本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
多年来，人类已经将航天器部署到一些狂野、古怪且极其巧妙的轨道配置中，以更好地研究宇宙。
从非常遥远的地方看，我们太阳系的引力场——由于一颗普通恒星和各种行星以及数十亿小块物体的总质量——简化为近乎完美的对称。宇宙将我们视为一个有效的简单“质点”，是包含超过两千亿个其他简单碎片的星系中的一个微小组成部分。
哦，更轻松的时代（1766年：约瑟夫·赖特：《一位哲学家正在讲解天文演示仪，其中用灯代替太阳》）。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
但放大来看，行星际空间的引力场是一个复杂、起伏和动态的地形。例如，木星的质量是地球的318倍，它的引力在其12年的轨道运行期间席卷整个系统，搅动并扰乱其他行星。土星的质量是地球的95倍，它的引力也是如此。沿着大行星的轨道，也存在非直观的稳定区域。并且更靠近任何行星，特别是那些有卫星的行星，还存在其他微妙和不那么微妙的引力变化，以及平衡和不平衡区域。
我们是聪明的小型人科动物，我们已经学会了用我们的航天器在看不见的引力国度中航行。细节可能令人惊讶，甚至令人叹为观止。以下是一些我们在过去几十年中一直在练习的非凡芭蕾舞的例子。
地月转移轨道和自由返回轨道
这张较早的 NASA 图像描绘了阿波罗 8 号任务的轨迹。与其他一些阿波罗任务一样，其基本轨道呈数字 8 形。为什么？这种轨迹提供了从月球“自由返回”的机会，以防出现任何问题——无需修正进入月球轨道，您只需绕月球摆动并返回——在下图更清楚地显示。
（图片来源：NASA）
这种“自由返回”轨迹的版本用于阿波罗 8 号、10 号和 11 号任务。失败的阿波罗 13 号任务最初没有采用这种轨迹，但它能够使用登月舱将自己置于自由返回轨道——这对宇航员来说很幸运。
（图片来源：NASA）
行星勘测
快进到今天，一种非常不同的任务类型。 NASA 的卡西尼号探测器在过去的十年中一直在土星进行原位探测，进行了一次非凡的科学发现之旅。在此期间，它还重新配置了其轨道配置，以更好地勘测土星系统，创建了此处显示的真实轨迹网络。卡西尼号目前正在执行其至日任务——因土星即将到来的 2017 年 5 月夏至而得名（并且在未来 29 年内不会重复）。
卡西尼号环绕土星轨道（图片来源：NASA/JPL 和 Planetary.org）
重复使用、回收利用和环绕空旷空间运行轨道……
卡西尼号和阿波罗号的轨道都相对容易理解——航天器正在绕其目标运行。但是那些特殊的平衡和不平衡区域呢？这里有一个来自鲜为人知的 NASA 任务的绝佳例子。时间历史事件和宏观尺度亚暴相互作用任务 (THEMIS) 于 2007 年发射，最初由 5 个航天器组成，用于研究地球的磁层。
在完成主要任务后，其中两个航天器被重新用于成为月球与太阳相互作用的加速、重联、湍流和电动力学任务，即 ARTEMIS P1 和 P2（没那么拗口）。它们被轻轻地从地球移开，进入月球轨道。
但这些不是您祖母时代的月球轨道，而是地月拉格朗日点轨道。在这里，航天器围绕两个 拉格朗日点（L1 和 L2） 移动——位于月球的近侧和远侧——在这些位置，引力势场的梯度实际上是平坦的（由于地球和月球在其旋转框架中的联合拉力）。换句话说，当地月系统绕太阳运行时，ARTEMIS 探测器可以“悬停”在动态稳定性中，测量磁层条件和太阳风的性质。
这不仅为 NASA 节省了数千万美元（谁说该机构不知道如何最大限度地利用其拥有的资源？），而且还呈现了一组最独特和美丽的轨道轨迹——如下所示
相对于月球的拉格朗日点轨道（图片来源：NASA/戈达德）
以及侧视图
（图片来源：NASA/戈达德）
围绕彗星运行三角形轨道……
有时，行星际空间中感兴趣的物体非常微小，以至于其引力场几乎不足以将航天器固定在原位。这就是 ESA 罗塞塔任务目前在 67-P/C-G 彗星处的情况。那么您会怎么做呢？您以一种明显的非椭圆路径偷偷靠近它，越来越近，直到可以实现类似稳定轨道的轨道（图片来源：ESA，C. Carreau）