Содержание

Что такое гравитационные маневры

Полёты космических аппаратов сопряжены с огромным расходом энергии. Например, ракета-носитель «Союз», стоящая на стартовом столе и готовая к запуску, весит 307 тонн, из которых более 270 тонн составляет топливо, то есть львиная доля. С необходимостью тратить сумасшедшее количество энергии на передвижение в космическом пространстве во многом связаны трудности освоения дальних рубежей Солнечной системы.

К большому сожалению, технического прорыва на этом направлении пока не ожидается. Масса топлива остаётся одним из ключевых факторов при планировании космических миссий, и инженеры пользуются любой возможностью сэкономить горючее, чтобы продлить работу аппарата. Одним из способов экономии являются гравитационные маневры.

Как летают в космосе и что такое гравитация

Принцип перемещения аппарата в безвоздушном пространстве (среде, от которой невозможно оттолкнуться ни винтом, ни колёсами, ничем другим) един для всех типов, изготовленных на Земле, ракетных двигателей. Это – реактивная тяга. Противостоит мощности реактивного двигателя гравитация. Это сражение с законами физики было выиграно советскими учёными в 1957 году. Впервые в истории аппарат, сделанный руками человека, приобретя первую космическую скорость (около 8 км/с), стал искусственным спутником планеты Земля.

Для того чтобы вывести на околоземную орбиту аппарат весом чуть более 80 кг, потребовалось около 170 тонн (именно столько весила ракета Р-7, доставившая спутник на орбиту) железа, электроники, очищенного керосина и жидкого кислорода.

Из всех законов и принципов мироздания гравитация – это, пожалуй, один из основных. Она заправляет всем, начиная с устройства элементарных частиц, атомов, молекул и заканчивая движением галактик. Она же является и препятствием на пути освоения космического пространства.

Не только топливо

Ещё до запуска первого искусственного спутника Земли учёные чётко понимали, что не только увеличение размеров ракет и мощности их двигателей может быть залогом успеха. К поиску таких хитростей исследователей подтолкнули результаты расчётов и практических испытаний, показавших насколько затратны по горючему полёты за пределы земной атмосферы. Первым таким решением для советских конструкторов стал выбор площадки строительства космодрома.

Объяснимся. Чтобы стать искусственным спутником Земли, ракете необходимо разогнаться до 8 км/с. Но и наша планета сама находится в непрерывном движении. Любая точка, расположенная на экваторе, вращается со скоростью более 460 метров в секунду. Таким образом, ракета, вышедшая в безвоздушное пространство в районе нулевой параллели, сама по себе будет иметь бесплатных почти полкилометра в секунду.

Именно поэтому на широких просторах СССР было выбрано место поюжнее (скорость суточного вращения в Байконуре составляет около 280 м/с). Ещё более амбициозный проект, направленный на то, чтобы уменьшить влияние гравитации на ракету-носитель, появился в 1964 году. Им стал первый морской космодром «Сан-Марко», собранный итальянцами из двух буровых платформ и расположенный на экваторе. Позднее этот принцип лёг в основу международного проекта «Морской старт», успешно запускающего коммерческие спутники по сей день.

Кто был первым

А как с дальними космическими миссиями? Пионерами в использовании гравитации космических тел для изменения траектории полёта были учёные из СССР. Обратная сторона нашего естественного спутника, как известно, впервые была сфотографирована советским аппаратом «Луна-1». Важно было, чтобы после облёта Луны аппарат успел вернуться к Земле так, чтобы та была обращена к нему северным полушарием. Ведь информацию (полученные фотоизображения) необходимо было передать людям, а станции слежения, тарелки радиоантенн находились именно в северном полушарии.

Не менее удачно удалось использовать гравитационные маневры для изменения траектории космического аппарата американским учёным. Межпланетному автоматическому кораблю «Маринер 10» после пролёта вблизи Венеры необходимо было уменьшить скорость, для того чтобы перейти на более низкую околосолнечную орбиту и исследовать Меркурий. Вместо того чтобы использовать для этого маневра реактивную тягу двигателей, скорость движения аппарата была замедлена гравитационным полем Венеры.

Как это работает

Согласно закону всемирного тяготения, открытого и подтверждённого экспериментально Исааком Ньютоном, все тела, обладающие массой, притягивают друг друга. Сила этого притяжения легко измеряется и рассчитывается. Она зависит как от массы обоих тел, так и от расстояния между ними. Чем ближе, тем сильнее. Причём с приближением тел друг к другу сила притяжения растёт в геометрической прогрессии.

На рисунке видно, как космические аппараты, пролетая вблизи крупного космического тела (некой планеты), меняют свою траекторию. Причём курс движения аппарата под номером 1, пролетающего дальше всех от массивного объекта, меняется совсем незначительно. Чего не скажешь об аппарате № 6. Планетоид меняет его направление полета кардинально.

Что такое гравитационная праща. Как она действует

Использование гравитационных маневров позволяет не только изменить направление движения космического корабля, но и скорректировать его скорость.

На рисунке изображена траектория космического корабля, обычно используемая для его разгона. Принцип действия такого маневра прост: на выделенном красным цветом участке траектории аппарат как будто догоняет убегающую от него планету. Гораздо более массивное тело силой своего притяжения увлекает меньшее за собой, разгоняя его.

Кстати, таким образом разгоняются не только космические корабли. Известно, что по галактике вовсю разгуливают небесные тела, не привязанные к звёздам. Это могут быть как сравнительно небольшие астероиды (один из которых, кстати, сейчас посещает Солнечную систему), так и планетоиды приличных размеров. Астрономы полагают, что именно гравитационная праща, т. е. воздействие более крупного космического тела, выбрасывает менее массивные объекты за пределы своих систем, обрекая их на вечные скитания в ледяном холоде пустого космоса.

Как снизить скорость

Но, применяя гравитационные маневры космических аппаратов, можно не только ускорять, но и замедлять их движение. Схема такого торможения показана на рисунке.

На выделенном красным цветом участке траектории притяжение планеты, в отличие от варианта с гравитационной пращей, будет затормаживать движение аппарата. Ведь вектор силы притяжения и направление полёта корабля противоположны.

В каких случаях это используется? В основном для выхода автоматических межпланетных станций на орбиты изучаемых планет, а также для изучения околосолнечных областей. Дело в том, что при движении к Солнцу или, например, к ближайшей к светилу планете Меркурию любой аппарат, если не применять мер для торможения, будет волей-неволей разгоняться. Наша звезда обладает невероятной массой и громадной силой притяжения. Набравший чрезмерную скорость космический аппарат не сможет выйти на орбиту Меркурия – самой маленькой планеты солнечного семейства. Корабль просто проскочит мимо, кроха Меркурий не сможет достаточно сильно притянуть его. Для торможения можно использовать двигатели. Но траектория полета к Солнцу с гравитационным маневром, скажем у Луны и затем Венеры, позволит минимизировать использование ракетной тяги. Значит, понадобится меньше топлива, и освободившийся вес можно будет использовать для размещения дополнительной исследовательской аппаратуры.

