Полетите на космически кораб включват огромна консумация на енергия. Например ракетата-носител "Союз", стояща на стартовата площадка и готова за изстрелване, тежи 307 тона, от които повече от 270 тона са гориво, тоест лъвският дял. Необходимостта от изразходване на лудо количество енергия за движение в космическото пространство е до голяма степен свързана с трудностите при овладяването на далечните краища на Слънчевата система.
За съжаление все още не се очаква технически пробив в тази посока. Масата на горивото остава един от ключовите фактори при планирането на космически мисии и инженерите използват всяка възможност да спестят гориво, за да удължат работата на устройството. Гравитационните маневри са един от начините да спестите пари.
Как да летя в космоса и какво е гравитацията
Принципът на преместване на устройството във вакуум (среда, от която е невъзможно да се изтласка нито с витло, нито с колела, или с нещо друго) е един и същ за всички видове ракетни двигатели, произведени на Земята. Това е реактивна тяга. Гравитацията се противопоставя на силата на реактивния двигател. Тази битка срещу законите на физиката е спечеленаСъветските учени през 1957 г. За първи път в историята апарат, направен от човешка ръка, придобил първата космическа скорост (около 8 km/s), се превърна в изкуствен спътник на планетата Земя.
Около 170 тона желязо, електроника, пречистен керосин и течен кислород бяха необходими, за да изстреля устройство с тегло малко над 80 кг в ниска орбита на Земята.
От всички закони и принципи на Вселената, гравитацията е може би един от основните. Тя управлява всичко, като се започне от подреждането на елементарни частици, атоми, молекули и се стигне до движението на галактиките. Това също е пречка за изследването на космоса.
Не само гориво
Дори преди изстрелването на първия изкуствен спътник на Земята учените ясно разбраха, че не само увеличаването на размера на ракетите и мощността на техните двигатели може да бъде ключът към успеха. Изследователите са били подтикнати да търсят подобни трикове от резултатите от изчисления и практически тестове, които са показали колко гориворазходни са полетите извън земната атмосфера. Първото подобно решение за съветските дизайнери беше изборът на мястото за изграждане на космодрума.
Нека обясним. За да стане изкуствен спътник на Земята, ракетата трябва да се ускори до 8 km/s. Но самата ни планета е в постоянно движение. Всяка точка, разположена на екватора, се върти със скорост над 460 метра в секунда. Така ракета, изстреляна в безвъздушно пространство в областта на нулевия паралел, сама по себе си ще бъдеимате свободни почти половин километър в секунда.
Ето защо в широките простори на СССР беше избрано място на юг (скоростта на ежедневното въртене в Байконур е около 280 m/s). Още по-амбициозен проект, насочен към намаляване на ефекта на гравитацията върху ракетата-носител, се появява през 1964 г. Това беше първият морски космодрум "Сан Марко", сглобен от италианците от две сондажни платформи и разположен на екватора. По-късно този принцип е в основата на международния проект Sea Launch, който успешно изстрелва търговски спътници и до днес.
Кой беше първият
Какво ще кажете за мисиите в дълбокия космос? Учени от СССР бяха пионери в използването на гравитацията на космическите тела за промяна на траекторията на полета. Обратната страна на нашия естествен спътник, както знаете, е заснета за първи път от съветския апарат Луна-1. Важно беше, че след облитане на Луната, устройството има време да се върне на Земята, така че да бъде обърнато към нея от северното полукълбо. В крайна сметка информацията (получените фотографски изображения) трябваше да се предава на хората, а станциите за проследяване, радиоантенните чинии бяха разположени точно в северното полукълбо.
Не по-малко успешно успява да използва гравитационни маневри за промяна на траекторията на космическия кораб от американски учени. Междупланетният автоматичен космически кораб "Маринер 10" след прелитане близо до Венера трябваше да намали скоростта, за да отиде в по-ниска околослънчева орбита иизследвайте Меркурий. Вместо да се използва реактивната тяга на двигателите за тази маневра, скоростта на превозното средство беше забавена от гравитационното поле на Венера.
Как работи
Съгласно закона за всемирното привличане, открит и потвърден експериментално от Исак Нютон, всички тела с маса се привличат едно друго. Силата на това привличане лесно се измерва и изчислява. Зависи както от масата на двете тела, така и от разстоянието между тях. Колкото по-близо, толкова по-силно. Освен това, когато телата се приближават едно към друго, силата на привличане нараства експоненциално.
