Гравитационный маневр вокруг солнца. Гравитационный манёвр. Как это работает

Гравитационный маневр — это способ изменить направление движения космического аппарата, а так же увеличить или уменьшить его скорость, используя гравитацию массивных объектов и не используя ценное топливо на борту космического аппарата.

Вероятно, о возможности подобного гравитационного маневра догадывались ещё античные астрономы и звездочеты древнего Вавилона, когда наблюдали движения комет, меняющих свою траекторию и скорость, когда пролетали рядом с другими небесными телами.

Принцип действия гравитационного маневра можно описать следующим образом: если космический аппарат сближается с внутренней стороной орбиты планеты, то его скорость замедляется. Если же аппарат пролет с внешней стороны орбиты планеты, то его скорость увеличится. Этот принцип действия напоминает работу пращника, метающего снаряды. Именно поэтому часто гравитационный маневр называют «гравитационной пращей».

Использование гравитационного маневра для торможения | www.commons.wikimedia.org/wiki/File:Swingby_dec_anim.gif Использование гравитационного маневра для ускорения | www.commons.wikimedia.org/wiki/File:Swingby_acc_anim.gif Следует понимать, что в системе отсчета, связанной с небесным объектом, который используется для гравитационного маневра (например, зонд проходит около Венеры), никакого положительно эффекта для космического аппарата наблюдаться не будет, кроме изменения его траектории полета. Однако относительно других небесных тел (например, Солнца) космический аппарат станет двигаться быстрее/медленнее.

Преимущества гравитационного маневра очевидны. Он позволяет увеличивать/замедлять скорость без необходимости включать двигатели, что ведет к большой экономии топлива. Меньше топлива — больше полезной нагрузки. Соответственно, на один космический аппарат умещается столько полезной нагрузки, сколько бы пришлось нести двум аппаратам, которые не использовали эффект «гравитационной пращи». Сэкономленные в результате деньги можно распределить на другие космические проекты.

Наверное, самым знаменитым аппаратом, использовавшим гравитационный маневр, стал американский «Вояджер-2». Благодаря системе разгонов и торможений, он слетал в турне по Солнечной системе по маршруту «Земля-Юпитер-Сатурн-Уран-Нептун». А сейчас, получив ускорение от планет, уже вышел за границы Солнечной системы.

Не менее интересен аппарат «Вояджер 1». Его текущая скорость в 17 км/с, достигнутая при помощи гравитационных маневров, является самой высокой среди всех рукотворных объектов человека, хотя при старте она была на порядок меньше.

К комбинации гравитационных маневров была вынуждена прибегнуть межпланетная станция «Кассини». Два раза использовав гравитационное поле Венеры и по одному разу Земли и Юпитера, аппарат разогнался до необходимой скорости, использовав при этом в 25 раз (!) меньше топлива, чем ему понадобилось бы без использования гравитационных маневров.

Это интересно: г равитационный маневр выгоднее всего применять вблизи объектов, обладающих большей скоростью и большей гравитацией. Идеальный кандидат на место такого объекта очевиден: звезды. Умы ученых давно будоражит идея пролететь на космическом аппарате вблизи нейтронных звезд. Согласно подсчетам, такой маневр смог бы разогнать корабль до 1/3 скорости света. Вот это величина! С такой скоростью межгалактические полеты уже не кажутся такими уж невозможными…

Иллюстрация: bigstockphoto | 3DSculptor

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

В начале XX века, когда принципиальная выполнимость космических полетов была научно обоснована, появились первые соображения об их возможных траекториях. Прямолинейный полет от Земли к другой планете энергетически крайне невыгоден. В 1925 году немецкий инженер Вальтер Гоман (Walter Hohmann) показал, что минимальные затраты энергии на перелет между двумя круговыми орбитами обеспечиваются, когда траектория представляет собой «половинку» эллипса, касающегося исходной и конечной орбит. При этом двигатель космического аппарата должен выдать всего два импульса: в перигее и апогее (если речь идет об околоземном пространстве) переходного эллипса. Данная схема широко используется, например, при выведении на геостационарную орбиту. В межпланетных полетах задача несколько осложняется необходимостью учитывать притяжение Земли и планеты назначения соответственно на начальном и конечном участках траектории. Тем не менее полеты к Венере и Марсу выполняются по орбитам, близким к гомановским.