Попасть в игольное ушко

Если первые гравитационные маневры проводились робко и нерешительно, маршруты последних межпланетных космических миссий практически всегда планируются с гравитационной корректировкой. Всё дело в том, что сейчас астрофизикам, благодаря развитию компьютерной техники, а также наличию точнейших данных о телах Солнечной системы, в первую очередь их массе и плотности, доступны более точные вычисления. А рассчитывать гравитационный маневр необходимо чрезвычайно точно.

Так, прокладка траектории дальше от планеты, чем нужно, чревата тем, что дорогостоящая техника полетит совсем не туда, куда планировалось. А недооценка массы и вовсе может угрожать столкновением корабля с поверхностью.

Чемпион по маневрам

Таким, безусловно, можно считать второй космический аппарат миссии «Вояджер». Запущенный в 1977 году аппарат в настоящее время покидает пределы родной звёздной системы, удаляясь в неизвестность.

За время работы аппарат посетил Сатурн, Юпитер, Уран и Нептун. На него на всём протяжении полета действовало притяжение Солнца, от которого корабль постепенно удалялся. Но, благодаря грамотно рассчитанным гравитационным маневрам, у каждой из планет его скорость не уменьшалась, а росла. У каждой исследованной планеты маршрут был построен по принципу гравитационной пращи. Без применения гравитационной коррекции «Вояджер» не удалось бы отправить так далеко.

Кроме «Вояджеров» гравитационные маневры были использованы при запуске таких всем известных миссий, как «Розетта» или «Новые горизонты». Так, «Розетта», прежде чем отправиться на поиски кометы Чурюмова-Герасименко, совершила аж 4 разгонных гравитационных маневра у Земли и Марса.

fb.ru

Что такое гравитационный маневр и при чем тут «Вояджер»

Космический зонд «Вояджер» Источник: wikimedia.org 

Космический аппарат «Вояджер» — самый далекий от Земли из рукотворных объектов. Он уже 40 лет несется по космосу, давно выполнив свою основную цель, — исследование Юпитера и Сатурна. Фотографии дальних планет Солнечной системы, знаменитая Pale blue dot и «Семейная фотография», золотой диск с информацией о Земле — все это славные страницы истории «Вояджера» и мировой космонавтики. Но сегодня мы не будем петь гимны знаменитому аппарату, а разберем одну из технологий, без которой сорокалетний полет просто не состоялся бы. Встречайте: его величество гравитационный маневр.

 

Гравитационное взаимодействие, наименее изученное из имеющихся четырех, задает тон всей космонавтике. Одна из главных статей расхода при запуске космического аппарата — затраты на те силы, которые нужны, чтобы преодолеть гравитационное поле Земли. И каждый грамм полезной нагрузки на космическом корабле — это лишнее топливо в ракете. Получается парадокс: чтобы больше брать, нужно больше топлива, которое тоже весит. То есть чтобы увеличить массу, нужно увеличить массу. Конечно, это весьма обобщенная картина. В реальности точные расчеты позволяют брать необходимую нагрузку и по мере необходимости увеличивать ее. Но гравитация, как говорил Шелдон Купер, все еще бессердечная, кхм, стерва.

Как это часто бывает, в любом явлении кроется двойственная природа. Так же в отношениях гравитации и космонавтики. Человеку удалось применить гравитационную тягу планет на пользу своим космическим полетам, и за счет этого «Вояджер» бороздит межзвездное пространство уже сорок лет, не затрачивая топлива.

Неизвестно, кому впервые пришла в голову идея гравитационного маневра. Если порассуждать, то можно дойти до первых астрономов Египта и Вавилона, которые звездными южными ночами наблюдали за тем, как кометы изменяют свою траекторию и скорость, проходя мимо планет.

Первая оформленная идея гравитационного маневра прозвучала из уст Фридриха Артуровича Цандера и Юрия Васильевича Кондратюка в 1920-30-х годах, в эпоху теоретической космонавтики. Юрий Васильевич Кондратюк (настоящее имя — Александр Иванович Шаргей) — выдающийся советский инженер и ученый, который, независимо от Циолковского, сам создал схемы ракеты на кислородно-водородном топливе, предложил использовать атмосферу планеты для торможения, разработал проект спускаемого аппарата для посадки на небесное тело, который впоследствии использовало NASA для лунной миссии. Фридрих Цандер — один из тех людей, которые стояли у истоков отечественной космонавтики. Он состоял, а в некоторые годы и председательствовал, в ГИРДе — Группе Изучения Ракетного Движения, сообществе инженеров-энтузиастов, которые строили первые прототипы ракет на жидком топливе. За полное отсутствие какого-либо материального интереса, ГИРД иногда в шутку расшифровывали как Группа Инженеров, Работающих Даром.

Юрий Васильевич Кондратюк
Источник: wikimedia.org

Между высказанными предложениями Кондратюка с Цандером и практической реализацией гравитационного маневра прошло порядка пятидесяти лет. Точно установить первый аппарат, ускорившийся от гравитации, не представляется возможным — американцы утверждают, что это «Маринер-10» в 1974 году. Мы говорим, что это была «Луна-3» в году 1959. Это вопрос истории, но что же из себя представляет гравитационный маневр?

Суть гравитационного маневра

Представьте себе обычную карусель во дворе обычного дома. Затем мысленно раскрутите её до скорости икс километров в час. Потом возьмите в руку резиновый мячик и киньте в раскрученную карусель со скоростью игрек километров в час. Только берегите голову! И что же мы получим в итоге?

Тут важно понимать, что суммарная скорость будет определяться не абсолютно, а относительно точки наблюдения. С карусели, да и с вашей позиции, мячик отскочит от карусели со скоростью х+у — суммарной для карусели и мячика. Таким образом, карусель передает часть своей кинетической энергии (а точнее говоря, импульса) мячику, тем самым ускоряя его. Причем количество убывшей у карусели энергии равно количеству энергии, переданной мячику. Но за счет того, что карусель большая и чугунная, а мячик маленький и каучуковый, мяч летит с большой скоростью в сторону, а карусель лишь немного замедляет ход.

Теперь перенесем ситуацию на космос. Представьте себе обычный Юпитер в обычной Солнечной системе. Затем мысленно раскрутите его… хотя, стоп, этого делать не надо. Просто представьте Юпитер. Мимо него летит космический аппарат и под действием гиганта изменяет свою траекторию и скорость. Это изменение можно описать в виде гиперболы — скорость сначала возрастает по мере приближения, а затем падает по мере отдаления. С точки зрения потенциального жителя Юпитера, наш космический корабль вернулся к исходной скорости, просто изменив направление. Но мы-то знаем, что планеты вращаются вокруг Солнца, да еще с большой скоростью. Юпитер, например, со скоростью 13 км/с. И когда аппарат пролетает мимо, Юпитер ловит его своей гравитацией и увлекает за собой, выкидывая вперед с большей скоростью, чем была до! Это если пролететь сзади планеты относительно направления ее движения вокруг Солнца. Если пролететь перед ней, то скорость, соответственно, упадет.

