本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
多年來，人類已經將航天器部署到一些狂野、古怪且極其巧妙的軌道配置中，以更好地研究宇宙。
從非常遙遠的地方看，我們太陽系的引力場——由於一顆普通恆星和各種行星以及數十億小塊物體的總質量——簡化為近乎完美的對稱。宇宙將我們視為一個有效的簡單“質點”，是包含超過兩千億個其他簡單碎片的星系中的一個微小組成部分。
哦，更輕鬆的時代（1766年：約瑟夫·賴特：《一位哲學家正在講解天文演示儀，其中用燈代替太陽》）。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
但放大來看，行星際空間的引力場是一個複雜、起伏和動態的地形。例如，木星的質量是地球的318倍，它的引力在其12年的軌道執行期間席捲整個系統，攪動並擾亂其他行星。土星的質量是地球的95倍，它的引力也是如此。沿著大行星的軌道，也存在非直觀的穩定區域。並且更靠近任何行星，特別是那些有衛星的行星，還存在其他微妙和不那麼微妙的引力變化，以及平衡和不平衡區域。
我們是聰明的小型人科動物，我們已經學會了用我們的航天器在看不見的引力國度中航行。細節可能令人驚訝，甚至令人歎為觀止。以下是一些我們在過去幾十年中一直在練習的非凡芭蕾舞的例子。
地月轉移軌道和自由返回軌道
這張較早的 NASA 影像描繪了阿波羅 8 號任務的軌跡。與其他一些阿波羅任務一樣，其基本軌道呈數字 8 形。為什麼？這種軌跡提供了從月球“自由返回”的機會，以防出現任何問題——無需修正進入月球軌道，您只需繞月球擺動並返回——在下圖更清楚地顯示。
（圖片來源：NASA）
這種“自由返回”軌跡的版本用於阿波羅 8 號、10 號和 11 號任務。失敗的阿波羅 13 號任務最初沒有采用這種軌跡，但它能夠使用登月艙將自己置於自由返回軌道——這對宇航員來說很幸運。
（圖片來源：NASA）
行星勘測
快進到今天，一種非常不同的任務型別。 NASA 的卡西尼號探測器在過去的十年中一直在土星進行原位探測，進行了一次非凡的科學發現之旅。在此期間，它還重新配置了其軌道配置，以更好地勘測土星系統，建立了此處顯示的真實軌跡網路。卡西尼號目前正在執行其至日任務——因土星即將到來的 2017 年 5 月夏至而得名（並且在未來 29 年內不會重複）。
卡西尼號環繞土星軌道（圖片來源：NASA/JPL 和 Planetary.org）
重複使用、回收利用和環繞空曠空間執行軌道……
卡西尼號和阿波羅號的軌道都相對容易理解——航天器正在繞其目標執行。但是那些特殊的平衡和不平衡區域呢？這裡有一個來自鮮為人知的 NASA 任務的絕佳例子。時間歷史事件和宏觀尺度亞暴相互作用任務 (THEMIS) 於 2007 年發射，最初由 5 個航天器組成，用於研究地球的磁層。
在完成主要任務後，其中兩個航天器被重新用於成為月球與太陽相互作用的加速、重聯、湍流和電動力學任務，即 ARTEMIS P1 和 P2（沒那麼拗口）。它們被輕輕地從地球移開，進入月球軌道。
但這些不是您祖母時代的月球軌道，而是地月拉格朗日點軌道。在這裡，航天器圍繞兩個 拉格朗日點（L1 和 L2） 移動——位於月球的近側和遠側——在這些位置，引力勢場的梯度實際上是平坦的（由於地球和月球在其旋轉框架中的聯合拉力）。換句話說，當地月系統繞太陽執行時，ARTEMIS 探測器可以“懸停”在動態穩定性中，測量磁層條件和太陽風的性質。
這不僅為 NASA 節省了數千萬美元（誰說該機構不知道如何最大限度地利用其擁有的資源？），而且還呈現了一組最獨特和美麗的軌道軌跡——如下所示
相對於月球的拉格朗日點軌道（圖片來源：NASA/戈達德）
以及側檢視
（圖片來源：NASA/戈達德）
圍繞彗星執行三角形軌道……
有時，行星際空間中感興趣的物體非常微小，以至於其引力場幾乎不足以將航天器固定在原位。這就是 ESA 羅塞塔任務目前在 67-P/C-G 彗星處的情況。那麼您會怎麼做呢？您以一種明顯的非橢圓路徑偷偷靠近它，越來越近，直到可以實現類似穩定軌道的軌道（圖片來源：ESA，C. Carreau）