Гравитационные маневры

Но баллистики не сдаются - для экономии топлива они приспособили ту самую гравитацию, на преодоление которой при старте уходит значительная часть энергии. Гравитационные, или на профессиональном языке пертурбационные маневры практически не требуют расхода топлива. Все что нужно - это наличие вблизи трассы полета небесного тела, обладающего достаточно сильной гравитацией и подходящим для целей миссии положением. Подлетая к небесному телу, космический аппарат под действием его поля тяготения ускоряется или замедляется. Здесь внимательный читатель может заметить, что аппарат, ускорившись гравитацией планеты, ею же и тормозится после сближения с небесным телом и что в результате никакого ускорения не будет. Действительно, скорость относительно планеты, используемой в качестве «гравитационной пращи», не изменится по модулю. Но она поменяет направление! А в гелиоцентрической (связанной с Солнцем) системе отсчета окажется, что скорость меняется не только по направлению, но и по величине, поскольку складывается из скорости аппарата относительно планеты и, по крайней мере частично, скорости самой планеты относительно Солнца. Таким способом можно без затрат топлива изменить кинетическую энергию межпланетной станции. При полетах к дальним, внешним, планетам Солнечной системы гравитационный маневр используется для разгона, а при миссиях к внутренним планетам - напротив, для гашения гелиоцентрической скорости.

ВОЗМУЩЕНИЯ и КОРРЕКЦИИ

На картинках траектории межпланетных полетов выглядят очень просто: от Земли станция движется по дуге эллипса, дальний конец которой упирается в планету. Эллиптичность орбиты вокруг Солнца диктуется первым законом Кеплера. Рассчитать ее по силам даже школьнику, но если по ней запустить реальный космический аппарат, он промахнется мимо цели на многие тысячи километров. Дело в том, что на движение аппарата помимо Солнца влияет тяготение обращающихся вокруг него планет. Поэтому точно рассчитать, где окажется аппарат спустя месяцы, а то и годы полета, можно только сложным численным моделированием. Задаются начальное положение и скорость аппарата, определяется, как относительно него расположены планеты и какие силы действуют с их стороны. По ним рассчитывается, где окажется аппарат спустя небольшое время, скажем, спустя час, и как изменится его скорость. Затем цикл вычислений повторяется, и так шаг за шагом просчитывается вся траектория. Скорее всего, она попадет не совсем туда, куда нужно. Тогда начальные условия немного меняют и повторяют расчет, пока не будет получен требуемый результат. Но как бы тщательно ни была рассчитана траектория, ракета не сможет идеально точно вывести на нее аппарат. Поэтому с самого начала рассчитывается целый пучок слегка расходящихся траекторий - изогнутый конус, внутри которого аппарат должен оказаться после старта. Например, при полете к Венере отклонение начальной скорости от расчетной всего на 1 м/с обернется у цели промахом в 10 000 километров - больше размера планеты. Поэтому уже во время полета параметры движения аппарата уточняются по телеметрическим данным (скорость, например, до миллиметров в секунду), а затем в расчетный момент включаются двигатели и орбиты корректируются. Коррекции тоже не бесконечно точны, после каждой из них аппарат попадает в новый конус траекторий, но они не так сильно расходятся у точки назначения, поскольку часть пути уже пройдена. Если у цели аппарату предстоит гравитационный маневр, это повышает требования к точности навигации. Например, при пролете в 10 000 километрах от той же Венеры ошибка в навигации на 1000 километров приведет к тому, что после маневра станция собьется с курса примерно на градус. Исправить такое отклонение коррекционным двигателям, скорее всего, окажется не под силу. Еще жестче требования к точности навигации при использовании аэродинамического торможения в атмосфере. Ширина коридора составляет всего 10-20 километров. Пройди аппарат ниже - и он сгорит в атмосфере, а выше - ее сопротивления не хватит, чтобы погасить межпланетную скорость до орбитальной. К тому же расчет таких маневров зависит от состояния атмосферы, на которую влияет солнечная активность. Недостаточное понимание физики инопланетной атмосферы тоже может оказаться фатальным для космического аппарата. На рис.: 1. Расходящийся конус траекторий - следствие погрешностей выведения космического аппарата. 2. Последствия ошибки при гравитационном маневре