Гравитационный маневр. Источник: wikimedia.org

Такая схема напоминает собой метание камней из пращи. Поэтому еще одно название маневра — «гравитационная праща». Чем больше скорость планеты и ее масса, тем сильнее можно разогнаться или притормозить об ее гравитационное поле. Есть еще небольшая хитрость — так называемый эффект Орбета.

Названый в честь Германа Орбета, этот эффект в самых общих чертах можно описать так: реактивный двигатель, движущийся на высокой скорости, совершает больше полезной работы, чем такой же, движущийся медленно. То есть двигатель космического аппарата будет максимально эффективен в самой «низкой» точке траектории, где гравитация будет тянуть его сильнее всего. Включенный в этот момент, он получит от сожженного топлива намного больший импульс, чем получил бы вдали от гравитирующих тел.

Сложив все это в единую картину, мы можем получить очень неплохое ускорение. Юпитер, например, при собственной скорости в 13 км/с может в теории разогнать корабль на 42,7 км/с, Сатурн – на 25 км/с, планеты поменьше, Земля и Венера, — на 7-8 км/с. Тут сразу же включается воображение: а что будет, если запустить теоретический несгораемый аппарат к Солнцу и ускориться от него? Действительно, это возможно, так как Солнце вращается вокруг центра масс. Но давайте мыслить шире — что будет, если пролететь мимо нейтронной звезды, как пролетал герой Макконахи мимо Гаргантюа (черная дыра) в «Интерстеллар»? Будет ускорение примерно в 1/3 скорости света. Так что будь у нас в распоряжении подходящий корабль и нейтронная звезда, то такой катапультой можно было бы запустить корабль в район Проксима Центавра всего за 12 лет. Но это пока только буйная фантазия.

Маневры «Вояджера»

Говоря в начале статьи о том, что мы не будем петь гимны «Вояджеру», я слукавил. Самый быстрый и самый далекий аппарат человечества, еще и празднующий 40 лет в этом году, согласитесь, достоин упоминания.

Сама идея отправиться к дальним планетам стала возможной благодаря гравитационным маневрам. Было бы несправедливо не упомянуть тогда еще аспиранта Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) Майкла Миновича, который рассчитал последствия гравитационной пращи и убедил профессоров Лаборатории реактивного движения, что даже на имевшихся в 60-х годах технологиях можно полететь к дальним планетам.

Фотография Юпитера, сделанная “Вояджером”
Источник: wikimedia.org

Расчеты Миновича легли в основу «Маринера-10» и лунной миссии «Аполло», и не видать нам «Вояджера», если бы не одно «но». А «но» это заключалось в параде планет, который, по расчетам еще одного ученого, Гари Флэндро, должен был состояться в конце семидесятых и дать уникальную площадку для разгона предполагаемого космического корабля.

Минович и Флэндро ухватились за идею дальнего полета и, заручившись поддержкой консультанта президента по космической политике Майкла Хантера, представили идею NASA. Не всё понравилось представителям агентства, но с определенными коррективами проект «Вояджер-1» и его страхующий брат-близнец «Вояджер-2» были приняты в разработку. Помимо всего прочего, они должны были доделать работу «Пионеров», которые начали показывать сбои при пролете мимо Юпитера из-за радиационных поясов.

Создание, начинка и назначение «Вояджера» достойны отдельной статьи. Говоря же о гравитационных маневрах, «Вояджеру-2» удалось зацепить сразу четыре планеты-гиганта: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, — что позволило ему стать самым быстрым (16,2 км/с) объектом из тех, что создал человек. Скоростью его собрата – «Вояджера-1» – было решено пожертвовать, чтобы рассмотреть поближе спутник Сатурна Титан.

Гравитационные маневры продолжают быть нашими невольными союзниками в деле дальних космических перелетов. В ближайшее время вряд ли кто-то догонит «Вояджер-2» — даже новейшая станция New Horizons летит медленнее космического старика, которому сыграли на руку особое расположение планет и время. А мы просто поздравим юбиляра.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

sciencepop.ru

Гравитационный манёвр — Википедия

Гравитационный манёвр для ускорения объекта (гравитационная праща) Гравитационный манёвр для замедления объекта

Гравитационный манёвр, реже пертурбационный манёвр, — целенаправленное изменение траектории полёта космического аппарата под действием гравитационных полей небесных тел.

Часто используется для разгона автоматических межпланетных станций, отправляемых к отдалённым объектам Солнечной системы и за её пределы, с целью экономии топлива и сокращения времени полёта. В таком применении известен также под названием «гравитационная праща» (от англ. gravitational slingshot). Может использоваться и для замедления космического аппарата[⇨], а в некоторых случаях наиболее важное значение имеет изменение направления его движения[⇨].

Наиболее эффективны гравитационные манёвры у планет-гигантов, но нередко используются манёвры у Венеры, Земли, Марса и даже Луны.

Физическая суть процесса

Гравитационный манёвр подразумевает сближение совершающего баллистический космический полёт аппарата с достаточно массивным небесным телом (планетой или спутником планеты), обращающимся вокруг того же центра масс (звезды или планеты, соответственно). Например, в окрестностях Земли можно выполнить гравитационный манёвр путём сближения с Луной, а при полётах в пределах Солнечной системы возможны гравитационные манёвры около обращающихся вокруг Солнца планет

[1].

Рассмотрим траекторию космического аппарата, пролетающего вблизи какого-нибудь большого небесного тела, например, Юпитера. В начальном приближении мы можем пренебречь действием на космический аппарат гравитационных сил от других небесных тел.

В системе отсчёта, связанной с Юпитером, космический аппарат разгоняется, проходит точку с минимальным расстоянием до планеты, а потом замедляется. Общая траектория космического аппарата представляет собой гиперболу, причём скорости до и после манёвра совпадают — с точки зрения наблюдателя, находящегося на Юпитере, никакого приращения скорости КА не происходит, только изменение направления его движения.

Теперь посмотрим на ту же ситуацию в системе отсчёта, связанной с Солнцем. В этой системе отсчёта планета движется по орбите (в случае Юпитера со скоростью более 13 км/с), поэтому скорость космического аппарата относительно Солнца может измениться. Юпитер увлекает КА за собой в своём движении по орбите, добавляя ему часть скорости своего орбитального движения. Чем больше масса планеты, тем бо́льшая часть скорости орбитального движения может быть передана КА. Именно поэтому гравитационные манёвры у Юпитера гораздо выгоднее, чем таковые у Марса, хотя скорость орбитального движения Марса почти вдвое выше, чем у Юпитера. Поскольку при этом происходит также и изменение направления движения КА, то модуль вектора приращения скорости может значительно превосходить орбитальную скорость движения планеты.

