Flygningar med rymdfarkoster innebär enorm energiförbrukning. Till exempel väger bärraketen Soyuz, stående på startplattan och redo att lanseras, 307 ton, varav mer än 270 ton är bränsle, det vill säga lejonparten. Behovet av att spendera en galen mängd energi på rörelse i yttre rymden är till stor del relaterat till svårigheterna att bemästra solsystemets avlägsna delar.
Tyvärr förväntas inte ett tekniskt genombrott i denna riktning ännu. Drivmedelsmassan är fortfarande en av nyckelfaktorerna vid planering av rymduppdrag, och ingenjörer tar alla tillfällen i akt att spara bränsle för att förlänga driften av enheten. Tyngdkraftsmanövrar är ett sätt att spara pengar.
Hur man flyger i rymden och vad är gravitation
Principen för att flytta enheten i ett vakuum (en miljö från vilken det är omöjligt att trycka loss vare sig med en propeller eller hjul eller något annat) är densamma för alla typer av raketmotorer som tillverkas på jorden. Detta är jet thrust. Tyngdkraften motverkar kraften hos en jetmotor. Denna kamp mot fysikens lagar har vunnitsSovjetiska vetenskapsmän 1957. För första gången i historien blev en apparat gjord av mänskliga händer, efter att ha uppnått den första kosmiska hastigheten (cirka 8 km/s), en konstgjord satellit för planeten Jorden.
Det krävdes cirka 170 ton järn, elektronik, renad fotogen och flytande syre för att skjuta upp en enhet som väger drygt 80 kg i låg omloppsbana om jorden.
Av alla universums lagar och principer är gravitationen kanske en av de viktigaste. Det styr allt, från och med arrangemanget av elementarpartiklar, atomer, molekyler och slutar med galaxernas rörelse. Det är också ett hinder för utforskning av rymden.
Inte bara bränsle
Även innan den första artificiella jordsatelliten lanserades förstod forskare tydligt att inte bara att öka storleken på raketer och kraften hos deras motorer kan vara nyckeln till framgång. Forskarna uppmanades att söka efter sådana knep av resultaten av beräkningar och praktiska tester, som visade hur bränslekrävande flygningar utanför jordens atmosfär är. Det första sådana beslutet för sovjetiska designers var valet av plats för byggandet av kosmodromen.
Låt oss förklara. För att bli en konstgjord satellit för jorden måste raketen accelerera till 8 km/s. Men vår planet är i ständig rörelse. Varje punkt på ekvatorn roterar med en hastighet av mer än 460 meter per sekund. Således kommer en raket som skjuts upp i luftlöst utrymme i området för nollparallellen i sig att vara detha ledigt nästan en halv kilometer per sekund.
Därför valdes en plats söderut i de breda vidderna av Sovjetunionen (hastigheten för daglig rotation i Baikonur är cirka 280 m/s). Ett ännu mer ambitiöst projekt som syftade till att minska gravitationens inverkan på bärraketen dök upp 1964. Det var den första marina kosmodromen "San Marco", monterad av italienarna från två borrplattformar och placerad på ekvatorn. Senare låg denna princip till grund för det internationella Sea Launch-projektet, som framgångsrikt skjuter upp kommersiella satelliter än i dag.
Vem var den första
Vad sägs om djupa rymduppdrag? Forskare från Sovjetunionen var pionjärer i att använda tyngdkraften hos kosmiska kroppar för att ändra flygvägen. Baksidan av vår naturliga satellit, som ni vet, fotograferades först av den sovjetiska Luna-1-apparaten. Det var viktigt att enheten efter att ha flugit runt månen hade tid att återvända till jorden så att den skulle vändas mot den av norra halvklotet. När allt kommer omkring var informationen (de mottagna fotografiska bilderna) tvungna att överföras till människor, och spårningsstationerna, radioantennplattor var placerade exakt på norra halvklotet.
Lyckades inte mindre framgångsrikt använda gravitationsmanövrar för att ändra rymdfarkostens bana av amerikanska forskare. Den interplanetära automatiska rymdfarkosten "Mariner 10" var efter en förbiflygning nära Venus tvungen att minska hastigheten för att gå in i en lägre cirkumsolär bana ochutforska Merkurius. Istället för att använda motorernas jetkraft för denna manöver, bromsades fordonets hastighet av Venus gravitationsfält.
Så fungerar det
I enlighet med lagen om universell gravitation, upptäckt och bekräftad experimentellt av Isaac Newton, attraherar alla kroppar med massa varandra. Styrkan hos denna attraktion är lätt att mäta och beräkna. Det beror både på massan av båda kropparna och på avståndet mellan dem. Ju närmare, desto starkare. Dessutom, när kroppar närmar sig varandra, växer attraktionskraften exponentiellt.