Юпитер нам поможет

Зонд ISEE-3/ICE четыре года (1978-1982) изучал Солнце с орбиты вокруг точки Лагранжа L1, а затем путем сложных гравитационных маневров у Земли и Луны он был направлен на встречу с кометами Джакобини - Циннера (1985) и Галлея (1986). В 2012-м зонд вернется к Земле. Рис. NASA

Окном запуска называют интервал дат, в пределах которого эффективность запланированных гравитационных маневров максимальна.

Гомановские эллипсы, касающиеся орбиты Земли и планеты назначения, - самые экономичные межпланетные траектории, если не прибегать к гравитационным маневрам. Полет к Марсу по гомановской орбите занимает около 240-280 суток, к Венере - около 150 суток.

Космический гравсерфинг

ЛЕСТНИЦА ЛАГРАНЖА

Несмотря на коррекции и гравитационные маневры, орбиты большинства межпланетных станций все же близки к классическим дугам эллипсов и гипербол. Но в последнее время астронавигаторы все чаще используют куда более изощренные траектории, пролегающие в тех областях пространства, где приходится в равной мере учитывать притяжение сразу двух небесных тел. Рассмотрим, например, орбиту Земли вокруг Солнца. Она почти круговая с радиусом 150 миллионов километров и периодом обращения, равным году. Соотношение радиуса и периода определяется силой солнечного притяжения, заставляющей Землю двигаться по искривленной траектории. На большем расстоянии притяжение Солнца окажется слабее, а соответствующая орбитальная скорость ниже. Космический аппарат на такой орбите отстает от Земли (а на орбите меньшего радиуса обгоняет ее). Математически это выражается третьим законом Кеплера. Однако из этого правила есть исключение. Допустим, мы запустили станцию так, чтобы она пришла в некую точку, расположенную на продолжении земной тени, причем на строго определенном расстоянии от Земли (примерно полтора миллиона километров). Тогда притяжение нашей планеты, добавленное к солнечному, окажется как раз таким, что период обращения по расширенной орбите будет в точности равен году. Получится, что станция как бы все время прячется от Солнца позади Земли. Аналогичная траектория есть и внутри земной орбиты, где притяжение планеты, наоборот, ослабляет солнечное ровно настолько, чтобы на более короткой орбите период обращения был равен году. На таких орбитах станции будут обращаться вокруг Солнца, оставаясь неподвижными относительно Земли, - в направлении к Солнцу и от него. Это так называемые точки Лагранжа L1 и L2, где космический аппарат может неподвижно висеть, не расходуя топлива. Этим уже пользуются: в L1 работает солнечная обсерватория SOHO, а в L2 - астрофизический зонд WMAP. Туда же планируется вывести 6-метровый телескоп имени Джеймса Вебба, который строится на смену стареющему «Хабблу». Но полеты в точках Лагранжа не лишены трудностей. Дело в том, что равновесие в них неустойчиво. Стоит аппарату немного отклониться из-за возмущений со стороны других планет или погрешностей навигации, как он начинает описывать вокруг точки Лагранжа медленно расходящиеся петли. Если вовремя не скорректировать орбиту, аппарат может быть выброшен в космос или даже упасть на Землю. Рассчитать движение по такой траектории очень трудно: она очень сильно «крутит хвостом» - при малейшей ошибке в начальных условиях может повернуться в противоположном направлении. И все же NASA уже удалось воспользоваться такой сложной орбитой для миссии по сбору образцов солнечного ветра. Аппарат «Генезис» (Genesis) был запущен по тончайшим образом выверенной траектории, которая после нескольких витков вокруг точки L1 вернула его к Земле, причем так, что капсула с образцами по касательной вошла в атмосферу и совершила посадку (к сожалению, жесткую из-за сбоя в парашютной системе). А у навигаторов тем временем зреют новые планы. Среди раскручивающихся траекторий ухода от точки L1 есть такие, которые на время приводят аппарат на орбиту вокруг L2 (и наоборот). Причем для этого не требуется серьезных затрат топлива. У Земли пользы от этого немного. Иное дело - система Юпитера, где у каждого из четырех его больших спутников - Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто - есть по паре точек Лагранжа. Двигаясь вокруг планеты, внутренние спутники обгоняют внешние, и если правильно подгадать, то ценой совсем небольших затрат топлива аппарат может перепрыгнуть с неустойчивой орбиты вокруг точки L2, скажем, спутника Ио на такую же орбиту вокруг точки L1 Европы. Покрутившись там и проведя наблюдения, можно подняться еще на одну ступеньку «лестницы» - к точке L2 Европы, а оттуда в нужный момент прыгнуть к L1 Ганимеда, а там и до Каллисто рукой подать. Спускаться по этой «лестнице Лагранжа» тоже не возбраняется. Именно такой план полета предлагается для большой исследовательской станции JIMO, которую NASA готовит для изучения галилеевых спутников Юпитера. До сих пор спутники Юпитера исследовались только с пролетных траекторий. «Лестница Лагранжа» позволит станции подолгу зависать над спутником - изучать его поверхность и отслеживать происходящие на ней процессы.