Максимально возможный модуль вектора приращения скорости, км/с:

МеркурийВенераЗемляЛунаМарсЮпитерСатурнУранНептунПлутон
3,0057,3287,9101,6803,55542,07325,6215,1816,731,09

Таким образом, без затрат топлива можно изменить кинетическую энергию космического аппарата. Фактически, следует говорить о перераспределении кинетической энергии движения планеты и космического аппарата. Насколько возрастает (убывает) кинетическая энергия аппарата, настолько же падает (возрастает) кинетическая энергия движения планеты по её орбите. Поскольку масса искусственного космического аппарата исчезающе мала в сравнении с массой планеты (даже Луны), то изменения параметров орбиты планеты при этом оказываются исчезающе малыми, и ими можно полностью пренебречь. Например, если аппарат массой 1000 кг получает в поле тяготения Луны изменение скорости своего движения на 1 км/с, то скорость движения Луны по орбите вокруг Земли изменится лишь на несколько миллиардных долей ангстрема в секунду (то есть несколько миллиардных долей поперечника атома водорода). Другие тела Солнечной системы на движение Луны влияют на несколько порядков сильнее.

История

Уже сотни лет назад астрономам были известны изменения траекторий и кинетической энергии комет при сближениях их с массивными телами, например, с Юпитером[2]. Идея о целенаправленном использовании притяжения крупных небесных тел для изменения направления и скорости полёта космических аппаратов выдвигалась в XX веке различными авторами, зачастую независимо друг от друга.

В 1938 году один из основоположников космонавтики Ю. В. Кондратюк передал Б. Н. Воробьёву рукопись «Тем кто будет читать, чтобы строить», написанную им, предположительно, в 1918—19 годах[К 1]

. В ней он выдвинул идею об использовании при межпланетном перелёте тяготения спутников этих планет для дополнительного ускорения космического аппарата в начале и замедления его в конце пути. В 1964 году эта работа Кондратюка была впервые опубликована в сборнике «Пионеры ракетной техники» под редакцией Т. М. Мелькумова[4].

Ф. А. Цандер подробно описал принципы изменения направления и скорости космического аппарата при облёте планет и их спутников в статье «Полёты на другие планеты (теория межпланетных путешествий)», датируемой 1924—25 годами и опубликованной в 1961 году[5].

С 1930-х годов гравитационные манёвры стали встречаться в научной фантастике. Одним из примеров является рассказ Лестера дель Рея «Habit», впервые изданный в 1939 году. Герой рассказа выигрывает космическую гонку, использовав притяжение Юпитера для разворота своего корабля без потери скорости.

В 1954 году член Британского межпланетного общества математик Дерек Лауден

[en] отметил, что ряд авторов предлагает уменьшать расход горючего при полётах на другие планеты с помощью притяжения различных тел Солнечной системы, но методы расчёта подобных манёвров недостаточно изучены[2].

В 1956 году на седьмом Международном конгрессе астронавтики итальянский учёный Гаэтано Крокко предложил план беспосадочного пилотируемого полёта по траектории Земля — Марс — Венера — Земля, рассчитанной таким образом, чтобы отклонение космического корабля притяжением Венеры компенсировало отклонение, внесённое притяжением Марса при облёте его на небольшой дистанции. План полёта предусматривал только один разгон космического корабля реактивным двигателем, а время в пути составляло ровно год, что выгодно отличало его от полёта к Марсу по гомановским траекториям. Он получил известность как «Большое путешествие Крокко[it]»[6].

В 1957 году аспирант Отделения прикладной математики Математического института имени В. А. Стеклова АН СССР (ОПМ МИАН) В. А. Егоров опубликовал статью «О некоторых задачах динамики полета к Луне», которая получила мировое признание

[7]. В состав этой работы входило исследование гравитационных манёвров около Луны для разгона или торможения космического аппарата. Выводы Егорова оказались близкими к выводам Цандера[8].

На практике гравитационный манёвр был впервые осуществлён в 1959 году советской космической станцией Луна-3, которая сделала снимки обратной стороны Луны. Изменение орбиты было рассчитано так, чтобы аппарат при возвращении к Земле снова пролетел над Северным полушарием, где были расположены советские наблюдательные станции[9][10]. Расчёт манёвра основывался на исследовании ОПМ МИАН под руководством М. В. Келдыша, в котором использовались расчёты Егорова[11].

В 1961 году вопрос использования гравитационных манёвров в межпланетных полётах начал изучать аспирант Калифорнийского университета в Лос-Анжелесе Майкл Минович, проходивший интернатуру в Лаборатории реактивного движения (JPL) NASA. Для численного решения задачи трёх тел он использовал компьютер IBM 7090 с рекордным на то время быстродействием

[12]. В 1963 году он опубликовал работу «The Determination and Characteristics of Ballistic Interplanetary Trajectories Under the Influence of Multiple Planetary Attractions», в которой рассматривалось использование гравитационных манёвров в межпланетных полётах, в том числе неоднократно в ходе одной миссии[13].

Исследования Миновича не получили немедленного признания коллег по JPL. Его программа и результаты вычислений не были использованы непосредственно, но в 1964 году они послужили поводом для исследования практической возможности полёта к Меркурию с использованием гравитационного манёвра у Венеры[2]. В том же году они привлекли внимание другого интерна JPL, Гэри Флэндро[en], изучавшего возможность использования гравитационных манёвров для экономии горючего и времени при осуществлении полётов автоматических зондов к внешним планетам Солнечной системы. До знакомства с работой Миновича он опирался на труды Гомана и Крокко, а также на изданную в 1962 году книгу Эрике Краффта

[en] «Space Flight», в которую входило описание концепции гравитационных манёвров.

Флэндро приступил к самостоятельным расчётам «реалистичных профилей миссий», которые позволили бы использовать гравитационный манёвр около Юпитера для достижения отдалённых планет при известных значениях полезной нагрузки и гарантированного времени работы космического аппарата. Рассчитывая «окна запуска» он обнаружил, что в начале 1980-х годов будет иметь место возможность облёта Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна одним аппаратом, благодаря редкому (один раз в 176 лет) сближению этих планет на орбитах. Чтобы воспользоваться данной возможностью, космический аппарат должен был стартовать с Земли в конце 1970-х. Флэндро представил результаты своих исследований во внутреннем издании JPL в 1965 году, а в 1966 опубликовал статью «Fast Reconnaissance Missions to the Outer Solar System Utilizing Energy Derived from the Gravitational Field of Jupiter»

[13].

В 1965 году, во время совместной работы со Стэнли Кубриком над фильмом «2001: A Space Odyssey», английский писатель-фантаст Артур Кларк предложил изобразить гравитационный манёвр космического корабля «Дискавери-1» в поле тяготения Юпитера как средство достичь Сатурна. Эта идея не была реализована в кинофильме из-за сложности спецэффектов, необходимых для реалистичного изображения Сатурна, но вошла в одноимённый роман Кларка, изданный в 1968 году[14].

В 1969 году NASA был разработан проект масштабной космической программы по исследованию внешних планет. В основу проекта легли наработки Флэндро, а название «Grand Tour» было позаимствовано у Крокко. Из-за высокой стоимости проект был реализован лишь частично в 1977 году в виде космической программы «Вояджер». Но ещё до запуска «Вояджеров» гравитационный манёвр торможения в поле тяготения Венеры для достижения Меркурия был успешно осуществлён в миссии «Маринер-10», стартовавшей в 1973 году

[13].

В дальнейшем гравитационные манёвры широко использовались в межпланетных миссиях различных космических агентств.

