Zborurile cu nave spațiale implică un consum mare de energie. De exemplu, vehiculul de lansare Soyuz, care stă pe rampa de lansare și gata de lansare, cântărește 307 de tone, din care peste 270 de tone sunt combustibil, adică partea leului. Necesitatea de a cheltui o cantitate nebună de energie pentru mișcarea în spațiul cosmic este în mare măsură legată de dificultățile de a stăpâni zonele îndepărtate ale sistemului solar.
Din păcate, nu se așteaptă încă o descoperire tehnică în această direcție. Masa propulsorului rămâne unul dintre factorii cheie în planificarea misiunilor spațiale, iar inginerii profită de orice ocazie pentru a economisi combustibil pentru a prelungi funcționarea dispozitivului. Manevrele gravitaționale sunt o modalitate de a economisi bani.
Cum să zbori în spațiu și ce este gravitația
Principiul deplasării dispozitivului în vid (un mediu din care este imposibil să împingeți fie cu o elice, fie cu roți, sau cu orice altceva) este același pentru toate tipurile de motoare de rachetă fabricate pe Pământ. Aceasta este tracțiunea jetului. Gravitația se opune puterii unui motor cu reacție. Această bătălie împotriva legilor fizicii a fost câștigatăOamenii de știință sovietici în 1957. Pentru prima dată în istorie, un aparat realizat de mâini umane, după ce a dobândit prima viteză cosmică (aproximativ 8 km/s), a devenit un satelit artificial al planetei Pământ.
A fost nevoie de aproximativ 170 de tone de fier, electronice, kerosen purificat și oxigen lichid pentru a lansa un dispozitiv cu o greutate de puțin peste 80 kg pe orbita joasă a Pământului.
Dintre toate legile și principiile universului, gravitația este, probabil, una dintre cele principale. Ea guvernează totul, începând cu aranjarea particulelor elementare, atomilor, moleculelor și terminând cu mișcarea galaxiilor. Este, de asemenea, un obstacol în calea explorării spațiului.
Nu doar combustibil
Chiar înainte de lansarea primului satelit artificial de pe Pământ, oamenii de știință au înțeles clar că nu numai creșterea dimensiunii rachetelor și a puterii motoarelor lor ar putea fi cheia succesului. Cercetătorii au fost îndemnați să caute astfel de trucuri de rezultatele calculelor și ale testelor practice, care au arătat cât de consumatoare de combustibil sunt zborurile în afara atmosferei terestre. Prima astfel de decizie pentru designerii sovietici a fost alegerea amplasamentului pentru construcția cosmodromului.
Să explicăm. Pentru a deveni un satelit artificial al Pământului, racheta trebuie să accelereze până la 8 km/s. Dar planeta noastră însăși este în mișcare continuă. Orice punct situat pe ecuator se rotește cu o viteză de peste 460 de metri pe secundă. Astfel, o rachetă lansată în spațiul fără aer în zona paralelei zero va fi în sineaveți gratuit aproape jumătate de kilometru pe secundă.
De aceea, în întinderile largi ale URSS, s-a ales un loc spre sud (viteza de rotație zilnică în Baikonur este de aproximativ 280 m/s). Un proiect și mai ambițios care vizează reducerea efectului gravitației asupra vehiculului de lansare a apărut în 1964. A fost primul cosmodrom marin „San Marco”, asamblat de italieni de pe două platforme de foraj și situat pe ecuator. Mai târziu, acest principiu a stat la baza proiectului internațional Sea Launch, care lansează cu succes sateliți comerciali până în prezent.
Cine a fost primul
Ce zici de misiunile în spațiu adânc? Oamenii de știință din URSS au fost pionierii în utilizarea gravitației corpurilor cosmice pentru a schimba calea de zbor. Partea inversă a satelitului nostru natural, după cum știți, a fost fotografiată pentru prima dată de aparatul sovietic Luna-1. Era important ca, după ce a zburat în jurul Lunii, dispozitivul să aibă timp să se întoarcă pe Pământ, astfel încât să fie întors către el de către emisfera nordică. La urma urmei, informațiile (imaginile fotografice primite) trebuiau transmise oamenilor, iar stațiile de urmărire, antene radio erau amplasate tocmai în emisfera nordică.
Nu mai puțin cu succes a reușit să folosească manevrele gravitaționale pentru a schimba traiectoria navei spațiale de către oamenii de știință americani. Nava spațială automată interplanetară „Mariner 10” după un zbor în apropierea lui Venus a trebuit să reducă viteza pentru a intra pe o orbită circumsolară inferioară șiexplorează Mercur. În loc să se folosească forța de reacție a motoarelor pentru această manevră, viteza vehiculului a fost încetinită de câmpul gravitațional al lui Venus.
Cum funcționează
Conform legii gravitației universale, descoperită și confirmată experimental de Isaac Newton, toate corpurile cu masă se atrag reciproc. Puterea acestei atracții este ușor de măsurat și calculat. Depinde atât de masa ambelor corpuri, cât și de distanța dintre ele. Cu cât mai aproape, cu atât mai puternic. În plus, pe măsură ce corpurile se apropie unele de altele, forța de atracție crește exponențial.
