般玩坎巴拉都叫重力彈射，是想進行遠距離太空航行常用的手段

總的來說就是利用行星或其他天體的相對運動和引力改變飛行器的軌道和速度

原理，大概就是靠近時受天體引力，而加速。這個應該很好理解，一般不好理解的就是既然靠近的時候減少了勢能換來動能，那麼離開的時候不是又變回來了么？

Naive! 還要考慮到天體在公轉吶。所以當你慢慢靠上去的時候人家天體又走了，這時候離開它所要付出的動能就小了，總得來看就是賺到了！
當然，可以加速，也可減速，主要看入射角。

以上自己手機打的，解釋不夠專業。回去查查資料補點鏈接吧

以前高中物理競賽常考這個，你算一下就懂了。

謝邀，本人不是物理學專業，試著用比喻解釋一下。

我們都知道動量守恆，如果飛船進入行星的引力場再出去，動量沒有增加也沒有減少，速度不應該發生改變。那麼問題出在哪裡呢，怎麼就能加速了呢？
問題的關鍵在於進入和出去的角度，飛船運行的方向和行星不能是平行的，而且飛船進入的方向和出去的方向不能一致，也就是必須拐一個彎。
想像一個場景，你站在鐵軌的一旁，你眼前有一輛火車經過，這時候你以每秒5米的速度從側面跳上火車，然後又用每秒5米的速度從火車上跳下來，但是從火車上下來的時候是從火車的前面下來，這樣你上火車的速度是每秒5米，下來的時候還是每秒5米，動能似乎沒有改變，也沒有違反動量守恆定律。但是你下來的時候的速度是相對於正在行駛的火車，此時相對於你上火車時的速度已經累加了火車的速度。如果火車速度是每秒10米，那麼現在你的速度是每秒15米。也就是說，因為方向已經改變了，所以你的實際速度已經累加上了行星的軌道速度。

還有一些問題需要說一下，就是當飛船接近行星的時候，因為引力的作用，行星的位置是會發生改變的，就像你上火車的時候火車吸收了你的動能，也會發生輕微的位移或傾斜，你離開火車的時候，火車也會受到一個相反的力，會發生減速。如果用火車不好理解，想像自行車就好理解了。
同樣行星也會受到類似的作用力，只是因為行星太大，飛船太小，這個效應微乎其微。

另外還有一個問題，就是引力在其中起的作用，引力其實就像是一種動能收集的裝置，它先吸收飛船的動能，然後在任意方向釋放飛船的動能，再把飛船推出去，如果推的方向和飛船進入的角度不同，就能達到加速或者減速的目的。當然這裡的速度只是相對的，如果相對於行星，也可以認為速度沒變。

其實在廣義相對論裡面，引力來源於質量對時空的彎曲，就像在那些想像圖上，星體周圍的空間是彎曲的，就像一個一個的大坑。如果從這個角度去理解，就好像你划船掉進一個漩渦，你在裡面轉了很多圈，最後出來了，但是因為漩渦是高速移動的，你出來的時候的速度就是相對於移動漩渦的，累加了漩渦的移動速度。

PS：這個問題我自己也想了很久，出於嚴謹考慮，不敢說一定正確，觀點僅供參考。另外，答主內心脆弱，看不懂的請勿評論瞎說。

借貼吧【轉貼】引力彈弓簡單圖解（自備高中物理基礎知識）里的一張圖來解釋一下。原帖主解釋得不太好，所以在這裡解釋一下。

B是行星，C是要加速的飛船，V入A和V出A是飛船C相對於絕對參照系下的速度，V入B和V出B是飛船C相對於B的速度，紅色的軌跡是以B為參照系C的軌跡。
以B為參考系，則B是不動的，C進入的速度是V入B，由於