Эффект Оберта

Под гравитационным манёвром иногда понимается комбинированный способ ускорения космических аппаратов с использованием «эффекта Оберта». Суть данного способа заключается в том, что при выполнении гравитационного манёвра аппарат включает двигатель в окрестностях перицентра огибающей планету траектории, чтобы с максимальной эффективностью использовать энергию топлива для повышения кинетической энергии аппарата.

Примеры использования

Траектория «Луны-3» и гравитационный манёвр

Гравитационный манёвр впервые был успешно осуществлён в 1959 году автоматической межпланетной станцией (АМС) Луна-3. С тех пор гравитационные манёвры широко используются в межпланетных полётах. Например, в 1974 году гравитационный манёвр использовала АМС Маринер-10 — было произведено сближение с Венерой, после которого аппарат направился к Меркурию.

Межпланетная траектория зонда «Кассини»

АМС Вояджер-1 и Вояджер-2 использовали гравитационные манёвры у Юпитера и Сатурна, благодаря чему приобрели рекордные скорости отлёта из Солнечной системы. Запущенная в 2006 году АМС Новые горизонты проигрывает им в скорости отлёта, несмотря на более высокую стартовую скорость[15].

Сложную комбинацию гравитационных манёвров использовали АМС Кассини (для разгона аппарат использовал гравитационное поле трёх планет — Венеры (дважды), Земли и Юпитера) и Розетта (четыре гравитационных манёвра около Земли и Марса).

См. также

Комментарии

  1. ↑ В 1938 году Кондратюк датировал рукопись 1918—19 годами, хотя было очевидно, что в неё вносились изменения в разное время[3].

Примечания

  1. ↑ Левантовский, 1980, с. 230, 325.
  2. ↑ 1 2 3 Tony Reichhardt. Gravity’s overdrive (англ.) // Air & Space Smithsonian : журнал. — 1994. — Февраль/март (vol. 8). — P. 72-78. — ISSN 0886-2257.
  3. ↑ NASA TT F-9285, 1965, p. 49.
  4. ↑ Мелькумов, 1964.
  5. ↑ Цандер, 1961, с. 285, 333—348.
  6. ↑ Luisa Spairani. The Gaetano A. Crocco’s grand tour goes on (англ.). Tecnologie di Frontiera (30 October 2016). Проверено 16 августа 2018.
  7. ↑ Ивашкин, 2010, с. 74.
  8. ↑ Цандер, 1961, с. 19.
  9. ↑ Детская энциклопедия, 1965.
  10. ↑ Энеев и Аким, 2007.
  11. ↑ Ивашкин, 2010, с. 87—97.
  12. ↑ Christopher Riley and Dallas Campbell. The maths that made Voyager possible (англ.), BBC News (23 October 2012). Проверено 16 августа 2018.
  13. ↑ 1 2 3 Stephen J. Pyne. The Grand Tour conceived // Voyager: Exploration, Space, and the Third Great Age of Discovery. — Penguin, 2010. — 343 с. — ISBN 978-1-101-19029-6.
  14. ↑ Stephanie Schwam. The Making of 2001: A Space Odyssey. — Random House Publishing Group, 2010-07-21. — 415 с. — ISBN 9780307757609.
  15. ↑ Scharf, Caleb A. The Fastest Spacecraft Ever? (англ.), Scientific American Blog Network (25 February 2013). Проверено 30 декабря 2017.
  16. ↑ Michael Martin Nieto, John D. Anderson Earth Flyby Anomalies // arxiv.org, 7 Oct 2009

Источники

Литература

  • Boris V. Rauschenbakh. Essential Spaceflight Dynamics and Magnetospherics : [англ.] / Boris V. Rauschenbakh, Michael Yu. Ovchinnikov, Susan M. P. McKenna-Lawlor. — Dordrecht, Netherlands : Kluwer Academic Publishers, 2002. — P. 146—147. — 397 p. — (Space Technology Library ; vol. 15). — ISBN 9781402010637.
  • Первые искусственные небесные тела // Детская энциклопедия. — Второе издание. — Педагогика, 1965. — Т. 2 : Мир небесных тел. Числа и фигуры.
  • Тем кто будет читать, чтобы строить / Кондратюк, Ю. В. // Пионеры ракетной техники : соч. 1918—1919 / под редакцией Мелькумова, Т. М., Институт истории естествознания и техники АН СССР. — М. : Наука, 1964.
  • Pionery raketnoǐ tekhniki : [англ.] = Пионеры ракетной техники : [пер. с рус.] / Editor-in-chief: Melʹkumov, T. M.. — Washington, D. C., USA : National Aeronautics and Space Administration, 1965. — (NASA technical translation ; vol. F-9285).
  • Цандер, Фридрих Артурович. Проблема полёта при помощи ракетных аппаратов : Межпланетные полёты : соч. 1925 года / ред. Л. К. Корнеев. — 2-я редакция. — М. : Оборонгиз, 1961. — 459 с.
  • T͡Sander, F. A. Section 7 : Flight Around a Planet’s Satellite for Accelerating or Decelerating Spaceship // Problems of flight by jet propulsion. : Interplanetary flights : [англ.] = Проблема полёта при помощи ракетных аппаратов. Межпланетные полёты : [пер. с рус.] / L. K. Korneev, editor. — 2d ed., enl. — Washington, D. C., USA : National Aeronautics and Space Administration, 1964. — (NASA technical translation ; vol. F-147).
  • Ивашкин В. В. Лунные траектории космических аппаратов: пионерские работы в Институте прикладной математики и их развитие // Прикладная небесная механика и управление движением : сборник / Э. Л. Аким (гл. ред.). — М.: Институт прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН, 2010. — С. 73—106. — ISBN 978-5-98354-007-1.
  • Левантовский В. И. Механика космического полета в элементарном изложении. — 3-е, доп. и перераб.. — М.: Наука, 1980. — 512 с.

Ссылки

wikipedia.green

Загадки гравитации, или Как космические корабли преодолевают огромные расстояния во Вселенной


Алена Лепилина

Оказывается, люди уже научились совершать межзвездные перелеты на гигантские расстояния. Раньше считалось, что использовать гравитацию для скачков в пространстве могут только сверхразвитие цивилизации, ведь топливо всегда ограничено — невозможно взять с собой столько, сколько захочется. Однако наука шагнула далеко вперед. Не все знают о том, что свершилась настоящая космическая революция.

Этот принцип, перелеты при помощи гравитации, продемонстрирован в нашумевшем фильме «Интерстеллар». Подробнее об этом удивительном явлении рассказывает Кип Торн, физик-теоретик, консультант фильма (именно он придумывал все, что имеет отношение к науке) и автор книги «Интерстеллар. Наука за кадром».

Вид с корабля, совершающего гравитационную пращу

Хоть режиссер Кристофер Нолан и решил не показывать гравитационные пращи (маневры, о которых мы расскажем ниже) в «Интерстеллар», Кипу Торну было интересно, как бы их увидел Купер, главный герой, пилотируя «Рейнджер» к планете Миллер. Поэтому он, используя свои уравнения, смоделировал изображения для камеры, которая вела бы запись с «Рейнджера», совершающего маневр вокруг черной дыры перед посадкой на планету Миллер.