Фигурата показва как космически кораби, летящи близо до голямо космическо тяло (някаква планета), променят траекторията си. Освен това ходът на движение на устройството под номер 1, летящо най-отдалечено от масивния обект, се променя много леко. Какво не може да се каже за устройството номер 6. Планетоидът променя драстично посоката си на полет.
Какво е гравитационна прашка. Как работи
Използването на гравитационни маневри позволява не само да се промени посоката на космическия кораб, но и да се регулира скоростта му.
Фигурата показва траекторията на космически кораб, който обикновено се използва за ускоряването му. Принципът на действие на такава маневра е прост: в участъка от траекторията, подчертан в червено, устройството сякаш настига планетата, която бяга от него. Много по-масивно тяло дърпа по-малко тяло със силата на гравитацията си, разпръсквайки го.
Между другото, не само космическите кораби се ускоряват по този начин. Известно е, че небесните тела, които не са обвързани със звездите, бродят из галактиката усилено. Това могат да бъдат както относително малки астероиди (един от които, между другото, сега посещава Слънчевата система), така и планетоиди с приличен размер. Астрономите вярват, че гравитационната прашка, т.е. въздействието на по-голямо космическо тяло, изхвърля по-малко масивни обекти от техните системи, обричайки ги на вечни скитания в ледения студ на празното пространство.
Как да забавим
Но, използвайки гравитационните маневри на космическите кораби, можете не само да ускорите, но и да забавите тяхното движение. Схемата на такова спиране е показана на фигурата.
В участъка от траекторията, подчертан в червено, привличането на планетата, за разлика от варианта с гравитационна прашка, ще забави движението на устройството. В крайна сметка векторът на гравитацията и посоката на полета на кораба са противоположни.
Кога се използва? Основно за извеждане на автоматични междупланетни станции в орбитите на изследваните планети, както и за изследване на близки до Слънчеви региони. Факт е, че при движение към Слънцето или, например, към най-близката до звездата планета Меркурий, всяко устройство, ако не приложите мерки за спиране, волю-неволю ускорява. Нашата звезда има невероятна маса и огромна сила на привличане. Космически кораб, който е набрал прекомерна скорост, няма да може да влезе в орбитата на Меркурий, най-малката планета от слънчевото семейство. Корабът просто ще се промъкнеМалкият Меркюри не може да го дръпне достатъчно силно. Моторите могат да се използват за спиране. Но гравитационна траектория към Слънцето, да речем при Луната и след това към Венера, би свела до минимум използването на ракетно задвижване. Това означава, че ще е необходимо по-малко гориво и освободеното тегло може да се използва за настаняване на допълнително изследователско оборудване.
Влезте в ушите на иглата
Докато ранните гравитационни маневри се провеждаха плахо и колебливо, маршрутите на последните междупланетни космически мисии почти винаги се планират с гравитационни корекции. Работата е там, че сега астрофизиците, благодарение на развитието на компютърните технологии, както и наличието на най-точните данни за телата на Слънчевата система, преди всичко тяхната маса и плътност, разполагат с по-точни изчисления. И е необходимо да се изчисли гравитационната маневра изключително точно.
И така, полагането на траектория по-далеч от планетата, отколкото е необходимо, е изпълнено с факта, че скъпото оборудване изобщо няма да лети там, където е било планирано. А подценяването на масата може дори да застраши сблъсъка на кораба с повърхността.
Шампион в маневри
Това, разбира се, може да се счита за втория космически кораб от мисията Voyager. Пуснато през 1977 г., устройството в момента напуска родната си звездна система, оттегляйки се в неизвестното.
По време на своята работа апаратът посети Сатурн, Юпитер, Уран и Нептун. През целия полет върху него действаше привличането на Слънцето, от което корабът постепенно се отдалечава. Но благодарение на добре изчислената гравитационнаманеври, за всяка от планетите скоростта й не намалява, а нараства. За всяка изследвана планета маршрутът е изграден на принципа на гравитационна прашка. Без прилагането на гравитационна корекция, Voyager не би могъл да го изпрати толкова далеч.
Освен Вояджърите, гравитационните маневри са използвани за стартиране на такива добре познати мисии като Rosetta или New Horizons. И така, Розета, преди да тръгне в търсене на кометата Чурюмов-Герасименко, направи цели 4 ускоряващи гравитационни маневри близо до Земята и Марс.
