Kosmosa kuģu lidojumi ir saistīti ar milzīgu enerģijas patēriņu. Piemēram, nesējraķete Sojuz, kas stāv uz starta un ir gatava palaišanai, sver 307 tonnas, no kurām vairāk nekā 270 tonnas ir degviela, tas ir, lauvas tiesa. Nepieciešamība tērēt neprātīgu enerģijas daudzumu kustībai kosmosā lielā mērā ir saistīta ar grūtībām apgūt Saules sistēmas tālos punktus.
Diemžēl tehnisks izrāviens šajā virzienā vēl nav gaidāms. Propelenta masa joprojām ir viens no galvenajiem faktoriem kosmosa misiju plānošanā, un inženieri izmanto visas iespējas taupīt degvielu, lai paildzinātu ierīces darbību. Gravitācijas manevri ir viens no veidiem, kā ietaupīt naudu.
Kā lidot kosmosā un kas ir gravitācija
Ierīces pārvietošanas princips vakuumā (vide, no kuras nav iespējams izstumt ne ar dzenskrūvi, ne riteņiem, ne ko citu) ir vienāds visu veidu raķešu dzinējiem, kas ražoti uz Zemes. Šī ir strūklas vilce. Gravitācija iebilst pret reaktīvo dzinēju jaudu. Šī cīņa pret fizikas likumiem ir uzvarētaPadomju zinātnieki 1957. gadā. Pirmo reizi vēsturē cilvēku rokām izgatavots aparāts, sasniedzis pirmo kosmisko ātrumu (apmēram 8 km/s), kļuva par planētas Zeme mākslīgo pavadoni.
Lai zemajā Zemes orbītā palaistu ierīci, kas sver nedaudz vairāk par 80 kg, bija vajadzīgas aptuveni 170 tonnas dzelzs, elektronikas, attīrītas petrolejas un šķidrā skābekļa.
No visiem Visuma likumiem un principiem gravitācija, iespējams, ir viens no galvenajiem. Tas regulē visu, sākot ar elementārdaļiņu, atomu, molekulu izvietojumu un beidzot ar galaktiku kustību. Tas ir arī šķērslis kosmosa izpētei.
Ne tikai degviela
Jau pirms pirmā mākslīgā Zemes pavadoņa palaišanas zinātnieki skaidri saprata, ka panākumu atslēga var būt ne tikai raķešu izmēra un to dzinēju jaudas palielināšana. Pētniekus meklēt šādus trikus pamudināja aprēķinu un praktisko testu rezultāti, kas parādīja, cik degvielu tērē lidojumi ārpus zemes atmosfēras. Pirmais šāds lēmums padomju dizaineriem bija vietas izvēle kosmodroma būvniecībai.
Paskaidrosim. Lai kļūtu par mākslīgo Zemes pavadoni, raķetei jāpaātrina līdz 8 km/s. Bet pati mūsu planēta atrodas pastāvīgā kustībā. Jebkurš punkts, kas atrodas uz ekvatora, griežas ar ātrumu vairāk nekā 460 metri sekundē. Tādējādi raķete, kas palaista bezgaisa telpā nulles paralēles zonā, pati par sevi būsir brīvs gandrīz puskilometrs sekundē.
Tādēļ PSRS plašajos plašumos tika izvēlēta vieta uz dienvidiem (dienas rotācijas ātrums Baikonurā ir ap 280 m/s). Vēl vērienīgāks projekts, kura mērķis bija samazināt gravitācijas ietekmi uz nesējraķeti, parādījās 1964. gadā. Tas bija pirmais jūras kosmodroms "San Marco", ko itāļi samontēja no divām urbšanas platformām un atradās uz ekvatora. Vēlāk šis princips veidoja pamatu starptautiskajam jūras palaišanas projektam, kas veiksmīgi palaiž komerciālos satelītus līdz pat mūsdienām.
Kas bija pirmais
Kā ir ar misijām dziļajā kosmosā? PSRS zinātnieki bija pionieri kosmisko ķermeņu gravitācijas izmantošanā, lai mainītu lidojuma trajektoriju. Mūsu dabiskā pavadoņa aizmugurējo pusi, kā jūs zināt, pirmo reizi fotografēja padomju Luna-1 aparāts. Bija svarīgi, lai pēc aplidošanas ap Mēnesi ierīcei būtu laiks atgriezties uz Zemes, lai ziemeļu puslode to pavērstu pret to. Galu galā informācija (saņemtie fotogrāfiskie attēli) bija jāpārraida cilvēkiem, un izsekošanas stacijas, radio antenu šķīvji atradās tieši ziemeļu puslodē.
Ne mazāk veiksmīgi amerikāņu zinātniekiem izdevies izmantot gravitācijas manevrus, lai mainītu kosmosa kuģa trajektoriju. Starpplanētu automātiskajam kosmosa kuģim "Mariner 10" pēc pārlidojuma netālu no Venēras bija jāsamazina ātrums, lai nokļūtu zemākā apkārtsaules orbītā unizpētīt Merkuru. Tā vietā, lai šim manevram izmantotu dzinēju strūklas spēku, transportlīdzekļa ātrumu palēnināja Veneras gravitācijas lauks.
Kā tas darbojas
Saskaņā ar universālās gravitācijas likumu, ko eksperimentāli atklāja un apstiprināja Īzaks Ņūtons, visi ķermeņi ar masu piesaista viens otru. Šīs pievilcības spēku ir viegli izmērīt un aprēķināt. Tas ir atkarīgs gan no abu ķermeņu masas, gan no attāluma starp tiem. Jo tuvāk, jo stiprāks. Turklāt, ķermeņiem tuvojoties viens otram, pievilkšanās spēks pieaug eksponenciāli.