Гравитационная праща вокруг дыры средней массы. Модель Кипа Торна, — иллюстрация из книги.

Средняя черная дыра захватывает лучи света, идущие от далеких звезд в направлении Гаргантюа, разворачивает их вокруг себя и выбрасывает в сторону камеры. Отсюда кольцо звездного света, которое окружает тень дыры средней массы. Хоть эта дыра и в тысячу раз меньше Гаргантюа, она находится гораздо ближе к «Рейнджеру» и потому не выглядит маленькой.

Жаль, но увидеть такое можно, лишь находясь поблизости от обеих черных дыр, а не с огромного удаления, на котором находится Земля.

Гравитационные пращи

Те, кто смотрел фильм «Интерстеллар», знают: космолет «Эндюранс» ожидал возвращения экипажа с планеты Миллер — той, где один час равен 7 земным годам. Чтобы космолет не затянуло в черную дыру Гаргантюа, он должен вращаться на ее орбите с огромной скоростью. Экипаж, отправляюсь с «Эндюранс» на модуле «Рейнджер», должен был сильно снизить скорость на 100 000 км/сек, чтобы гравитацией его потянуло к дыре — и планете Миллер. И чтобы он мог сблизиться с планетой, их скорости должны сравняться. Но как можно добиться таких резких изменений скорости?

Полет «Рейнджера» к планете Миллер, — иллюстрация из книги.

Самые мощные из ракет, созданных на сегодняшний день людьми, способны развить скорость лишь до 15 километров в секунду, то есть в семь тысяч раз меньше, чем нужно. Возможно, самый быстрый космический корабль, который люди смогут построить в XXI веке, будет развивать скорость до 300 километров в секунду. Но этого все равно мало.

К счастью, природа все же дарит нам возможность совершать огромные скачки скоростей: гравитационные пращи вблизи черных дыр гораздо меньших размеров, чем Гаргантюа.

Полет через гравитационную пращу

Звезды и небольшие черные дыры собираются вокруг гигантских черных дыр вроде Гаргантюа. Купер и его команда разузнали обо всех небольших черных дырах, вращающихся вокруг Гаргантюа. Они нашли среди них дыру, положение которой подходит, чтобы ее гравитация отклонила «Рейнджер» от его почти круговой орбиты и направила его к планете Миллер. Такой маневр называется «гравитационной пращой», и NASA успела не раз применить его в Солнечной системе; правда, использовалась не черная дыра, а планетарная гравитация.

Слева: галактика Андромеды, в ядре которой скрывается черная дыра размером с Гаргантюа. Справа: динамическое трение, благодаря которому дыра средней массы замедляется и притягивается к гигантской черной дыре, — иллюстрация из книги.

Считается, что порой дыры средней массы возникают в центре плотных скоплений звезд. Возьмем для примера галактику Андромеды, ближайшую к нашей крупную галактику, в ядре которой скрывается черная дыра размером с Гаргантюа, массой в 100 миллионов Солнц. К таким гигантским черным дырам стягивается огромное количество звезд. Когда дыра средней массы проходит через столь насыщенную область, она силой своей гравитации смещает звезды, оставляя за собой след повышенной звездной плотности. А след, в свою очередь, притягивает дыру средней массы, замедляя ее движение, — и ее затягивает ближе к гигантской черной дыре.

Этот маневр, гравитационная праща, не показан и не обсуждается в «Интерстеллар», но позже Купер говорит: «Смотри, я могу обогнуть эту нейтронную звезду, чтобы притормозить».

Гравитационные маневры NASA в Солнечной системе

Вернемся из мира вероятностей (то есть всего, что допускают законы физики) к реальным, без изысков, гравитационным пращам в уютных пределах нашей Солнечной системы (по состоянию на 2014 год). Возможно, вы слышали о космолете NASA «Кассини». Он был запущен с Земли 15 октября 1997 года и мог взять на борт слишком мало топлива, чтобы достичь своей цели — планеты Сатурн. С проблемой нехватки горючего удалось справиться за счет гравитационных пращей: праща вокруг Венеры, вокруг Земли и вокруг Юпитера.

Траектория полета «Кассини» от Земли до Сатурна, — иллюстрация из книги

Эти планеты не отклоняли траекторию космолета резко — у них слишком маленькая гравитация, а помогали ему скомпенсировать недостаток топлива. В каждом из случаев «Кассини» огибал отклоняющие его планеты под таким углом, чтобы планетарная гравитация оптимальным образом толкала «Кассини» вперед, увеличивая его скорость.

«Кассини» исследовал Сатурн и его спутники в течение последних 10 лет, отправляя на Землю потрясающие фотографии и данные — сущий клад для ученых.

Если вам интересно, как наука и фильм невероятным образом сплелись в одно целое, смело беритесь за «Интерстеллар. Наука за кадром». Это непередаваемое интеллектуальное удовольствие!

blog.mann-ivanov-ferber.ru

Terra Almost Incognita: Глава 7. Гравитационные Пращи

Гравитационные Пращи

(И)

Управлять космическим кораблем вблизи Гаргантюа непросто, поскольку скорости очень высоки. Чтобы уцелеть, планете, звезде или космическому кораблю надо противопоставить огромной гравитации Гаргантюа сопоставимо огромную центробежную силу. Значит, надо двигаться с очень высокой скоростью. С почти световой скоростью, как выясняется. В моем научном толковании Интерстеллара Эндуранс, припаркованная в десяти радиусах Гаргантюа, пока экипаж спускается на планету Миллера, движется с одной третьей скорости света: с/3, где с выражает скорость света. Планета Миллера движется с 55 процентами скорости света, 0,55с.

Чтобы добраться до планеты Миллера с парковочной орбиты, в моем толковании (рисунок 7.1), Рэйнжер должен замедлить орбитальную скорость с с/3 до гораздо меньшего значения, чтобы гравитация Гаргантюа могла затянуть его вниз. А достигнув окрестностей планеты Миллера, Рэйнжер должен повернуть с нисходящей траектории на орбитальную. И поскольку, падая, он слишком разогнался, то ему нужно замедлиться примерно на с/4 до скорости планеты Миллера в 0,55с, чтобы состыковаться с ней.

Рис. 7.1. Рейс Рэйнжера на планету Миллера, в моем толковании Интерстеллара.

Каким же способом Купер, пилот Рэйнжера, может добиться таких огромных перепадов скорости?

Технологии Двадцать Первого Века

Требуемые перепады скорости, грубо с/3, составляют 100 000 километров в секунду (в секунду, а не в час!).

Сопоставим: на сегодняшний день самые мощные реактивные двигатели человечества развивают скорость 15 километров в секунду, медленнее необходимого в семь тысяч раз. В Интерстелларе Эндуранс добирается до Сатурна за два года со средней скоростью 20 километров в секунду, в пять тысяч раз медленнее необходимого. Самая большая скорость, которую смогут развить человеческие космические корабли в двадцать первом веке, думаю, составит 300 километров в секунду. Это потребует серьезных усилий в НИОКР (научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработках) ядерных ракет, но это по-прежнему в 300 раз медленнее, чем нужно для Интерстеллара. К счастью, Природа предоставляет возможность добиться огромных перепадов скорости — необходимых в Интерстелларе с/3 — с помощью гравитационных пращей вокруг черных дыр, намного меньших Гаргантюа.