體系的能量=BC間的勢能+C的動能（在B參考系下）+B的動能（在B參考系下）

B的動能因為以B做參考系，所以相對自身速度為零，動能為零。而BC間的勢能出去時沒有變化，因為BC間的距離沒有變。所以C的動能（在B參考系下）沒有變，所以有

V入B=V出B

在水平方向有

V入B水平=V出B水平（大小相等方向相反）
（圖有問題，上下應該是對稱的）

（以下部分為矢量式）
因為
V出B水平=V出A水平-VB &<=由矢量分解 V出A水平=V出B水平+VB 得
V入B水平=V入A水平-VB
V入B水平=-V出B水平
所以
V出A水平=V入A水平+2VB =&>加速了
（以上部分為矢量式）

V出B水平=V出A水平-VB 其實是
V出B水平=V出A水平-（VB-ΔV）
但因為ΔV很小所以忽略

絕對參考系下，動量關係變化如下：（湊合著看吧）

原動量McV入被分解成新的McV出和MbΔV。
所以其實B有一個
ΔV的減速（方向不一定完全與Vb反向），但由於Mb相對Mc質量太大，所以
ΔV一般忽略不計，同時MbΔV與McVc是同一個數量級。在絕對參考系中，C所增加的動能由B減速產生的動能提供，兩者距離、勢能依舊不變。

絕對參考系下的動態圖可以看這裡
火星救援中的引力彈弓是什麼?_網易數碼

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ps：又看了一下，其實原帖的意思是紅色軌跡是對於絕對參考系下的運動軌跡，然而那樣就沒有辦法做任何解釋了（我就是懶and圖渣，不想畫一幅新的），所以在本答案中，把軌跡理解成是在B參考系下的軌跡，並且是一條上下對稱的雙曲線

精簡的回答：利用了飛行器在各大星球之間的相對「勢能」。

站在地面的你，可曾想到，你相對於木星有幾十萬公里「高」，因而擁有巨大的「勢能」？只要你離木星更近一點，吸引力遠遠比其它星大，你就會被木星捕獲過去，把勢能轉化為動能。

如果你只要攻角設計合理，速度超過木星第二速度，然後你又會減速擺脫木星（走圓錐曲線不和木星相交，而不是一頭栽到木星上去），遠遠飛走，把動能又轉為勢能。

一來一回，你收穫了什麼呢？利用動量守恆定律，設計得好的話，你動能會增加。（如果你高中物理足夠好，你會知道，你的速度最多增加到：木星的速度的2倍+你原來的速度。這種情況發生在你沖向木星，木星的速度和你相反，然後你走雙曲線軌道，反方向被」彈回「。）

當然實際美國航天局不會這麼傻愣愣的讓你自由飛行，它們會不斷的發動機點火，熄火，控制速度。低速的時候發動機噴射很划得來，所以跑到木星最低速的時候發動機瘋狂工作相當於省了燃料，類似於我朝探月飛船總是在近地點加速一樣。這和引力效應無關了。

誰失去了動能呢？當然是可憐的木星了。不過想來你的質量和木星不是一個level，所以不用杞人憂天，木星的軌道被小小的你干擾了。

簡化版原理解釋：
理論基礎：封閉系統動量守恆定律
推導方式：矢量合成的平行四邊形法則
已知條件：飛行器和天體的位置，速度，天體質量
附加前提：
1、飛行器初始狀態和終末狀態都離天體很遠→飛行器在基於天體的參考系中，作以天體為焦點的圓錐曲線飛行，在此場景下是雙曲線的一支
2、天體質量遠大于飛行器
3、忽略其他天體的影響
推導過程：（建議畫圖重現）
P1 根據天體質量、位置，飛行器位置、初始速度作出飛行器的飛行軌跡，求得終末速度方向a"，該步驟略……假設我們算出來了
P2 設飛行器初始動量為a（腦補矢量箭頭，下同），天體初始動量為b，以兩矢量為邊作平行四邊形，則系統動量為對角線a+b（該矢量守恆）
P3 飛行器受天體影響改變飛行方向，動量方向與速度方向相同，由於天體質量遠大于飛行器，其動量方向改變可以忽略不計，a"的終點仍然落在原平行四邊形的邊或其延長線上
結論：
看圖判斷飛行器加速還是減速了
由於系統能量守恆，在引力勢能相同的位置，飛行器的動能變化來自於天體的動能變化，但是天體的質量太大，速度變化可以忽略

