Romfartøysflyvninger innebærer et enormt energiforbruk. For eksempel veier bæreraketten Soyuz, stående på utskytningsrampen og klar til å lanseres, 307 tonn, hvorav mer enn 270 tonn er drivstoff, det vil si brorparten. Behovet for å bruke vanvittig mye energi på bevegelse i det ytre rom er i stor grad knyttet til vanskelighetene med å mestre de fjerne delene av solsystemet.
Dessverre er det ikke ventet et teknisk gjennombrudd i denne retningen ennå. Massen av drivmiddel er fortsatt en av nøkkelfaktorene i planlegging av romoppdrag, og ingeniører benytter enhver anledning til å spare drivstoff for å forlenge driften av enheten. Tyngdekraftsmanøvrer er én måte å spare penger på.
Hvordan fly i verdensrommet og hva er tyngdekraften
Prinsippet for å flytte enheten i et vakuum (et miljø som det er umulig å skyve fra verken med en propell, eller hjul eller noe annet) er det samme for alle typer rakettmotorer laget på jorden. Dette er jet thrust. Tyngdekraften motsetter seg kraften til en jetmotor. Denne kampen mot fysikkens lover er vunnetSovjetiske forskere i 1957. For første gang i historien ble et apparat laget av menneskehender, etter å ha oppnådd den første kosmiske hastigheten (ca. 8 km/s), en kunstig satellitt for planeten Jorden.
Det tok omtrent 170 tonn jern, elektronikk, renset parafin og flytende oksygen for å skyte ut en enhet som veier litt over 80 kg i lav jordbane.
Av alle universets lover og prinsipper er tyngdekraften kanskje en av de viktigste. Det styrer alt, starter med arrangementet av elementære partikler, atomer, molekyler og slutter med bevegelsen av galakser. Det er også et hinder for romutforskning.
Ikke bare drivstoff
Selv før oppskytingen av den første kunstige jordsatellitten, forsto forskerne tydelig at ikke bare å øke størrelsen på raketter og kraften til motorene deres kan være nøkkelen til suksess. Forskerne ble bedt om å søke etter slike triks av resultatene av beregninger og praktiske tester, som viste hvor drivstoffkrevende flyreiser utenfor jordens atmosfære er. Den første slike beslutningen for sovjetiske designere var valget av stedet for byggingen av kosmodromen.
La oss forklare. For å bli en kunstig jordsatellit, må raketten akselerere til 8 km/s. Men selve planeten vår er i konstant bevegelse. Ethvert punkt på ekvator roterer med en hastighet på mer enn 460 meter per sekund. Dermed vil en rakett som sendes inn i luftløst rom i området av nullparallellen i seg selv være detha ledig nesten en halv kilometer per sekund.
Derfor ble det valgt et sted i sør i de vide vidder av USSR (hastigheten på daglig rotasjon i Baikonur er omtrent 280 m/s). Et enda mer ambisiøst prosjekt med sikte på å redusere effekten av tyngdekraften på bæreraketten dukket opp i 1964. Det var den første marine kosmodromen "San Marco", satt sammen av italienerne fra to boreplattformer og plassert på ekvator. Senere dannet dette prinsippet grunnlaget for det internasjonale Sea Launch-prosjektet, som med suksess lanserer kommersielle satellitter den dag i dag.
Hvem var den første
Hva med romfart? Forskere fra Sovjetunionen var pionerer i å bruke tyngdekraften til kosmiske kropper for å endre flyveien. Baksiden av vår naturlige satellitt ble, som du vet, først fotografert av det sovjetiske Luna-1-apparatet. Det var viktig at enheten etter å ha flydd rundt månen hadde tid til å returnere til jorden slik at den ville bli vendt mot den av den nordlige halvkule. Tross alt måtte informasjonen (de mottatte fotografiske bildene) overføres til folk, og sporingsstasjonene, radioantenneskålene var plassert nøyaktig på den nordlige halvkule.
Ikke mindre vellykket klarte å bruke gravitasjonsmanøvrer for å endre banen til romfartøyet av amerikanske forskere. Det interplanetariske automatiske romfartøyet "Mariner 10" måtte etter en forbiflyvning nær Venus redusere hastigheten for å gå inn i en lavere kretsløpsbane ogutforske Merkur. I stedet for å bruke jetskyvekraften til motorene for denne manøveren, ble hastigheten på kjøretøyet bremset ned av gravitasjonsfeltet til Venus.
Slik fungerer det
I henhold til loven om universell gravitasjon, oppdaget og bekreftet eksperimentelt av Isaac Newton, tiltrekker alle kropper med masse hverandre. Styrken til denne attraksjonen er lett å måle og beregne. Det avhenger både av massen til begge legemer og avstanden mellom dem. Jo nærmere, jo sterkere. Dessuten, når kropper nærmer seg hverandre, vokser tiltrekningskraften eksponentielt.