Figuren visar hur rymdfarkoster, som flyger nära en stor kosmisk kropp (någon planet), ändrar sin bana. Dessutom ändras rörelseförloppet för enheten under nummer 1, som flyger längst bort från det massiva föremålet, väldigt lite. Vad kan inte sägas om enhet nummer 6. Planetoiden ändrar sin flygriktning dramatiskt.
Vad är en gravitationssele. Så fungerar det
Användningen av gravitationsmanövrar gör det möjligt att inte bara ändra rymdfarkostens riktning utan också att justera dess hastighet.
Figuren visar en rymdfarkosts bana, som vanligtvis används för att accelerera den. Funktionsprincipen för en sådan manöver är enkel: i den sektion av banan som är markerad i rött verkar enheten komma ikapp med planeten som springer bort från den. En mycket mer massiv kropp drar en mindre kropp med sin tyngdkraft och sprider den.
Förresten, inte bara rymdskepp accelereras på detta sätt. Det är känt att himlakroppar som inte är bundna till stjärnorna strövar omkring i galaxen med makt och huvud. Dessa kan vara både relativt små asteroider (varav en förresten nu besöker solsystemet), och planetoider av hyfsad storlek. Astronomer tror att det är gravitationsslungan, det vill säga inverkan av en större kosmisk kropp, som kastar ut mindre massiva föremål ur deras system, och dömer dem till eviga irrfärder i den isande kylan av tomma rymden.
Så saktar man ner
Men genom att använda rymdfarkostens gravitationsmanövrar kan du inte bara accelerera, utan också sakta ner deras rörelse. Schemat för sådan bromsning visas i figuren.
På den del av banan som är markerad i rött, kommer planetens attraktion, i motsats till varianten med en gravitationsslinga, att sakta ner enhetens rörelse. När allt kommer omkring är tyngdkraftsvektorn och fartygets flygriktning motsatta.
När används den? Främst för att skjuta upp automatiska interplanetära stationer i banorna för de studerade planeterna, såväl som för att studera nära solområden. Faktum är att när man rör sig mot solen eller till exempel mot planeten Merkurius närmast stjärnan, accelererar vilken enhet som helst, om man inte vidtar åtgärder för att bromsa. Vår stjärna har en otrolig massa och en enorm attraktionskraft. En rymdfarkost som har fått alltför hög hastighet kommer inte att kunna ta sig in i Merkurius, den minsta planeten i solfamiljen. Fartyget kommer bara att glida igenomlilla Mercury kan inte dra tillräckligt hårt. Motorer kan användas för bromsning. Men en gravitationsbana till solen, säg vid månen och sedan Venus, skulle minimera användningen av raketframdrivning. Detta innebär att mindre bränsle kommer att behövas, och den frigjorda vikten kan användas för att rymma ytterligare forskningsutrustning.
Kom i ögonen på ett nålsöga
Medan tidiga gravitationsmanövrar genomfördes försiktigt och tveksamt, planeras rutterna för de senaste interplanetära rymduppdragen nästan alltid med gravitationsjusteringar. Saken är att nu har astrofysiker, tack vare utvecklingen av datorteknik, såväl som tillgången på de mest exakta data om solsystemets kroppar, främst deras massa och densitet, mer exakta beräkningar tillgängliga. Och det är nödvändigt att beräkna gravitationsmanövern extremt noggrant.
Så, att lägga en bana längre bort från planeten än nödvändigt är kantad av det faktum att dyr utrustning inte alls kommer att flyga dit det var planerat. Och underskattning av massan kan till och med hota fartygets kollision med ytan.
Mästare i manövrar
Detta kan naturligtvis betraktas som den andra rymdfarkosten i Voyager-uppdraget. Enheten, som lanserades 1977, lämnar för närvarande sitt ursprungliga stjärnsystem och drar sig tillbaka till det okända.
Under sin drift besökte apparaten Saturnus, Jupiter, Uranus och Neptunus. Under hela flygningen verkade solens attraktion på den, från vilken skeppet gradvis flyttade sig bort. Men tack vare välkalkylerad gravitationmanövrar, för var och en av planeterna minskade inte dess hastighet, utan växte. För varje utforskad planet byggdes rutten på principen om en gravitationsslinga. Utan tillämpningen av gravitationskorrigering skulle Voyager inte ha kunnat skicka det så långt.
Förutom Voyagers har gravitationsmanövrar använts för att starta så välkända uppdrag som Rosetta eller New Horizons. Så, Rosetta, innan hon gick på jakt efter kometen Churyumov-Gerasimenko, gjorde så många som fyra accelererande gravitationsmanövrar nära jorden och Mars.
