Co je gravitační manévrování

Pohyb vesmírných vozidel souvisí s obrovským výdajem energie. Například vzletové vozidlo Soyuz, které stojí na startovní ploše a je připraveno k uvedení na trh, váží 307 tun, z nichž více než 270 tun je pohonné hmoty, to je lví podíl. S nutností strávit bláznivé množství energie na pohybu ve vesmíru jsou obtíže zvládnout daleký dosah sluneční soustavy do značné míry spojené.

K naší velké lítosti ještě není technický průlom v tomto směru. Hmotnost paliva zůstává jedním z klíčových faktorů při plánování kosmických misí a inženýři využívají každou příležitost k úsporám paliva za účelem prodloužení provozu přístroje. Jedním ze způsobů ukládání jsou gravitační manévry.

Jak létat ve vesmíru a co je gravitace

Princip přemísťování zařízení v bezvzduchovém prostoru (prostředí, ze kterého není možné vrhnout se šroubem, koly, nic jiného) je stejný pro všechny typy raketových motorů vyrobených na Zemi. Toto je reaktivní tah. Výkon tryskového motoru je opačný k gravitaci. Tato bitva se zákony fyziky vyhrál sovětští vědci v roce 1957. Poprvé v historii se zařízení vyrobené lidskými rukama, které získalo první vesmírnou rychlost (asi 8 km / s), stalo umělým druhem planety Země.

Aby se zařízení na oběžnou dráhu o hmotnosti o něco více než 80 kg, požadovaného asi 170 tun (přesně zváženého jako R-7 raketa dodává satelit na oběžné dráze) železa, elektroniky, čištěného petroleje a kapalného kyslíku.

Ze všech zákonů a zásad vesmíru je gravitace možná jednou z hlavních. Vše běží ze zařízení elementárních částic, atomů, molekul a končí pohybem galaxií. Je také překážkou pro rozvoj vesmíru.

Nejen palivo

Již před zahájením prvního umělého družice Země vědci jednoznačně pochopili, že klíčem k úspěchu může být nejen nárůst velikosti raket a síla jejich motorů. Hledání takových výkřiků výzkumníků bylo vyvoláno výsledky výpočtů a praktických testů, které ukázaly, jak nákladné palivo letí za pozemní atmosféru. Prvním takovým rozhodnutím pro sovětské designéry byla volba staveniště pro kosmodrom.

Vysvětlete. Aby se stala umělou družicí Země, musí být raketa zrychlena na 8 km / s. Ale naše planeta sama je v neustálém pohybu. Každý bod ležící na rovníku se otáčí rychlostí větší než 460 metrů za sekundu. Tak, raketa propuštěna v bezvzduchové místo v oblasti nulové rovnoběžky, bude samo o sobě zdarma téměř pol kilometru za sekundu.

Proto se v široce otevřených prostorech SSSR zvolilo místo, které bylo lépe ponecháno (denní rychlost otáčení v Baikonuru je asi 280 m / s). Dokonce ambicióznější projekt zaměřený na snížení vlivu gravitace na startovní vozidlo se objevil v roce 1964. Stali se prvním námořním kosmodromem "San Marco", shromážděným Italům ze dvou vrtných plošin a umístěných na rovníku. Později se tento princip stal základem mezinárodního projektu "Sea Launch", který úspěšně spouští komerční družice dodnes.

Kdo byl první

A co vzdálené vesmírné mise? Vědci ze SSSR byli průkopníky v používání gravitace kosmických těles k změně letové trajektorie. Reverzní strana našeho přirozeného družice, jak je známa, byla nejprve fotografována sovětským aparátem Luna-1. Bylo důležité, aby se po letu Měsíce zařízení dokázalo vrátit na Zemi takovým způsobem, že čelí severní polokouli. Koneckonců, informace (přijaté fotosnímky) musely být přenášeny na lidi a sledovací stanice, rádiové antény byly umístěny v severní polokouli.

Neméně úspěšně se podařilo využít gravitačních manévrů ke změně trajektorie kosmické lodi na americké vědce. Meziplanetární automatická loď "Mariner 10" po letu poblíž Venuše musela snížit rychlost, aby se dostala na nižší orbitální dráhu a prozkoumala Merkuru. Namísto použití tahu motorů pro tento manévr, rychlost vozidla byla zpomalena gravitačním polem Venuše.

Jak to funguje

Podle zákona univerzální gravitace, objeveného a experimentálně potvrzeného Isaacem Newtonem, se všechna těla, která mají hmotu, navzájem přitahují. Síla této atraktivity se snadno měří a vypočítá. Závisí jak na hmotnosti obou těl, tak na vzdálenosti mezi nimi. Čím blíže, tím silnější. A s přístupem těla k sobě, síla přitažlivosti roste exponenciálně.