Figura arată cum navele spațiale, care zboară lângă un corp cosmic mare (o planetă), își schimbă traiectoria. Mai mult, cursul mișcării dispozitivului sub numărul 1, care zboară cel mai departe de obiectul masiv, se modifică foarte ușor. Ce nu se poate spune despre dispozitivul numărul 6. Planetoidul își schimbă dramatic direcția de zbor.
Ce este o praștie gravitațională. Cum funcționează
Folosirea manevrelor gravitaționale permite nu numai schimbarea direcției navei spațiale, ci și ajustarea vitezei acesteia.
Figura arată traiectoria unei nave spațiale, folosită de obicei pentru a o accelera. Principiul de funcționare al unei astfel de manevre este simplu: în secțiunea traiectoriei evidențiată cu roșu, dispozitivul pare să ajungă din urmă cu planeta care fuge de el. Un corp mult mai masiv trage un corp mai mic cu forța sa de gravitație, dispersându-l.
Apropo, nu numai navele spațiale sunt accelerate în acest fel. Se știe că corpurile cerești care nu sunt legate de stele cutreieră galaxia cu putere și putere. Aceștia pot fi atât asteroizi relativ mici (dintre care unul, apropo, vizitează acum sistemul solar), cât și planetoizi de dimensiuni decente. Astronomii cred că praștia gravitațională, adică impactul unui corp cosmic mai mare, este cea care aruncă obiecte mai puțin masive din sistemele lor, condamnându-le la rătăciri eterne în frigul de gheață al spațiului gol.
Cum să încetinești
Dar, folosind manevrele gravitaționale ale navelor spațiale, nu numai că le poți accelera, ci și le poți încetini mișcarea. Schema unei astfel de frânări este prezentată în figură.
Pe secțiunea de traiectorie evidențiată cu roșu, atracția planetei, spre deosebire de varianta cu praștie gravitațională, va încetini mișcarea dispozitivului. La urma urmei, vectorul gravitației și direcția de zbor a navei sunt opuse.
Când este folosit? În principal pentru lansarea stațiilor interplanetare automate pe orbitele planetelor studiate, precum și pentru studierea regiunilor aproape solare. Cert este că la deplasarea spre Soare sau, de exemplu, spre planeta Mercur cea mai apropiată de stea, orice dispozitiv, dacă nu aplici măsuri de frânare, vrând-nevrând accelerează. Steaua noastră are o masă incredibilă și o forță de atracție enormă. O navă spațială care a câștigat viteză excesivă nu va putea intra pe orbita lui Mercur, cea mai mică planetă din familia solară. Nava pur și simplu se va strecurapână acum, micuțul Mercur nu poate trage suficient de tare. Motoarele pot fi folosite pentru frânare. Dar o traiectorie gravitațională către Soare, să zicem la Lună și apoi la Venus, ar minimiza utilizarea propulsiei rachetei. Aceasta înseamnă că va fi nevoie de mai puțin combustibil, iar greutatea eliberată poate fi folosită pentru a găzdui echipamente de cercetare suplimentare.
Intra in urechea unui ac
În timp ce manevrele gravitaționale timpurii au fost efectuate timid și ezitant, rutele celor mai recente misiuni spațiale interplanetare sunt aproape întotdeauna planificate cu ajustări gravitaționale. Chestia este că acum astrofizicienii, datorită dezvoltării tehnologiei informatice, precum și disponibilității celor mai precise date despre corpurile sistemului solar, în primul rând masa și densitatea lor, au la dispoziție calcule mai precise. Și este necesar să se calculeze extrem de precis manevra gravitațională.
Așadar, așezarea unei traiectorii mai departe de planetă decât este necesar este plină de faptul că echipamentele scumpe nu vor zbura deloc acolo unde a fost planificat. Și subestimarea masei poate chiar amenința coliziunea navei cu suprafața.
Campion la manevre
Aceasta, desigur, poate fi considerată a doua navă spațială a misiunii Voyager. Lansat în 1977, dispozitivul părăsește în prezent sistemul de stea nativ, retrăgându-se în necunoscut.
În timpul funcționării sale, aparatul a vizitat Saturn, Jupiter, Uranus și Neptun. Pe tot parcursul zborului, asupra lui a acționat atracția Soarelui, de care nava s-a îndepărtat treptat. Dar, datorită gravitației bine calculatemanevre, pentru fiecare dintre planete, viteza ei nu a scăzut, ci a crescut. Pentru fiecare planetă explorată, traseul a fost construit pe principiul unei praștii gravitaționale. Fără aplicarea corecției gravitaționale, Voyager nu ar fi putut să-l trimită atât de departe.
Pe lângă Voyager, manevrele gravitaționale au fost folosite pentru a lansa misiuni atât de cunoscute precum Rosetta sau New Horizons. Așadar, Rosetta, înainte de a merge în căutarea cometei Churyumov-Gerasimenko, a făcut până la 4 manevre gravitaționale accelerate în apropierea Pământului și a lui Marte.