Attēls parāda, kā kosmosa kuģi, kas lido pie liela kosmiskā ķermeņa (kādas planētas), maina savu trajektoriju. Turklāt ierīces kustības gaita ar numuru 1, lidojot vistālāk no masīvā objekta, mainās ļoti nedaudz. Ko nevar teikt par ierīces numuru 6. Planetoīds krasi maina savu lidojuma virzienu.
Kas ir gravitācijas strope. Kā tas darbojas
Gravitācijas manevru izmantošana ļauj ne tikai mainīt kosmosa kuģa virzienu, bet arī pielāgot tā ātrumu.
Attēlā parādīta kosmosa kuģa trajektorija, ko parasti izmanto tā paātrināšanai. Šāda manevra darbības princips ir vienkāršs: sarkanā krāsā iezīmētajā trajektorijas posmā ierīce it kā panāk no tās bēgošo planētu. Daudz masīvāks ķermenis velk mazāku ķermeni ar savu gravitācijas spēku, izkliedējot to.
Starp citu, šādā veidā tiek paātrināti ne tikai kosmosa kuģi. Ir zināms, ka debess ķermeņi, kas nav saistīti ar zvaigznēm, klīst pa galaktiku ar spēku un pamatojumu. Tie var būt gan salīdzinoši nelieli asteroīdi (viens no tiem, starp citu, tagad apmeklē Saules sistēmu), gan pieklājīga izmēra planetoīdi. Astronomi uzskata, ka gravitācijas strope, t.i., lielāka kosmiskā ķermeņa trieciens, izmet mazāk masīvus objektus no savām sistēmām, nolemjot tos mūžīgiem klejojumiem tukšas telpas ledainajā aukstumā.
Kā palēnināt
Bet, izmantojot kosmosa kuģu gravitācijas manevrus, jūs varat ne tikai paātrināt, bet arī palēnināt to kustību. Šādas bremzēšanas shēma ir parādīta attēlā.
Sarkanā krāsā iezīmētajā trajektorijas posmā planētas pievilkšanās, atšķirībā no varianta ar gravitācijas stropi, palēninās ierīces kustību. Galu galā gravitācijas vektors un kuģa lidojuma virziens ir pretējs.
Kad to lieto? Galvenokārt automātisko starpplanētu staciju palaišanai pētāmo planētu orbītās, kā arī Saulei tuvo reģionu izpētei. Lieta tāda, ka, virzoties uz Sauli vai, piemēram, uz zvaigznei vistuvāko planētu Merkurs, jebkura ierīce, ja nepiemēro bremzēšanas pasākumus, gribot negribot paātrinās. Mūsu zvaigznei ir neticami liela masa un milzīgs pievilkšanas spēks. Pārmērīgu ātrumu ieguvis kosmosa kuģis nespēs iekļūt Saules saimes mazākās planētas Merkura orbītā. Kuģis vienkārši izslīdēs cauriar, mazais Merkūrijs nespēj to pietiekami stipri pavilkt. Motorus var izmantot bremzēšanai. Taču gravitācijas trajektorija uz Sauli, teiksim, uz Mēness un pēc tam uz Venēru, samazinātu raķešu piedziņas izmantošanu. Tas nozīmē, ka būs nepieciešams mazāk degvielas, un atbrīvoto svaru var izmantot papildu izpētes aprīkojuma izvietošanai.
Iekļūsti adatas acī
Kamēr agrīnie gravitācijas manevri tika veikti kautrīgi un vilcinoši, jaunāko starpplanētu kosmosa misiju maršruti gandrīz vienmēr tiek plānoti ar gravitācijas korekcijām. Lieta tāda, ka tagad astrofiziķiem, pateicoties datortehnoloģiju attīstībai, kā arī visprecīzāko datu pieejamībai par Saules sistēmas ķermeņiem, galvenokārt to masu un blīvumu, ir pieejami precīzāki aprēķini. Un ir nepieciešams ārkārtīgi precīzi aprēķināt gravitācijas manevru.
Tātad, trajektorijas nolikšana tālāk no planētas, nekā nepieciešams, ir saistīta ar faktu, ka dārga tehnika lidos nepavisam ne tur, kur bija plānots. Un masas nenovērtēšana var pat apdraudēt kuģa sadursmi ar virsmu.
Čempions manevros
Šo, protams, var uzskatīt par Voyager misijas otro kosmosa kuģi. Ierīce tika izlaista 1977. gadā, un pašlaik tā atstāj savu zvaigžņu sistēmu, aizejot nezināmajā.
Darbības laikā aparāts apmeklēja Saturnu, Jupiteru, Urānu un Neptūnu. Visa lidojuma laikā uz to iedarbojās Saules pievilcība, no kuras kuģis pamazām attālinājās. Bet, pateicoties labi aprēķinātai gravitācijaimanevrus, katrai no planētām tās ātrums nevis samazinājās, bet pieauga. Katrai izpētītajai planētai maršruts tika izveidots pēc gravitācijas stropes principa. Bez gravitācijas korekcijas Voyager nebūtu varējis to nosūtīt tik tālu.
Papildus Voyagers, gravitācijas manevri ir izmantoti, lai palaistu tādas labi zināmas misijas kā Rosetta vai New Horizons. Tātad, Rosetta, pirms došanās meklēt Čurjumova-Gerasimenko komētu, veica pat 4 paātrinātus gravitācijas manevrus Zemes un Marsa tuvumā.