Obrázek ukazuje, jak vesmírné vozy, létající v blízkosti velkého kosmického těla (určité planety), změňte jejich trajektorii. A průběh pohybu zařízení na čísle 1, který létá nejvíce od masivního objektu, se mění zcela nevýznamně. Co se nedá říct o přístroji č. 6. Planetoid drasticky mění směr letu.

Co je to gravitační popruh. Jak to funguje

Použití gravitačních manévrů umožňuje nejen změnu směru kosmické lodi, ale i přizpůsobení její rychlosti.

Obrázek ukazuje trajektorii kosmické lodi, která se obvykle používá k jejímu urychlení. Princip fungování takového manévru je jednoduchý: na červeném úseku trajektorie se zdá, že zařízení zháší planetu, která z ní uniká. Mnohem masivnější tělo vytáhne méně svou přitažlivou schopností a zrychluje ji.

Mimochodem, tímto způsobem nejsou rozptýleny pouze vesmírné vozy. Je známo, že nebeské těla procházejí kolem galaxie, nikoli s hvězdami. Mohou to být relativně malé asteroidy (z nichž jedna, mimochodem, nyní navštěvuje sluneční soustavu) a planetoidy slušné velikosti. Astronomů věří, že to je gravitační prak, t. E. Vliv většího vesmírného tělesa, emituje méně masivní předměty ven z jejich systémů, odsuzovat je k věčnému bloudění v ledovou prázdný prostor.

Jak snížit rychlost

Ale pomocí gravitačních manévrů vesmírných vozidel můžete nejen urychlit, ale také zpomalit jejich pohyb. Diagram takového brzdění je znázorněn na obrázku.

Na červené části trajektorie přitahuje planeta, na rozdíl od verze s gravitačním popruhem, zpomalení pohybu zařízení. Koneckonců, vektor gravitace a směr letu lodi jsou opačné.

V jakých případech se používá? Hlavně pro odchod automatických meziplanetárních stanic do oběžných drah studovaných planet a také pro studium blízkých slunečních oblastí. Faktem je, že při přestěhování se do Slunce, například na nejbližší planetu k planetě Merkuru, nebudou všechna zařízení, pokud neuplatníte opatření pro brzdění, rozptýlena. Naše hvězda má neuvěřitelnou masu a obrovskou sílu přitažlivosti. Kosmická loď, která se dostane příliš rychle, nebude moci vstoupit na oběžnou dráhu Merkura, nejmenší planety ve sluneční rodině. Loď se prostě proklouzne, trpasličí Merkur ji nebude schopen dostatečně přilákat. Pro brzdění lze použít motory. Ale letová dráha na Slunce s gravitačním manévrem, říká Měsíc a pak Venuše, minimalizuje použití raketového pohonu. To znamená, že je zapotřebí méně paliva a uvolněná váha může být použita pro další výzkumné vybavení.

Abyste se dostali do oka jehly

Pokud byly první gravitační manévry plaché a váhavé, trasy posledních meziplanetárních vesmírných misí jsou téměř vždy plánovány s gravitační korekcí. Věc je, že astrofyzikové nyní disponují přesnějšími výpočty díky rozvoji výpočetní techniky a dostupnosti přesných údajů o tělech sluneční soustavy, především jejich hmotnosti a hustoty. A výpočet gravitačního manévru musí být velmi přesný.

Takže položení trajektorie dále od planety, než je nutné, je plné skutečnosti, že drahá technika bude letět úplně špatně tam, kde byla plánována. Podhodnocování hmoty a vůbec může ohrozit kolizi lodi s povrchem.

Šampion manévrů

To samozřejmě může být považováno za druhou kosmickou loď misie "Voyager". Spuštěna v roce 1977, zařízení nyní opouští hranice svého hvězdného systému a odchází do neznáma.

Během práce zařízení navštívilo Saturn, Jupiter, Uran a Neptun. Byl přitahován ke Slunci po celý let, odkud loď postupně zmizela. Ovšem díky kompetentně vypočteným gravitačním manévrech se pro každou planetu rychlost nezměnila, ale rostla. Pro každou studovanou planetu byla trasa založena na principu gravitačního popruhu. Bez použití gravitační korekce nemohla být Voyager dosud poslána.

Kromě Voyagerů byly gravitační manévry použity k zahájení takových známých misí jako Rosetta nebo New Horizons. Takže "Rosetta" předtím, než začala hledat kometu Churyumov-Gerasimenko, provedla již 4 gravitační manévrování zrychlení v blízkosti Země a Marsu.