С малой тягой к малым телам

Планетарные двигатели

Не только гравитация

В общем, работа космического баллистика балансирует на грани искусства и точных наук. Ему всегда приходится решать задачу со многими неизвестными, усугубленную стремлением заказчика сделать все «быстрее и дешевле», не выходя за рамки физических законов. Так что, несомненно, мы еще станем свидетелями рождения многих новых нетривиальных космических траекторий.

Размышление о гравитации как явлении. Как всегда сугубо личное мнение.

Немного информации

Когда именно люди узнали о силах тяготения так и останется загадкой, очевидно, очень давно. Официально считается, что явлениями всемирного тяготения вплотную занялся Исаак Ньютон, после того, как получил производственную травму яблоком во время прогулки.

Видимо, вследствие полученной травмы, Исаак Ньютон получил откровение от господа нашего Бога, которое вылилось в соответствующее уравнение:

F=G(m 1 *m 2)/r 2 (Уравнение №1)

Где соответственно: F – искомая сила взаимодействия (сила тяготения), m 1, m 2 - массы взаимодействующих тел, r - расстояние между телами, G - гравитационная постоянная.

Я не буду касаться философии Исаака Ньютона, непосредственного авторства или каких-то других не связанных с фактами наблюдений вещей, если кому интересно, можно посмотреть расследование Вадима Ловчикова или что-то подобное.

И так, давайте для начала разберем то что нам предлагают под видом этого простого уравнения.

Первое , на что следует обратить внимание, уравнение №1 имеет радиальную (шаровую симметрию),- это говорит о том, что гравитация не имеет выделанных направлений взаимодействия и все взаимодействия которые она обеспечивает строго симметричны.

Второе , на что следует обратить внимание, в уравнении №1 нет ни времени, ни каких-либо скоростей, то есть взаимодействие обеспечивается немедленно, без задержки на любом расстоянии.

Третье , Ньютон указывал на божественную природу гравитации, то есть все вещи в мире взаимодействуют волею божией - гравитация не исключение. Почему взаимодействие происходит именно так,- это воля божия, никакой физической картины мира в нашем понимании у него не было.