Курс к Планете Миллера Через Пращи

Звезды и маленькие черные дыры скапливаются вокруг гигантских черных дыр вроде Гаргантюа (подробнее об этом в следующем разделе). В своем научном толковании фильма я воображаю, как Купер со своей командой извлекает пользу из всех маленьких черных дыр на орбите Гаргантюа. Одну из них они находят в подходящем месте, чтобы гравитационно преломить траекторию Рэйнжера с почти круговой орбиты и заставить его нырнуть к планете Миллера (рисунок 7.2). Такой маневр, осуществляемый с помощью гравитации, называется “гравитационной пращой”, и им часто пользуется НАСА в Солнечной системе — хотя в этом случае гравитация исходит от планет, а не от черных дыр (см. конец этой главы).

Этот маневр-праща не показывается и не обсуждается в Интерстелларе, но Купер упоминает следующий: “Смотри, я могу прокачнуться вокруг той нейтронной звезды, чтобы сбросить скорость,” говорит он. Сброс скорости необходим, так как, падая под действием громадного тяготения Гаргантюа с орбиты Эндуранс до орбиты Миллера, Рэйнжер слишком переразогнался; он движется на с/4 быстрее планеты Миллера. На рисунке 7.3 нейтронная звезда, движущаяся влево по отношению к планете Миллера, преломляет и замедляет движение Рэйнжера, чтобы он мог мягко состыковаться с планетой.

Рис. 7.2. Рэйнжер совершает маневр-пращу вокруг маленькой черной дыры, которая преломляет его траекторию вниз, к планете Миллера.

Рис. 7.3. Праща вокруг нейтронной звезды позволяет посадочному аппарату состыковаться с планетой Миллера.

Теперь, у этих пращей есть очень неприятная особенность. На самом деле, смертельная: это приливные силы (Глава 4).

Чтобы обеспечить такие перепады скорости, как с/3 или с/4, Рэйнжеру придется пройти достаточно близко к маленькой черной дыре и нейтронной звезде и ощутить их мощную гравитацию. На столь коротких расстояниях, если преломляющее тело — нейтронная звезда или черная дыра с радиусом менее 10 000 километров, то Рэйнжер вместе с экипажем разорвет в клочья приливными силами (Глава 4). Чтобы Рэйнжер и экипаж уцелели, преломляющее тело должно быть черной дырой величиной по крайней мере 10 000 километров (порядка размера Земли).

Теперь, черные дыры такого размера таки встречаются в Природе. Они называются черными дырами средней массы (англ. intermediate-mass black holes), или ЧДСМ, но несмотря на крупный размер, по сравнению с Гаргантюа они крошечные: в десять тысяч раз меньше ее.

Так что для замедления Рэйнжера Кристоферу Нолану следовало использовать ЧДСМ размером с Землю, а не нейтронную звезду. Я обсуждал это с Крисом, когда он начинал переписывать сценарий Джоны. После этого обсуждения Крис все же выбрал нейтронную звезду. Почему? Потому что он не хотел смущать зрителя двумя черными дырами в фильме. Одна черная дыра, одна кротовая нора и одна нейтронная звезда, и все это надо уместить в динамичном двухчасовом фильме вместе с прочей обильной наукой Интерстеллара; Крис считал, что больше ему не вытянуть. Выяснив, что для кораблевождения рядом с Гаргантюа необходимы мощные гравитационные пращи, Крис включил одну в реплику Купера, заплатив за это использованием неправдоподобного с точки зрения науки преломляющего тела — нейтронный звезды вместо черной дыры.

Черные Дыры Средней Массы в Ядрах Галактик

10 000-километровая черная дыра весит около 10 000 солнечных масс. Это в десять тысяч раз меньше Гаргантюа, но в тысячу раз больше обыкновенных черных дыр. Именно такие преломляющие тела нужны Куперу.

Считается, что некоторые ЧДСМ образуются в сердце плотных скоплений звезд — шаровых скоплений, — и некоторые из них, вероятно, способны добраться до ядер галактик, где обитают гигантские черные дыры.

В качестве примера может выступать Андромеда — ближайшая к нашей крупная галактика (рисунок 7.4), — в ядре которой таится черная дыра размером с Гаргантюа — в 100 миллионов солнечных масс. Огромное количество звезд затягивается в окрестности столь гигантских черных дыр; до тысячи звезд на кубический световой год. Проходя через столь плотную область, ЧДСМ гравитационно преломляет траектории звезд, образуя за собой спутную струю повышенной плотности (рисунок 7.4). Эта спутная струя гравитационно притягивает ЧДСМ, замедляя ее движение, этот процесс называется “динамическое трение”. По мере очень постепенного замедления ЧДСМ, она тонет вглубь окрестностей гигантской черной дыры. Так Природа могла бы обеспечить Купера, в моем научном толковании Интерстеллара, необходимыми для пращей ЧДСМ.[19]

Рис. 7.4. Слева: Галактика Андромеда, приютившая черную дыру размером с Гаргантюа. Справа: Динамическое трение, из-за которого ЧДСМ постепенно замедляется и тонет вглубь окрестностей гигантской черной дыры.

Орбитальная Навигация Сверхразвитых Цивилизаций: Отступление

С большой точностью, орбиты всех планет и комет в нашей Солнечной системе — эллипсы (рисунок 7.5). Это гарантируют и обеспечивают законы гравитации Ньютона. В противоположность этому, вокруг гигантской вращающейся черной дыры вроде Гаргантюа, где балом правят законы теории относительности Эйнштейна, орбиты куда сложнее. Пример изображен на рисунке 7.6. На этой орбите каждый оборот вокруг Гаргантюа занял бы от нескольких часов до нескольких дней, так что весь узор рисунка 7.6 намотался бы примерно за год. Через несколько лет орбита добралась бы до практически любого пункта назначения, какое только можно пожелать, хотя скорость прибытия может оказаться не той. Для изменения скорости и состыковки может потребоваться праща.

Рис. 7.5. Орбиты планет, Плутона и кометы Галлея в Солнечной системе. Все они — эллипсы.

Рис. 7.6. Единственная орбита космического корабля, планеты или звезды вокруг гигантской, быстро вращающейся черной дыры вроде Гаргантюа. [Смоделировано Стивом Драско.]

Я позволю вам самим вообразить, как сверхразвитая цивилизация могла бы использовать подобные сложные орбиты. В своих научных толкованиях фильма, для простоты я, в основном, избегаю их и сосредотачиваюсь, главным образом, на круговых экваториальных орбитах (орбита припаркованной Эндуранс, орбита планеты Миллера и критическая орбита) и на простых траекториях, по которым Эндуранс перемещается между круговыми экваториальными орбитами. Исключение моставляет орбита планеты Манна, которую я обсуждаю в Главе 19.

