Гравитационный маневр: как бесплатно увеличить скорость
То, что массивные космические тела обладают большой гравитацией, известно уже довольно давно. Еще перед Второй мировой войной выдвигались теоретические идеи о том, что эту гравитацию можно использовать для изменения ускорения космических аппаратов.
Дело в том, что для вывода космического аппарата за пределы Земли требуется огромное количество топлива, и чем тяжелее аппарат, тем больше топлива требуется. Использование гравитации для ускорения или замедления позволило бы сэкономить топливо или наоборот, увеличить массу полезной нагрузки.
Впервые гравитационный маневр был осуществлен Советским Союзом при выполнении миссии «Луна-3». Запущенный в 1959 году зонд сделал снимки обратной стороны Луны. При облёте спутника гравитационный маневр позволил зонду вновь пролететь над северным полушарием нашей планеты, не выходя таким образом из области действия советских средств наблюдения.
Сегодня гравитационные маневры широко используются для миссий к другим небесным телам. Весьма часто применяется не один, а два или больше последовательных гравитационных маневра (это зависит от расположения планет). Так, знаменитый зонд «Розетта», который в 2014 году осуществил первую в истории посадку спускаемого аппарат на комету (комета Чурюмова-Герасименко), использовал целых четыре гравитационных маневра – вокруг Земли, Марса, и еще два раза вокруг Земли.
Как же работает гравитационный маневр? Космический аппарат, подлетая к планете, увлекается её гравитацией и начинает ускоряться. Но траектория аппарата рассчитана таким образом, чтобы гравитация не могла полностью его захватить, и центробежная сила выкидывает аппарат за пределы гравитационного поля планеты; при этом скорость аппарата складывается из собственной скорости и скорости, которую аппарат приобрел в результате ускорения. Нечто похожее происходит с камнем, выпущенным из хорошо раскрученной пращи.
Таким образом, мы можем нарастить скорость, не тратя ни грамма лишнего топлива – по сути, бесплатно. Выполнив несколько последовательных гравитационных маневров, мы может ступенчато нарастить скорость до очень больших величин. Так, космический аппарат «Вояджер-1», запущенный в 1977 году, выполнив гравитационные маневры около Сатурна и Юпитера разогнался до скорости 17 км/с, став самым быстрым аппаратом из всех когда-либо запущенных.
Разумеется, аппараты можно не только разгонять, но и тормозить. Для этого достаточно зайти на маневр со стороны, противоположной вращению планеты.
Еще следует отметить, что действительно «бесплатно» космические аппараты получить скорость не могут – не позволяет закон сохранения энергии. Аппараты получают кинетическую энергию за счет самой планеты – ровно на такую же величину уменьшается энергия движения планеты по орбите. Но, учитывая разницу масс космического зонда и планеты, влияние на скорость движения небесного тела стремится к нулю, и это влияние можно не учитывать.
Если тебе понравится статья, жми палец вверх! Тебе не сложно, а нам приятно!
Подписывайся на канал, расскажи о нем в соцсетях, а уж мы постараемся не ударить в грязь лицом )
Источник
Разгон в космосе: как гравитация помогает летать в звездные дали?
Леонид Ромащенко 
15 сентября 2017 
0
Космический зонд «Вояджер» Источник: wikimedia.org
Подписывайтесь на наш телеграм-канал. Мы публикуем там свежие новости и лучшие фотографии.
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.
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.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Источник
Гравитационный маневр, просто о сложном.
Вы наверное часто слышали о таком понятие как «гравитационный маневр». А ведь если бы не он, то мы до сих пор не могли бы изучить дальние уголки нашей галактики, так как энергетические возможности современных ракет не позволяют нам улететь далеко.
Гравитацио́нный манёвр , реже пертурбацио́нный манёвр, — целенаправленное изменение траектории полёта космического аппарата под действием гравитационных полей небесных тел.
Техника» гравитационного маневра» позволяет увеличивать или уменьшать импульс для увеличения или уменьшения энергии орбиты космического аппарата. Как правило, он используется на солнечной орбите, чтобы увеличить скорость космического аппарата и продвинуть его к внешней границе Солнечной системы, гораздо дальше от Солнца, чем это могла бы сделать его ракета-носитель.
В первые он был использован на космическом аппарате «Луна-3» в 1959 году.
По сути принцип действия гравитационного маневра схож с обычным упругим взаимодействием, единственное, что импульс передается не через механическое, а гравитационное воздействие.
При этом более массивное тело (планета) меняет траекторию и скорость менее массивного тела (КА — космического аппарата), естественно, что и КА воздействует на планету, но учитывая соотношение масс, это воздействие ничтожно. Если КА как бы догоняет планету, то планета его дополнительно разгоняет, в обратном случае замедляет.
На заре космической эры использование таких маневров было крайне сложной задачей, но сейчас они используются довольно часто, так как во-первых надо было провести огромные расчеты, чего не позволяли компьютеры тех времен, а во вторых были сильно уточнены данные о массе и траектории планет, без чего невозможно точно рассчитать траекторию.
Одни из самых известных космических аппаратов, которые использовали гравитационные маневры для путешествий на дальние границы солнечной системы это «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Вояджер-2″ стартовал в августе 1977 года и пролетел мимо Юпитера для ускорения траектории к Сатурну. «Вояджер-1» стартовал в следующем месяце и сделал то же самое (достигнув Юпитера раньше «Вояджера-2»). Затем «Вояджер-2» получил ускорение от Сатурна, а затем около Урана, поднявшись до самого Нептуна и далее.
Источник