Как видите принципы работы гравитации просты и понятны, они изложены во всех школьных учебниках и транслируются всеми утюгами (за исключением пожалуй третьего принципа), но как мы помним Френсис Бэкон завещал нам постигать природу посредством наблюдений (эмпирически), отвечают ли этому правилу вышеизложенные закономерности?

Немного фактов

Инерция , - это явление природы, которое возникает при движении любых тел. Несмотря на всеобщее распространение этого явления, физики до сих пор (если кто знает пусть меня поправят) не могут внятно сказать с чем физически связана инерция, с телом или с пространством вокруг него. Ньютон отлично знал о существовании этого явления, и то что оно влияет на силы взаимодействия гравитирующих тел, но если вы посмотрите на уравнение №1, вы не найдете там и следов инерции, как следствие задача «Трех тел » так и не решена строго.

Все утюги, всех мастей убеждают меня, что Ньютон-де рассчитал орбиты планет исходя из своего божественного уравнения, конечно я им верю, ведь незадолго до этого Иоганн Кеплер все сделал эмпирически, правда, ни один из утюгов не объясняет, как в своих расчетах Исаак Ньютон учитывал инерцию, ни в одном учебнике пусть даже и университетском никто вам этого не скажет.

Следствие из этого очень простое, британские ученые подогнали результаты вычислений под труды Кеплера, уравнение №1 не учитывает инерции и скорости тел, поэтому совершенно бесполезно для расчетов конкретных орбит небесных тел. Говорить о том что философия Ньютона хоть как-то описывает механизм инерции физически, даже не смешно.

Гравитационный маневр - явление природы, когда при взаимодействии гравитирующих тел одно из них ускоряется другое замедляется. Учитывая совершенную радиальную симметричность уравнения №1, а так же мгновенную скорость распространения гравитации согласно этому уравнению, данный физический эффект невозможен, весь добавленный импульс будет отнят при взаимном удалении тел и взаимодействующие тела останутся «при своих». Работать с гравитационными маневрами научились исходя из эмпирических наблюдений (полетов в космос), согласно теории Ньютона, в этом случае возможно только изменение направления движения тел, но не их импульса, что явно противоречит опытным данным.

Дисковидные структуры - большая часть видимой вселенной занята дисковидными структурами, это и галактики, и диски планетарных систем, планетарные кольца. Учитывая полную симметричность уравнения №1,- это очень странный физический факт. Согласно этому уравнению подавляющее большинство структур должно было бы иметь шаровую симметричную форму, астрономические наблюдения напрямую противоречат этому утверждению. Официальная космогоническая теория о конденсации планет из пылевого облака никак не объясняет наличие плоских дисков планетарных систем вокруг звезд. Таким же исключением являются и кольца Сатурна , сформированные якобы при ударе неких тел на орбите Сатурна, почему сформировалась именно плоская а не шаровая структура?

Наблюдаемые нами астрономические явления напрямую противоречат основным постулатам симметричности теории тяготения Ньютона.

Приливная активность - как утверждает современная наука, приливные волны в морях Земли формируются совместным гравитационным влиянием Луны и Солнца. Безусловно влияние Луны и Солнца на приливы есть, но вот в чем оно заключается вопрос на мой взгляд достаточно дискуссионный, хотелось бы увидеть интерактивную симуляцию где были бы наложены положения Луны и Солнца, а так же приливов, что-то я пока не видел таких хороших симуляций, что очень странно учитывая любовь современных ученых к компьютерным симуляциям.

Вопросов по приливам гораздо больше чем ответов, начать хотя бы с формирования «приливного эллипса», я понимаю, что гравитация вызывает «пучность» вод на стороне ближней к Луне или Солнцу, а что вызывает аналогичную «пучность» на обратной стороне Земли, если смотреть на уравнение №1 такого в принципе не может быть.