其他：
實際應用中飛行器並不是這樣隨波逐流，會在飛行過程中啟動發動機來控制終末速度方向和大小，這樣動量和動能就不守恆了，需要更複雜的方程來解釋

很早以前我也困惑過，白念了物理。後來看到一個回答非常好。引力助推是一個完全彈性碰撞，這個過程中是動量和能量雙守恆。大學物理實驗有一個簡化版實驗：小車碰撞。當一輕一重兩個小車對撞時，輕的小車會被更快的速度反彈回去。這就是引力助推的一種模擬。

題主先自己回答……看了百科的解釋，通俗地理解就是利用天體運動的動能，把飛行器「甩出去」，應該是在飛行器受到天體引力影響期間，將一部分引力勢能和一部分天體動能轉化為自身動能，離開行星後引力勢能轉化來的部分又變為引力勢能而抵消，獲得了天體動能轉化而來的動能，而且改變了運動方向。

由動量及能量守恆得到： $v_{1}^{$
其中m1,m2分別是飛船和行星的質量，v1，v2分別是飛船和行星的初始速度，v1『是飛船的末速度.
因為 $m_{1} +m_{2} approx m_{2}$
所以 $v_{1}^{$
飛船最終獲得了兩倍於行星初速度的速度增量.
完畢

天上的衛星、空間站無時不刻不在往地面墜落，這是失重感的來源。但是，當衛星或空間站往地面墜落時，地球本身也在往後退（繞太陽公轉），這就造成一種現象，只要空間站的速度和飛行方向正確，將永遠掉不到地面上。

也可以認為，空間站下墜的速度和地球離開空間站（繞太陽公轉）大致平衡時，空間站將一直做圓周運動，看起來是貼著地平面飛行，而掉不到地面上。

當平衡被打破，這種效果就可以成為彈弓效應了。例如，某個物體靠近地球，受地球引力影響，物體將做加速度運動，速度會越來越快，最終砸到地球，也許能看見一顆流星。只要隕石進入地球引力範圍的角度適當，那麼在得到加速度後，地球將逐漸遠離隕石，而隕石得到加速度後，會轉個彎（受地球引力影響），並且速度更快了（自由落體加速度和本身的速度疊加）彈射出去。

所以，彈弓效應要成功，速度和角度非常重要。速度保證最終能擺脫星球的引力，角度保證在得到加速度後，彈射到正確的目的地（而不是星體表面或其他星球）。

如果調整不好，那麼將直接砸向星體。因此類似卡西尼探測器，在利用星體加速時，需要地面工作人員不斷的計算，修正攻角。

有時候，一次彈弓效應並不能得到期望的速度，這時候需要第二個星球繼續助力，進行第二次加速。可以參考卡西尼號的加速經歷：卡西尼號_百度百科

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NjI5Mjc2MA==mid=404802964idx=1sn=163f8e69355aa1bb48728e1d3c11beb8scene=0#wechat_redirect

其實讀過初中物理就能明白吧，向心力產生極大慣性時施加一個斜切角度的力導致力的方向改變。

各種答案不忍直視，這算物死早嘛…原理就是高中物理的引力、慣性和逃逸速度好不好。精確計算比較難，要用微積分再用級數展開求近似解。

如何理解引力助推（引力彈弓效應或繞行星變軌） ？它在以前的應用和將來的展望是什麼？

如何理解引力助推（引力彈弓效應或繞行星變軌）？它在以前的應用和將來的展望是什麼？