Figuren viser hvordan romfartøy, som flyr nær en stor kosmisk kropp (en eller annen planet), endrer banen. Dessuten endres bevegelsesforløpet til enheten under nummer 1, som flyr lengst fra det massive objektet, veldig lite. Hva kan ikke sies om enhet nummer 6. Planetoiden endrer flyretningen dramatisk.
Hva er en gravitasjonsslynge. Slik fungerer det
Bruk av tyngdekraftsmanøvrer gjør det ikke bare mulig å endre retningen på romfartøyet, men også å justere hastigheten.
Figuren viser banen til et romfartøy, vanligvis brukt til å akselerere det. Prinsippet for driften av en slik manøver er enkelt: i den delen av banen som er markert med rødt, ser det ut til at enheten tar igjen planeten som løper bort fra den. En mye mer massiv kropp trekker en mindre kropp med sin tyngdekraft, og sprer den.
Forresten, ikke bare romskip akselereres på denne måten. Det er kjent at himmellegemer som ikke er bundet til stjernene, streifer rundt i galaksen med makt og hoved. Dette kan både være relativt små asteroider (hvorav en forresten nå besøker solsystemet), og planetoider av anstendig størrelse. Astronomer tror at det er gravitasjonsslyngen, det vil si virkningen av et større kosmisk legeme, som kaster mindre massive objekter ut av systemene deres, og dømmer dem til evige vandringer i det iskalde rommet i det tomme rommet.
Hvordan senke farten
Men ved å bruke gravitasjonsmanøvrene til romfartøyer kan du ikke bare akselerere, men også bremse bevegelsen deres. Oppsettet for slik bremsing er vist i figuren.
På den delen av banen som er markert med rødt, vil tiltrekningen til planeten, i motsetning til varianten med en gravitasjonsslynge, bremse bevegelsen til enheten. Tross alt er tyngdekraften og skipets flyretning motsatte.
Når brukes den? Hovedsakelig for å lansere automatiske interplanetære stasjoner inn i banene til de studerte planetene, samt for å studere nær-solar-områder. Faktum er at når du beveger deg mot solen eller for eksempel mot planeten Merkur nærmest stjernen, vil enhver enhet, hvis du ikke bruker tiltak for bremsing, akselerere med vilje. Stjernen vår har en utrolig masse og en enorm tiltrekningskraft. Et romfartøy som har fått for høy hastighet vil ikke kunne gå inn i banen til Merkur, den minste planeten i solfamilien. Skipet vil bare slippe gjennomved, lille Mercury kan ikke trekke det hardt nok. Motorer kan brukes til bremsing. Men en gravitasjonsbane til solen, si ved Månen og deretter Venus, ville minimere bruken av rakettfremdrift. Dette betyr at mindre drivstoff vil være nødvendig, og den frigjorte vekten kan brukes til å romme ytterligere forskningsutstyr.
Kom i øyet på et nål
Mens tidlige gravitasjonsmanøvrer ble utført forsiktig og nølende, planlegges rutene for de siste interplanetære romfartene nesten alltid med gravitasjonsjusteringer. Saken er at nå har astrofysikere, takket være utviklingen av datateknologi, samt tilgjengeligheten av de mest nøyaktige dataene om solsystemets kropper, først og fremst deres masse og tetthet, mer nøyaktige beregninger tilgjengelig. Og det er nødvendig å beregne gravitasjonsmanøveren ekstremt nøyaktig.
Så, å legge en bane lenger fra planeten enn nødvendig er full av det faktum at dyrt utstyr ikke vil fly i det hele tatt dit det var planlagt. Og undervurdering av massen kan til og med true skipets kollisjon med overflaten.
Champion i manøvrer
Dette kan selvfølgelig betraktes som det andre romfartøyet i Voyager-oppdraget. Enheten ble lansert i 1977, og forlater for tiden sitt opprinnelige stjernesystem og trekker seg tilbake til det ukjente.
Under driften besøkte apparatet Saturn, Jupiter, Uranus og Neptun. Gjennom hele flyturen virket solens tiltrekning på den, hvorfra skipet gradvis beveget seg bort. Men takket være godt beregnet gravitasjonmanøvrer, for hver av planetene reduserte ikke hastigheten, men vokste. For hver planet som ble utforsket, ble ruten bygget etter prinsippet om en gravitasjonsslynge. Uten bruk av gravitasjonskorreksjon, ville ikke Voyager vært i stand til å sende den så langt.
Foruten Voyagers, har tyngdekraftsmanøvrer blitt brukt til å starte så velkjente oppdrag som Rosetta eller New Horizons. Så Rosetta, før hun søkte etter Churyumov-Gerasimenko-kometen, gjorde så mange som 4 akselererende gravitasjonsmanøvrer nær Jorden og Mars.