Добрые физики договорились до того, что ведущее значение в приливных силах имеет не модуль силы, а ее градиент, типа у Луны градиент силы больше она больше влияет на приливы, у Солнца градиент меньше, оно меньше влияет на приливы, но простите в уравнении №1 ничего такого нет, да Ньютон ничего такого и близко не говорил, как это понимать? Очевидно, как очередную подгонку под известный результат от британских «ученых». Когда бурления приливной субстанции достигли определенного уровня британские «ученые» решили еще больше запутать благодарных слушателей, что из этого правда, совершенно не ясно.

У меня нет мнения относительно верного алгоритма расчета приливов, но все косвенные признаки свидетельствуют о том, что его нет ни у кого.

Эксперимент Кавендиша - определение «гравитационной постоянной» с помощью крутильных весов. Это настоящий позор современной физической науки, причем, то что это позор, было ясно еще во времена Кавендиша (1790гг), но он не был бы настоящим «британским» ученым, если бы обращал внимание на унылый внешний мир, безобразный с физической точки зрения эксперимент вошел во все возможные учебники физики и прибывает там до сих пор. Только последнее время «светилы» от науки начинают выказывать легкое беспокойство по поводу его воспроизводимости.

Опыт принципиально невоспроизводим в условиях Земли. Вопрос даже не в «эффекте Казимира», который предсказан задолго до Казимира, не в тепловых искажениях конструкции, и электромагнитном взаимодействии грузов. Основной вопрос состоит в долгопериодических собственных колебаниях установки, устранить это искажение в земных условиях невозможно никаким образом.

Что за цифр намерили британские ученые я лично сказать не берусь, я могу сказать только то, что в соответствии с последними физическими исследованиями, - это все мусор, не имеющий никакого отношения к реальным гравитационным взаимодействиям. Таким образом этот опыт не может служить для доказательства или опровержения чего либо, - это просто мусор с которым ничего путного сделать нельзя, и уж тем более нельзя узнать значение «гравитационной постоянной».

Немного ругани

Можно было бы перечислять еще множество фактов, но не вижу в этом особого смысла, - это все равно ни на что не влияет, «физики» от гравитации четыреста лет топчутся на одном месте, видимо им гораздо важнее не то, что происходит в природе, а то что сказал какой-то англиканский богослов, очевидно, нобелевские премии дают только за это.

Сейчас очень модно сокрушаться, что молодые люди «игнорируют» физику, не испытывают уважения к авторитетам и прочую чушь. Какое может быть уважение, если манипуляции наших британских партнеров видны без контактных линз? Физические данные на прямую противоречат всем постулатам науки, но сову продолжают исправно натягивать на глобус и конца-края этому увлекательному занятию не видно. Молодые люди видят как делаются дела наши перед господом, учитывая современную информационную обеспеченность и я уверен делают соответствующие выводы.

Я думаю, что самая большая тайна современной физики,- это конкретные значения сил гравитации в солнечной системе, иначе с чего тогда столько аварий при приземлении (прилунении, привенерении, примарсении) спутников, но все как заведенные продолжают читать мантру про «великого ученого» и его законы, очевидно не хотят выдавать свои ноу-хау заработанные потом и кровью.

Еще больше раздражает современная космология, у людей по сути нет никаких фактов о гравитации, но они уже придумали темную материю, темную энергию и черные дыры и гравитационные волны. Может быть давайте сначала разберемся хотя бы с окрестностями Земли и Солнца, запустим пробные зонды и узнаем чо по чем, а потому уже будем городить различную шизофрению, но нет британские «ученые» не таковы. В результате мы имеем вал «научных» публикаций, общая ценность которых находится где-то в надире.

Тут мне возразят, ну как же, есть ведь еще Эйнштейн и его клика. Знаете, эти добрые люди переплюнули самого Ньютона, Ньютон хотя бы, сказал что гравитационные силы есть, пусть и божьей волей, Эйнштейн объявил их мнимыми, тела дескать летают потому что мне (Эйнштейну) так хочется, и никак иначе, в своих штудиях он умудрился потерять даже Бога. Поэтому я даже не буду осуждать эти агностические выверты больного сознания, я просто не могу считать это научными данными. Это сказка, эссе, философия, что угодно, только не эмпирика.

