Що таке гравітаційні маневри

Польоти космічних апаратів пов’язані з великою витратою енергії. Наприклад, ракета-носій “Союз”, що стоїть на стартовому столі і готова до запуску, важить 307 тонн, з яких понад 270 тонн становить паливо, тобто левова частка. З необхідністю витрачати божевільна кількість енергії на пересування в космічному просторі багато в чому пов’язані труднощі освоєння далеких рубежів Сонячної системи.

На превеликий жаль, технічного прориву на цьому напрямку поки не очікується. Маса палива залишається одним з ключових чинників при плануванні космічних місій, і інженери користуються будь-якою можливістю заощадити пальне, щоб продовжити роботу апарату. Одним із способів економії є гравітаційні маневри.

Як літають в космосі і що таке гравітація

Принцип переміщення апарату в безповітряному просторі (середовищі, від якої неможливо відштовхнутися ні гвинтом, ні колесами, нічим іншим) єдиний для всіх типів, виготовлених на Землі, ракетних двигунів. Це - реактивна тяга. Протистоїть потужності реактивного двигуна гравітація. Ця битва з законами фізики було виграно радянськими вченими в 1957 році. Вперше в історії апарат, зроблений руками людини, придбавши першу космічну швидкість (близько 8 км / с), став штучним супутником планети Земля.

гравітаційні маневри

Для того щоб вивести на навколоземну орбіту апарат вагою трохи більше 80 кг, потрібно близько 170 тонн (саме стільки важила ракета Р-7, що доставила супутник на орбіту) заліза, електроніки, очищеного гасу і рідкого кисню.

З усіх законів і принципів світобудови гравітація - це, мабуть, один з основних. Вона заправляє всім, починаючи з пристрою елементарних частинок, атомів, молекул і закінчуючи рухом галактик. Вона ж є і перешкодою на шляху освоєння космічного простору.

Не тільки паливо

Ще до запуску першого штучного супутника Землі вчені чітко розуміли, що не тільки збільшення розмірів ракет і потужності їх двигунів може бути запорукою успіху. До пошуку таких хитрощів дослідників підштовхнули результати розрахунків і практичних випробувань, які показали наскільки затратні по пальному польоти за межі земної атмосфери. Першим таким рішенням для радянських конструкторів став вибір майданчика будівництва космодрому.

Порозуміємося. Щоб стати штучним супутником Землі, ракеті необхідно розігнатися до 8 км / с. Але і наша планета сама перебуває в безперервному русі. Будь-яка точка, розташована на екваторі, обертається зі швидкістю понад 460 метрів в секунду. Таким чином, ракета, що вийшла в безповітряний простір в районі нульової паралелі, сама по собі буде мати безкоштовних майже півкілометра в секунду.

вплив гравітації

Саме тому на широких просторах СРСР було вибрано місце поюжнее (швидкість добового обертання в Байконурі становить близько 280 м / с).Ще більш амбітний проект, спрямований на те, щоб зменшити вплив гравітації на ракету-носій, з’явився в 1964 році. Ним став перший морський космодром “Сан-Марко”, зібраний італійцями з двох бурових платформ і розташований на екваторі. Пізніше цей принцип ліг в основу міжнародного проекту “Морський старт”, успішно запускає комерційні супутники донині.

Хто був першим

А як з далекими космічними місіями? Піонерами у використанні гравітації космічних тіл для зміни траєкторії польоту були вчені з СРСР. Зворотний бік нашого природного супутника, як відомо, вперше була сфотографована радянським апаратом “Луна-1”. Важливо було, щоб після обльоту Місяця апарат встиг повернутися до Землі так, щоб та була звернена до нього північною півкулею. Адже інформацію (отримані фотозображення) необхідно було передати людям, а станції стеження, тарілки радіоантен знаходилися саме в північній півкулі.

гравітаційні маневри космічних апаратів

Не менш вдало вдалося використати гравітаційні маневри для зміни траєкторії космічного апарату американським вченим. Міжпланетному автоматичному кораблю “Марінер-10” після прольоту поблизу Венери необхідно було зменшити швидкість, для того щоб перейти на нижчу околосолнечную орбіту і досліджувати Меркурій. Замість того щоб використовувати для цього маневру реактивну тягу двигунів, швидкість руху апарату була сповільнена гравітаційним полем Венери.

Як це працює

Відповідно до закону всесвітнього тяжіння, відкритого і підтвердженого експериментально Ісааком Ньютоном, все тіла, що мають масу, притягують один одного. Сила цього тяжіння легко вимірюється і розраховується. Вона залежить як від маси обох тіл, так і від відстані між ними. Чим ближче, тим сильніше. Причому з наближенням тел один до одного сила тяжіння зростає в геометричній прогресії.