Гравитационные Пращи НАСА в Солнечной Системе

Давайте вернемся из мира возможного (допускаемого законами физики) к практичным, настоящим гравитационным пращам в уютных границах нашей Солнечной системы (то, чего человечество по-настоящему достигло на 2014 год).

Вам может быть знаком космический аппарат НАСА Кассини (рисунок 7.7). Его запустили с Земли 15 октября 1997 года с недостаточным для достижения цели — Сатурна — количеством топлива. С этой нехваткой справились с помощью пращей: вокруг Венеры 26 апреля 1998 года; вторая праща вокруг Венеры 24 июля 1999 года; вокруг Земли 18 августа 1999 года; и вокруг Юпитера 30 декабря 2000 года. По прибытии на Сатурн 1 июля 2004 года Кассини сбросил скорость с помощью пращи вокруг ближайшего спутника Сатурна, Ио.

Рис. 7.7. Траектория Кассини от Земли до Сатурна.

Ни одна из этих пращей не похожа на то, что я описал выше. Вместо сильного преломления траектории космического аппарата, Венера, Земля, Юпитер и Ио преломляли ее лишь слегка. Почему?

Гравитащия преломляющих тел была слишком слаба для сильного преломления. В случаях Венеры, Земли и Ио преломление неизбежно было бы малым, потому что их гравитация от природы слаба. У Юпитера куда более сильная гравитация, но сильное преломление отправило бы Кассини не в том направлении; чтобы добраться до Сатурна, требовалось малое преломление.

Несмотря на малые преломления, Кассини получил существенные ускорения в результате этих пролетов, достаточные, чтобы возместить нехватку топлива. Во время каждого пролета (кроме Ио) Кассини проходил за преломлящей планетой под некоторым углом, так что гравитация планеты наилучшим образом выталкивала Кассини вперед, ускоряя его. В Интерстелларе Эндуранс совершает похожую пращу вокруг Марса.

Кассини исследовал Сатурн и его спутники в течение последнего десятилетия, присылая удивительные изображения и информацию — кладезь красоты и науки. Взглянуть можно здесь: http://www.nasa.gov/mission_pages/cassini/main/.

В противоположность слабым пращам в Солнечной системе, мощная гравитащия Гаргантюа может захватить даже то, что движется со сверхвысокой скоростью, и швырнуть его по сильно изогнутой праще. Даже луч света. Так появляется гравитационная линза — ключ к тому, как мы видим Гаргантюа.


19. Вероятность найти ЧДСМ в нужном месте в нужное время мала, но поскольку это не выходит за ограничения физических законов, мы можем их использовать, в духе научной фантастики.

— Предыдущая Глава — Содержание — Следующая Глава —

teralinc.blogspot.com

Что такое гравитационный маневр? — Mydiscoveries.ru

  • История
    • Быт и жизненный уклад
    • Войны
    • Изобретения
    • Личности
    • События
  • Мифы
  • Моя планета
    • Общество, культура, традиции
    • Удивительные места
    • Флора и фауна
    • Явления
  • Наука
    • Археология
    • Естественные науки
    • Космос
    • Технологии
  • Рекорды
  • В мире
    • Животные
    • Люди
    • Новости
    • Открытия

Поиск

Интересные статьи, новости, факты — MyDiscoveries.ru
  • История
    • ВсеБыт и жизненный укладВойныИзобретенияЛичностиСобытия

      Энн Ходжес — единственный известный человек, пострадавший от прямого попадания метеорита

      Клара — самый знаменитый носорог 18 века

      Модная римская обувь возрастом 2000 лет

      Откуда в русском языке появился мат?

  • Мифы

    • Правда, что если хрустеть суставами, можно заработать артрит?

      Правда, что мухомор убивает мух?

      Правда ли, что носороги топчут огонь?

      «Правило пяти секунд» — правда или вымысел?

      Правда ли, что акулам не нравится вкус человека?

  • Моя планета
    • ВсеОбщество, культура, традицииУдивительные местаФлора и фаунаЯвления

      Как насекомые видят в темноте?

      Изначально морковь была фиолетового цвета

      Раньше на планете обитали пингвины-гиганты

      Парижский синдром — когда город влюбленных не оправдывает ожиданий

  • Наука

mydiscoveries.ru

Гравитационный эффект рогатки | Мир Знаний

Существует определенный лимит в объеме топлива, который космический аппарат может нести на борту для того, чтобы получить ускорение и удалиться от Земли. После того как оно израсходовано, аппарату нужно продолжать свой путь по инерции до достижения пункта назначения.

ЗАПАС ТОПЛИВА

Еще более проблематичной считается ситуация, когда космическому аппарату приходится замедляться и выходить на орбиту, поскольку ему требуется значительный объем топлива, хотя эту проблему часто помогает решить аэроторможение.

Еще с конца 1950-х годов космические аппараты часто использовали такой трюк: эксплуатируя законы физики, они даром получали толчок к увеличению скорости без нужды сжигать топливо. Этот метод, который ученые называют гравитационным маневром, в популярной литературе известен как рогатка.

ИМПУЛЬС ВЗАЙМЫ

Принцип гравитационного маневра очень прост. Космический аппарат приближается к планете, затем огибает ее и начинает двигаться в противоположном направлении. При максимальном приближении к планете аппарат находится на ее орбите.

Когда аппарат сходит с нее, ему приходится двигаться значительно быстрее, увеличивая скорость почти вдвое. Кто-то может посчитать, что это ускорение появляется под действием силы притяжения планеты. Но если бы это было так, то аппарат снова замедлился бы на тот же показатель скорости, как только отлетел бы от планеты.

По существу, прирост скорости у космического аппарата происходит за счет кинетического момента планеты. В результате этого орбита планеты замедляется, правда, на ничтожный показатель. Этот дополнительный импульс меняет и скорость, и направление движения аппарата. В результате наблюдаемый эффект гораздо больший, если говорить о реальной скорости.

РОГАТКИ В ДЕЙСТВИИ

Впервые гравитационный маневр применили для замедления, а не повышения скорости аппарата. Было это со станцией «Маринер-10», которой в начале 1970-х годов нужно было помочь долететь до Меркурия.

Хотя эта планета вращается быстрее на своей орбите, чем Земля, приходится учитывать мощную гравитацию Солнца, которое требовало, чтобы «Маринер» терял скорость и менял направление для выхода на орбиту, пересекающую орбиту Меркурия.

Гораздо больше гравитационные маневры прославил аппарат «Вояджер», которому нужно было пройти между двумя планетами-гигантами. «Вояджер-2» воспользовался редким парадом планет для завершения высокоскоростного гран-тура по всем четырем газовым гигантам.

Сегодня гравитационный маневр — стандартный инструмент в наборе конструктора любой космической экспедиции. Иногда с его помощью ускоряют летательный аппарат до экстремальных скоростей, как это случилось со станцией «Новые горизонты», которая летит к поясу Койпера и в 2007 году успешно обогнула Юпитер.

Оставить эмоцию

Нравится Тронуло Ха-Ха Ого Печаль Злюсь