Выводы

Вся доступная история, особенно новейшая, убедительно доказывает, что бесплатно наши британские партнеры ничего не дают, а тут вдруг расщедрились на целую теорию гравитации, это как минимум подозрительно.

Лично я совершенно не верю в их добрые намерения, все физические данные особенно полученные от наших партнеров нуждаются в тщательном централизованном аудите, в противном случае мы еще тысячу лет будем почесывать эго всяким отвратительным мракобесам, а они будут нас втягивать в бесконечные неприятности с человеческими и материальными жертвами.

Главный вывод статьи заключен в том, что гравитация как явление находится на том же уровне исследованности, по крайней мере в области публичных знаний, что и 400 лет назад. Давайте уж наконец займемся исследованиями реального мира, а не лобызанием британских мощей.

Впрочем, каждый волен составить свое собственное мнение на основании имеющихся фактов.

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 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 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.

Чемпион по маневрам

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.

Если ракета пролетит рядом с планетой, её скорость изменится. Либо уменьшится, либо возрастёт. Это зависит от того, с какой стороны от планеты она пролетит.

Когда американские космические аппараты «Вояджеры» совершали свой знаменитый Гранд тур по внешней Солнечной системе, они выполнили несколько так называемых гравитационных манёвров вблизи планет-гигантов.
Больше всего повезло «Вояджеру-2», который пролетел мимо всех четырёх больших планет. График его скорости см. на рисунке:

Из графика видно, что после каждого сближения с планетой (кроме Нептуна), скорость космического аппарата возрастала на несколько километров в секунду.

На первый взгляд это может показаться странным: объект влетает в гравитационное поле и ускоряется, затем вылетает из поля и тормозится. Скорость прилёта должна равняться скорости вылета. Откуда появляется дополнительная энергия?
Дополнительная энергия появляется потому, что есть третье тело – Солнце. При пролёте рядом с планетой космический аппарат обменивается с ней импульсом и энергией. Если при таком обмене гравитационная энергия планеты в поле Солнца уменьшается, то кинетическая энергия космического аппарата (КА) увеличивается, и наоборот.

Как должен пролететь мимо планеты КА, чтобы его скорость возросла? Ответить на этот вопрос нетрудно. Пусть КА пересечет орбиту планеты прямо перед ней. В этом случае, получив дополнительный импульс в направлении на планету, он передаст ей дополнительный импульс в противоположном направлении, то есть в направлении её движения. В результате планета перейдёт на чуть более высокую орбиту, и её энергия возрастёт. Энергия КА при этом, соответственно, уменьшится. Если же КА пересечёт орбиту позади планеты, то он, чуть-чуть притормозив её движение, переведёт планету на более низкую орбиту. Скорость КА при этом возрастёт.

Конечно, масса КА несоизмерима с массой планеты. Поэтому изменение орбитальных параметров планеты при гравитационном манёвре бесконечно малая величина, не поддающаяся измерению. Тем не менее, энергия планеты изменяется, и мы можем убедиться в этом, проведя гравитационный манёвр и увидев, что скорость КА изменяется. Вот, к примеру, как пролетел «Вояджер-2» вблизи Юпитера 9 июля 1979 года (см. рис.). При подлёте к Юпитеру скорость космического аппарата составляла 10 км/сек. В момент максимального сближения она увеличилась до 28 км/сек. А после того, как «Вояджер-2» вылетел из гравитационного поля газового гиганта, уменьшилась до 20 км/сек. Таким образом, в результате гравитационного манёвра скорость космического аппарата возросла в два раза и стал гиперболической. То есть превысила скорость, необходимую для вылета из Солнечной системы. На орбите Юпитера скорость вылета из Солнечной системы около 18 км/сек.