гравітація це

На малюнку видно, як космічні апарати, пролітаючи поблизу великого космічного тіла (якоїсь планети), змінюють свою траєкторію. Причому курс руху апарату під номером 1, пролітає далі всіх від масивного об’єкта, змінюється зовсім незначно. Чого не скажеш про апарат № 6. планетоїдів змінює його напрямок польоту кардинально.

Що таке гравітаційна праща. Як вона діє

Використання гравітаційних маневрів дозволяє не тільки змінити напрямок руху космічного корабля, але і скоригувати його швидкість.

гравітаційна праща

На малюнку зображена траєкторія космічного корабля, зазвичай використовувана для його розгону. Принцип дії такого маневру простий: на виділеному червоним кольором ділянці траєкторії апарат ніби наздоганяє тікає від нього планету. Набагато більш масивне тіло силою свого тяжіння захоплює менше за собою, розганяючи його.

До речі, таким чином розганяються не тільки космічні кораблі. Відомо, що по галактиці щосили розгулюють небесні тіла, не прив’язані до зірок. Це можуть бути як порівняно невеликі астероїди (один з яких, до речі, зараз відвідує Сонячну систему), так і планетоїди пристойних розмірів. Астрономи вважають, що саме гравітаційна праща, т. Е. Вплив більшого космічного тіла, викидає менш масивні об’єкти за межі своїх систем, прирікаючи їх на вічні поневіряння в крижаному холоді порожнього космосу.

Як знизити швидкість

Але, застосовуючи гравітаційні маневри космічних апаратів, можна не тільки прискорювати, але і уповільнювати їх рух. Схема такого гальмування показана на малюнку.

напрямку польоту

На виділеному червоним кольором ділянці траєкторії тяжіння планети, на відміну від варіанту з гравітаційної пращ, буде загальмовує рух апарату. Адже вектор сили тяжіння і напрямок польоту корабля протилежні.

У яких випадках це використовується? В основному для виходу автоматичних міжпланетних станцій на орбіти досліджуваних планет, а також для вивчення навколосонячних областей. Справа в тому, що при русі до Сонця або, наприклад, до найближчої до світила планеті Меркурію будь-який апарат, якщо не застосовувати заходів для гальмування, буде волею-неволею розганятися. Наша зірка має неймовірну масою і величезною силою тяжіння. Набрав надмірну швидкість космічний апарат не зможе вийти на орбіту Меркурія - найменшої планети сонячного сімейства. Корабель просто проскочить повз, крихітка Меркурій не зможе досить сильно притягти його. Для гальмування можна використовувати двигуни. Але траєкторія польоту до Сонця з гравітаційним маневром, скажімо у Місяця і потім Венери, дозволить мінімізувати використання ракетної тяги. Значить, знадобиться менше палива, і звільнився вага можна буде використовувати для розміщення додаткової дослідницької апаратури.

Потрапити в вушко голки

Якщо перші гравітаційні маневри проводилися боязко й нерішуче, маршрути останніх міжпланетних космічних місій практично завжди плануються з гравітаційної коригуванням. Вся справа в тому, що зараз астрофізикам, завдяки розвитку комп’ютерної техніки, а також наявності точних даних про тілах Сонячної системи, в першу чергу їх масі і щільності, доступні більш точні обчислення. А розраховувати гравітаційний маневр необхідно надзвичайно точно.

Так, прокладка траєкторії далі від планети, ніж потрібно, чревата тим, що дорога техніка полетить зовсім не туди, куди планувалося. А недооцінка маси і зовсім може загрожувати зіткненням корабля з поверхнею.

Чемпіон по маневрам

Таким, безумовно, можна вважати другий космічний апарат місії “Вояджер”. Запущений в 1977 році апарат в даний час залишає межі рідної зоряної системи, віддаляючись в невідомість.

За час роботи апарат відвідав Сатурн, Юпітер, Уран і Нептун. На нього на всьому протязі польоту діяло тяжіння Сонця, від якого корабель поступово віддалявся. Але, завдяки грамотно розрахованим гравітаційним маневрів, у кожної з планет його швидкість не зменшувалася, а зростала. У кожної дослідженої планети маршрут був побудований за принципом гравітаційної пращі. Без застосування гравітаційної корекції “Вояджер” не вдалося б відправити так далеко.

траєкторія польоту до сонця з гравітаційним маневром

Крім “Вояджер” гравітаційні маневри були використані при запуску таких всім відомих місій, як “Розетта” або “Нові горизонти”. Так, “Розетта”, перш ніж відправитися на пошуки комети Чурюмова-Герасименко, зробила аж 4 розгінних гравітаційних маневру у Землі і Марса.



ЩЕ ПОЧИТАТИ