Erdvėlaivių skrydžiai reikalauja daug energijos. Pavyzdžiui, paleidimo aikštelėje stovinti ir paleisti paruošta nešėja „Sojuz“sveria 307 tonas, iš kurių daugiau nei 270 tonų yra kuras, tai yra liūto dalis. Poreikis išleisti beprotišką energijos kiekį judėjimui kosminėje erdvėje daugiausia susijęs su sunkumais įvaldant Saulės sistemos tolimąsias sritis.
Deja, techninio proveržio šia kryptimi kol kas nesitikima. Kuro masė išlieka vienu iš pagrindinių faktorių planuojant kosmines misijas, o inžinieriai naudojasi kiekviena proga taupyti degalus, kad pailgintų įrenginio veikimą. Gravitacijos manevrai yra vienas iš būdų sutaupyti pinigų.
Kaip skristi kosmose ir kas yra gravitacija
Įrenginio judėjimo vakuume principas (aplinka, iš kurios neįmanoma išstumti nei sraigtu, nei ratais, nei dar kuo nors) yra vienodas visų tipų raketų varikliams, pagamintiems Žemėje. Tai yra reaktyvinė trauka. Gravitacija prieštarauja reaktyvinio variklio galiai. Ši kova prieš fizikos dėsnius buvo laimėtaSovietų mokslininkai 1957 m. Pirmą kartą istorijoje žmogaus rankų pagamintas aparatas, įgavęs pirmąjį kosminį greitį (apie 8 km/s), tapo dirbtiniu Žemės planetos palydovu.
Prireikė maždaug 170 tonų geležies, elektronikos, išgryninto žibalo ir skysto deguonies, kad į žemąją Žemės orbitą būtų paleistas kiek daugiau nei 80 kg sveriantis įrenginys.
Iš visų visatos dėsnių ir principų gravitacija, ko gero, yra vienas pagrindinių. Ji valdo viską, pradedant elementariųjų dalelių, atomų, molekulių išsidėstymu ir baigiant galaktikų judėjimu. Tai taip pat kliūtis kosmoso tyrinėjimams.
Ne tik kuras
Dar prieš paleidžiant pirmąjį dirbtinį Žemės palydovą, mokslininkai aiškiai suprato, kad ne tik raketų dydžio ir jų variklių galios didinimas gali būti raktas į sėkmę. Ieškoti tokių gudrybių tyrėjus paskatino skaičiavimų ir praktinių bandymų rezultatai, parodę, kokie yra degalų sunaudojantys skrydžiai už žemės atmosferos ribų. Pirmasis toks sovietų dizainerių sprendimas buvo vietos kosmodromo statybai pasirinkimas.
Paaiškinkime. Kad raketa taptų dirbtiniu Žemės palydovu, ji turi įsibėgėti iki 8 km/s. Tačiau pati mūsų planeta nuolat juda. Bet kuris taškas, esantis ant pusiaujo, sukasi didesniu nei 460 metrų per sekundę greičiu. Taigi raketa, paleista į beorę erdvę nulinės lygiagretės srityje, pati savaime busturėti laisvą beveik pusę kilometro per sekundę.
Todėl plačiose SSRS platybėse buvo pasirinkta vieta į pietus (paros sukimosi greitis Baikonure apie 280 m/s). Dar ambicingesnis projektas, kurio tikslas buvo sumažinti gravitacijos poveikį nešančiajai raketai, pasirodė 1964 m. Tai buvo pirmasis jūrinis kosmodromas „San Marco“, kurį italai surinko iš dviejų gręžimo platformų ir išsidėstę ant pusiaujo. Vėliau šis principas buvo tarptautinio jūros paleidimo projekto, kuris sėkmingai paleidžia komercinius palydovus iki šiol, pagrindas.
Kas buvo pirmasis
O kaip su kosmoso misijomis? SSRS mokslininkai buvo pradininkai, panaudoję kosminių kūnų gravitaciją skrydžio trajektorijai pakeisti. Mūsų natūralaus palydovo atvirkštinė pusė, kaip žinote, pirmą kartą buvo nufotografuota sovietiniu Luna-1 aparatu. Buvo svarbu, kad, apskridęs Mėnulį, prietaisas spėtų grįžti į Žemę, kad jį į ją nukreiptų šiaurinis pusrutulis. Juk informacija (gautos fotografinės nuotraukos) turėjo būti perduodama žmonėms, o sekimo stotys, radijo antenos antenos buvo išsidėsčiusios būtent šiauriniame pusrutulyje.
Ne mažiau sėkmingai amerikiečių mokslininkams pavyko panaudoti gravitacinius manevrus, kad pakeistų erdvėlaivio trajektoriją. Tarpplanetinis automatinis erdvėlaivis „Mariner 10“po praskridimo netoli Veneros turėjo sumažinti greitį, kad galėtų patekti į žemesnę aplinkinę orbitą irtyrinėti Merkurijų. Užuot šiam manevrui naudoję variklių reaktyvinę trauką, transporto priemonės greitį sulėtino Veneros gravitacinis laukas.
Kaip tai veikia
Pagal visuotinės gravitacijos dėsnį, kurį eksperimentiškai atrado ir patvirtino Izaokas Niutonas, visi masę turintys kūnai traukia vienas kitą. Šios traukos stiprumas yra lengvai išmatuojamas ir apskaičiuojamas. Tai priklauso ir nuo abiejų kūnų masės, ir nuo atstumo tarp jų. Kuo arčiau, tuo stipresnis. Be to, kūnams artėjant vienas prie kito, traukos jėga auga eksponentiškai.
