Loty statków kosmicznych wiążą się z ogromnym zużyciem energii. Na przykład rakieta Sojuz, stojąca na wyrzutni i gotowa do startu, waży 307 ton, z czego ponad 270 ton to paliwo, czyli lwia część. Konieczność poświęcania szalonej ilości energii na ruch w kosmosie jest w dużej mierze związana z trudnościami w opanowaniu odległych zakątków Układu Słonecznego.
Niestety, nie oczekuje się jeszcze przełomu technicznego w tym kierunku. Masa paliwa pozostaje jednym z kluczowych czynników w planowaniu misji kosmicznych, a inżynierowie wykorzystują każdą okazję do zaoszczędzenia paliwa, aby przedłużyć działanie urządzenia. Manewry grawitacyjne to jeden ze sposobów na zaoszczędzenie pieniędzy.
Jak latać w kosmosie i czym jest grawitacja
Zasada poruszania się urządzenia w próżni (środowisku, z którego nie da się odepchnąć ani śmigłem, ani kołami, ani niczym innym) jest taka sama dla wszystkich typów silników rakietowych produkowanych na Ziemi. To jest ciąg odrzutowy. Grawitacja przeciwstawia się mocy silnika odrzutowego. Ta bitwa z prawami fizyki została wygranaRadzieccy naukowcy w 1957 roku. Po raz pierwszy w historii aparat wykonany ludzkimi rękami, osiągając pierwszą kosmiczną prędkość (około 8 km/s), stał się sztucznym satelitą planety Ziemia.
Wyniesienie urządzenia ważącego nieco ponad 80 kg na niską orbitę okołoziemską wymagało około 170 ton żelaza, elektroniki, oczyszczonej nafty i ciekłego tlenu.
Spośród wszystkich praw i zasad wszechświata grawitacja jest prawdopodobnie jedną z głównych. Rządzi wszystkim, począwszy od ułożenia cząstek elementarnych, atomów, cząsteczek, a skończywszy na ruchu galaktyk. To także przeszkoda w eksploracji kosmosu.
Nie tylko paliwo
Jeszcze przed wystrzeleniem pierwszego sztucznego satelity Ziemi, naukowcy wyraźnie zrozumieli, że nie tylko zwiększenie rozmiarów rakiet i mocy ich silników może być kluczem do sukcesu. Do poszukiwania takich sztuczek skłoniły naukowców wyniki obliczeń i testów praktycznych, które pokazały, jak paliwożerne są loty poza ziemską atmosferą. Pierwszą taką decyzją radzieckich projektantów był wybór lokalizacji pod budowę kosmodromu.
Wyjaśnijmy. Aby stać się sztucznym satelitą Ziemi, rakieta musi przyspieszyć do 8 km/s. Ale sama nasza planeta jest w ciągłym ruchu. Każdy punkt znajdujący się na równiku obraca się z prędkością ponad 460 metrów na sekundę. Tak więc rakieta wystrzelona w przestrzeń pozbawioną powietrza w obszarze zerowego równoleżnika sama w sobie będziemieć wolne prawie pół kilometra na sekundę.
Dlatego na rozległych obszarach ZSRR wybrano miejsce na południe (prędkość dziennej rotacji w Bajkonurze wynosi około 280 m/s). Jeszcze bardziej ambitny projekt mający na celu zmniejszenie wpływu grawitacji na pojazd startowy pojawił się w 1964 roku. Był to pierwszy kosmodrom morski „San Marco”, zmontowany przez Włochów z dwóch platform wiertniczych i znajdujący się na równiku. Później zasada ta stała się podstawą międzynarodowego projektu Sea Launch, który z powodzeniem wystrzeliwuje komercyjne satelity do dziś.
Kto był pierwszy
A co z misjami w kosmos? Naukowcy z ZSRR byli pionierami w wykorzystywaniu grawitacji ciał kosmicznych do zmiany toru lotu. Jak wiadomo, odwrotna strona naszego naturalnego satelity została po raz pierwszy sfotografowana przez sowiecki aparat Luna-1. Ważne było, aby po przelocie wokół Księżyca urządzenie zdążyło wrócić na Ziemię tak, aby została do niej zwrócona przez półkulę północną. Przecież informacje (otrzymywane obrazy fotograficzne) musiały być przekazywane ludziom, a stacje namierzające, czasze anten radiowych znajdowały się właśnie na półkuli północnej.
Nie mniej skutecznie udało się wykorzystać manewry grawitacyjne do zmiany trajektorii statku kosmicznego przez amerykańskich naukowców. Międzyplanetarny automatyczny statek kosmiczny „Mariner 10” po przelocie w pobliżu Wenus musiał zmniejszyć prędkość, aby wejść na niższą orbitę okołosłoneczną izbadaj Merkurego. Zamiast używać do tego manewru ciągu odrzutowego silników, prędkość pojazdu została spowolniona przez pole grawitacyjne Wenus.
Jak to działa
Zgodnie z prawem powszechnego ciążenia, odkrytym i potwierdzonym eksperymentalnie przez Izaaka Newtona, wszystkie ciała o masie przyciągają się nawzajem. Siłę tego przyciągania można łatwo zmierzyć i obliczyć. Zależy to zarówno od masy obu ciał, jak i odległości między nimi. Im bliżej, tym silniejszy. Co więcej, gdy ciała zbliżają się do siebie, siła przyciągania rośnie wykładniczo.
