在轨道上，想要加速反而得先减速

坏消息是：太空真的非常不一样。尤其是，让航天器在地球轨道上移动比你想象的复杂得多。你在飞机上可能做的操作，在轨道上有时会产生相反的效果。

为了让你明白我的意思，我们先来了解一些基础物理知识，构建一个简单的轨道力学模型，然后我会模拟一些有趣的对接尝试过程。继续往下读吧！

### 圆形轨道
想象一下在地球的圆形轨道上飞行。要理解这种运动，我们需要掌握三个重要的物理概念。首先是向心加速度。记得吗，加速度是衡量物体速度变化快慢的物理量。但速度不只是速率，它还包含运动方向——换句话说，速度是矢量。如果物体做圆周运动，它的方向在不断变化，这意味着即使速率不变，它也在不断加速！这种加速度的方向指向圆心（“向心”就是指向中心的意思）。加速度的大小取决于速度（v，即速率）的大小和圆周的半径（r）。

第二个重要概念是引力。任何两个有质量的物体之间都存在吸引力。这种力的大小与物体间距离（r）的平方成反比。在引力公式中，M是地球质量，m是轨道物体的质量（公式中还有引力常数G，但现在不重要）。这意味着，离地球越远，地球的引力就衰减得越快。

第三个重要概念是力和加速度的关系，即牛顿第二定律：物体所受的合外力等于其质量乘以加速度。把这些结合起来，我们发现物体质量同时出现在引力公式和牛顿第二定律中，所以会相互抵消。这就得到了适用于任何绕地球运行物体的模型公式。现在我们知道，物体要在半径为r的圆形轨道上运行，必须达到特定的速度（v）。这一点没有商量的余地：如果在某个轨道高度上，速度不符合这个要求，就无法保持圆形轨道。

### 轨道交会
学习轨道力学最好的方式是设身处地当一回飞行员。假设你在绕地球运行的航天器里，轨道和空间站相同，但你从后方接近，需要追上去对接。该怎么办？你有火箭推进器，直觉上会朝着飞行方向点火加速追上去。但这根本行不通。

推进器确实像预期的那样增加了航天器的速度，但此时速度与轨道半径不再匹配，航天器就不再沿圆形轨道运行，而是进入了椭圆轨道。核心问题是：加速后，小飞船反而被空间站甩得更远了。没错，它飞得更快了，但离地球也更远了，这意味着它的轨道周长也更长了。

既然加速不行，那减速呢？试试朝反方向点火：此时航天器在当前轨道高度上速度不够，就会向地球靠近，轨道周长比空间站短，反而会超过空间站！所以，从某种角度说，减速反而会让你“加速”追上目标。

### 霍曼转移
那到底该如何实现轨道交会呢？这需要一种特殊的操作，叫做霍曼转移，是在不同轨道半径之间切换的方法。先抛开空间站，假设你想进入一个离地球更近的圆形轨道。第一步我们已经试过了：朝后点火减速，让航天器进入椭圆轨道，其中一部分轨道离地球更近。然后等待到达离地球最近的点（近拱点），再次减速，使速度恰好符合这个新轨道半径所需的圆形轨道速度。

这种方法适用于各种轨道转移。想去火星？你可能以为就像开车去星巴克一样，从A点到B点。错了！实际上，你是从地球绕太阳的轨道，转移到火星更远的绕日轨道。星际旅行和空间站交会的原理基本相同。

现在你知道怎么操作了，就可以用它来对接航天器：先转移到更小的轨道半径（减速以“加速”）追上空间站，然后在恰当的时机，再转移回原来的轨道半径（加速以“减速”）。

所以，没错，在太空飞行确实有点像“火箭科学家”的活儿。不过，地球上开车有时也有类似情况。皮克斯电影《赛车总动员》里，哈德森医生说过，急转弯时要想向左，得先向右打方向盘，闪电麦昆嘲笑这是“颠倒世界”。而在某种程度上，轨道导航真的就是“颠倒世界”！