Paveikslėlyje parodyta, kaip erdvėlaiviai, skrisdami šalia didelio kosminio kūno (kai kurios planetos), keičia savo trajektoriją. Be to, 1 numeriu pažymėto įrenginio, skriejančio toliausiai nuo masyvaus objekto, judėjimo eiga keičiasi labai nežymiai. Ko negalima pasakyti apie prietaiso numerį 6. Planetoidas smarkiai keičia savo skrydžio kryptį.
Kas yra gravitacijos diržas. Kaip tai veikia
Gravitacijos manevrų naudojimas leidžia ne tik pakeisti erdvėlaivio kryptį, bet ir reguliuoti jo greitį.
Paveikslėlyje parodyta erdvėlaivio trajektorija, paprastai naudojama jam pagreitinti. Tokio manevro veikimo principas paprastas: raudonai pažymėtoje trajektorijos atkarpoje prietaisas tarsi vejasi nuo jo bėgančią planetą. Daug masyvesnis kūnas traukia mažesnį kūną savo gravitacijos jėga, jį išsklaidydamas.
Beje, tokiu būdu pagreitinami ne tik erdvėlaiviai. Yra žinoma, kad dangaus kūnai, kurie nėra susieti su žvaigždėmis, visa galva klaidžioja po galaktiką. Tai gali būti ir palyginti nedideli asteroidai (vienas iš jų, beje, dabar lankosi Saulės sistemoje), ir padoraus dydžio planetoidai. Astronomai mano, kad gravitacinis diržas, t. y. didesnio kosminio kūno smūgis, iš jų sistemų išmeta ne tokius masyvius objektus, kurie pasmerkia juos amžinoms klajonėms lediniame tuščios erdvės š altyje.
Kaip sulėtinti greitį
Tačiau naudodami erdvėlaivių gravitacinius manevrus galite ne tik pagreitinti, bet ir sulėtinti jų judėjimą. Tokio stabdymo schema parodyta paveiksle.
Raudona spalva pažymėtoje trajektorijos atkarpoje planetos trauka, priešingai nei variante su gravitaciniu stropu, sulėtins įrenginio judėjimą. Juk gravitacijos vektorius ir laivo skrydžio kryptis yra priešingi.
Kada jis naudojamas? Daugiausia skirta automatinėms tarpplanetinėms stotims paleisti į tiriamų planetų orbitas, taip pat tirti arti Saulės regionus. Faktas yra tas, kad judant link Saulės ar, pavyzdžiui, arčiausiai žvaigždės esančios Merkurijaus planetos, bet koks prietaisas, jei netaikote stabdymo priemonių, norom nenorom įsibėgėja. Mūsų žvaigždė turi neįtikėtiną masę ir didžiulę traukos jėgą. Per didelį greitį įgavęs erdvėlaivis negalės patekti į Merkurijaus – mažiausios Saulės šeimos planetos – orbitą. Laivas tiesiog praslysMažasis Merkurijus negali jo pakankamai stipriai traukti. Varikliai gali būti naudojami stabdymui. Tačiau gravitacinė trajektorija į Saulę, tarkime, Mėnulyje, o vėliau Venera, sumažintų raketos varomąją jėgą. Tai reiškia, kad reikės mažiau degalų, o atsilaisvinusį svorį bus galima panaudoti papildomai tyrimų įrangai.
Įsitraukite į adatos akį
Nors ankstyvieji gravitaciniai manevrai buvo atliekami nedrąsiai ir nedrąsiai, naujausių tarpplanetinių kosminių misijų maršrutai beveik visada suplanuojami su gravitaciniais koregavimais. Reikalas tas, kad dabar astrofizikai dėl kompiuterinių technologijų plėtros, taip pat dėl to, kad turi tiksliausius duomenis apie Saulės sistemos kūnus, pirmiausia jų masę ir tankį, turi tikslesnius skaičiavimus. O gravitacijos manevrą reikia apskaičiuoti itin tiksliai.
Taigi, nutiesus trajektoriją toliau nuo planetos, nei reikia, kyla pavojus, kad brangi įranga skris visai ne ten, kur buvo planuota. O masės neįvertinimas gali netgi kelti grėsmę laivo susidūrimui su paviršiumi.
Manevrų čempionas
Tai, žinoma, gali būti laikoma antruoju „Voyager“misijos erdvėlaiviu. 1977 m. pristatytas įrenginys šiuo metu palieka savo gimtąją žvaigždžių sistemą ir pasitraukia į nežinomybę.
Veikimo metu aparatas aplankė Saturną, Jupiterį, Uraną ir Neptūną. Viso skrydžio metu jį veikė Saulės trauka, nuo kurios laivas pamažu nutolo. Tačiau dėl gerai apskaičiuotos gravitacijosmanevrų, kiekvienai iš planetų jo greitis ne mažėjo, o augo. Kiekvienai ištirtai planetai maršrutas buvo nutiestas gravitacinio stropo principu. Jei nebūtų pritaikyta gravitacinė korekcija, „Voyager“nebūtų galėjęs jos nusiųsti iki šiol.
Be Voyagers, gravitaciniai manevrai buvo naudojami tokioms gerai žinomoms misijoms kaip Rosetta ar New Horizons pradėti. Taigi, Rosetta, prieš leisdama ieškoti Churyumovo-Gerasimenko kometos, netoli Žemės ir Marso atliko net 4 gravitacinius manevrus.