Ilustracja pokazuje, jak statek kosmiczny lecący w pobliżu dużego ciała kosmicznego (jakiejś planety) zmienia swoją trajektorię. Co więcej, przebieg ruchu urządzenia pod numerem 1, lecącego najdalej od masywnego obiektu, zmienia się bardzo nieznacznie. Czego nie można powiedzieć o urządzeniu nr 6. Planetoida dramatycznie zmienia kierunek lotu.
Co to jest proca grawitacyjna. Jak to działa
Zastosowanie manewrów grawitacyjnych pozwala nie tylko na zmianę kierunku statku kosmicznego, ale także na dostosowanie jego prędkości.
Rysunek przedstawia trajektorię statku kosmicznego, zwykle używanego do jego przyspieszania. Zasada działania takiego manewru jest prosta: na zaznaczonym na czerwono odcinku trajektorii urządzenie wydaje się doganiać uciekającą przed nim planetę. Dużo bardziej masywne ciało ciągnie mniejsze ciało siłą grawitacji, rozpraszając je.
Przy okazji, nie tylko statki kosmiczne są w ten sposób przyspieszane. Wiadomo, że ciała niebieskie, które nie są związane z gwiazdami, wędrują po galaktyce z siłą i siłą. Mogą to być zarówno stosunkowo niewielkie asteroidy (z których jedna, nawiasem mówiąc, odwiedza teraz Układ Słoneczny), jak i planetoidy przyzwoitych rozmiarów. Astronomowie uważają, że to właśnie proca grawitacyjna, czyli uderzenie większego ciała kosmicznego, wyrzuca z ich układów mniej masywne obiekty, skazując je na wieczne wędrówki w lodowatej, pustej przestrzeni.
Jak zwolnić
Ale używając grawitacyjnych manewrów statków kosmicznych, możesz nie tylko przyspieszyć, ale także spowolnić ich ruch. Schemat takiego hamowania pokazano na rysunku.
Na zaznaczonym na czerwono odcinku trajektorii przyciąganie planety, w przeciwieństwie do wariantu z procą grawitacyjną, spowolni ruch urządzenia. W końcu wektor grawitacji i kierunek lotu statku są przeciwne.
Kiedy jest używany? Głównie do wystrzeliwania automatycznych stacji międzyplanetarnych na orbity badanych planet, a także do badania obszarów bliskich słonecznym. Faktem jest, że poruszając się w kierunku Słońca lub na przykład w kierunku najbliższej gwiazdy planety Merkury, każde urządzenie, jeśli nie zastosuje się środków do hamowania, chcąc nie chcąc przyspiesza. Nasza gwiazda ma niesamowitą masę i ogromną siłę przyciągania. Statek kosmiczny, który nabrał nadmiernej prędkości, nie będzie w stanie wejść na orbitę Merkurego, najmniejszej planety z rodziny słonecznej. Statek po prostu się prześlizgnieprzez, mały Merkury nie może go ciągnąć wystarczająco mocno. Silniki mogą być używane do hamowania. Ale grawitacyjna trajektoria do Słońca, powiedzmy na Księżyc, a potem na Wenus, zminimalizuje użycie napędu rakietowego. Oznacza to, że potrzeba będzie mniej paliwa, a uwolniony ciężar można wykorzystać na umieszczenie dodatkowego sprzętu badawczego.
Wbij się w ucho igły
Podczas gdy wczesne manewry grawitacyjne były przeprowadzane z nieśmiałością i wahaniem, trasy ostatnich międzyplanetarnych misji kosmicznych są prawie zawsze planowane z korektami grawitacyjnymi. Rzecz w tym, że teraz astrofizycy, dzięki rozwojowi technologii komputerowej, a także dostępności najdokładniejszych danych o ciałach Układu Słonecznego, przede wszystkim o ich masie i gęstości, mają do dyspozycji dokładniejsze obliczenia. I konieczne jest niezwykle dokładne obliczenie manewru grawitacyjnego.
Tak więc układanie trajektorii dalej od planety niż to konieczne jest obarczone faktem, że drogi sprzęt w ogóle nie poleci tam, gdzie był planowany. A niedoszacowanie masy może nawet grozić zderzeniem statku z powierzchnią.
Mistrz w manewrach
To oczywiście można uznać za drugi statek kosmiczny misji Voyager. Wprowadzone na rynek w 1977 roku urządzenie opuszcza obecnie swój rodzimy układ gwiezdny, wycofując się w nieznane.
Podczas swojej pracy aparat odwiedził Saturna, Jowisza, Urana i Neptuna. Przez cały lot działał na niego przyciąganie Słońca, z którego statek stopniowo się oddalał. Ale dzięki dobrze obliczonej grawitacjimanewrów, dla każdej z planet jej prędkość nie malała, lecz rosła. Dla każdej eksplorowanej planety trasa została zbudowana na zasadzie procy grawitacyjnej. Bez zastosowania korekcji grawitacyjnej Voyager nie byłby w stanie wysłać go tak daleko.
Oprócz Voyagerów, manewry grawitacyjne były wykorzystywane do uruchamiania tak znanych misji, jak Rosetta czy New Horizons. Tak więc Rosetta, zanim wyruszyła na poszukiwanie komety Czuriumow-Gierasimienko, wykonała aż 4 przyspieszające manewry grawitacyjne w pobliżu Ziemi i Marsa.