Из этого примера видно, что Юпитер (или другая планета) может разогнать какое-нибудь тело до гиперболической скорости. А значит, он может «выбросить» это тело из Солнечной системы. Может быть, современные космогонисты правы? Может быть, действительно планеты-гиганты выбросили ледяные глыбы на далёкие окраины Солнечной системы и, таким образом, сформировали кометное облако Оорта.
Прежде чем ответить на этот вопрос, посмотрим, на какие гравитационные манёвры способны планеты?

2. Принципы гравитационного манёвра

Впервые я познакомился с гравитационным манёвром в 9-м классе на краевой олимпиаде по физике. Задача была такая. С Земли стартует ракета со скоростью V (достаточна, чтобы вылететь из поля притяжения). У ракеты есть двигатель с тягой F , который может работать время t . В какой момент времени нужно включить двигатель, чтобы конечная скорость ракеты была максимальная? Сопротивлением воздуха пренебречь.

Сначала мне показалось, что не важно, когда включить двигатель. Ведь вследствие закона сохранения энергии, конечная скорость ракеты должна быть одинаковой в любом случае. Оставалось посчитать конечную скорость ракеты в двух случаях: 1. двигатель включаем в начале, 2. двигатель включаем после вылета из поля притяжения Земли. После чего сравнить результаты и убедиться, что конечная скорость ракеты в обоих случаях одинакова. Но потом я вспомнил, что мощность равна: сила тяги умножить на скорость. Поэтому мощность ракетного двигателя будет максимальна, если включить двигатель сразу на старте, когда скорость ракеты максимальна. Итак, правильный ответ: двигатель включаем сразу же, тогда конечная скорость ракеты будет максимальной.

И хотя я задачу решил правильно, но проблема осталась. Конечная скорость, а, значит, и энергия ракеты ЗАВИСИТ от того, в какой момент времени включить двигатель. Вроде бы явное нарушение закона сохранения энергии. Или нет? В чём тут дело? Энергия должна сохраняться! На все эти вопросы я пытался ответить уже после олимпиады.

Пусть у нас есть ракета массы М с двигателем, который создаёт тягу силой F . Поместим эту ракету в пустое пространство (вдали от звёзд и планет) и включим двигатель. С каким ускорением будет двигаться ракета? Ответ мы знаем из Второго закона Ньютона: ускорение a равно:

a = F/M

Теперь перейдём в другую инерциальную систему отсчёта, в которой ракета движется с большой скоростью, скажем, 100 км/сек. Чему равно ускорение ракеты в этой системе отсчёта?
Ускорение НЕ ЗАВИСИТ от выбора инерциальной системы отсчёта, поэтому оно будет ТЕМ ЖЕ САМЫМ:

a = F/M

Масса ракеты также не изменяется (100 км/сек это ещё не релятивистский случай), поэтому и сила тяги F будет ТОЙ ЖЕ САМОЙ. И, следовательно, мощность ракеты ЗАВИСИТ от её скорости. Ведь мощность равна силе, умноженной на скорость. Получается, что если ракета движется со скоростью 100 км/сек, то мощность её двигателя в 100 раз мощнее, чем ТОЧНО ТАКОГО ЖЕ двигателя, находящегося на ракете, движущейся со скоростью 1 км/сек.

На первый взгляд это может показаться странным и даже парадоксальным. Откуда берётся огромная дополнительная мощность? Энергия ведь должна сохраняться!

Давайте разберёмся в этом вопросе.

Ракета всегда движется на реактивной тяге: она выбрасывает в космос различные газы с высокой скоростью. Для определённости предположим, что скорость выброса газов 10 км/сек. Если ракета движется со скоростью 1 км/сек, то её двигатель разгоняет в основном не ракету, а ракетное топливо. Поэтому мощность двигателя по разгону ракеты не высока. А вот если ракета движется со скоростью 10 км/сек, то выброшенное топливо будет ПОКОИТЬСЯ относительно внешнего наблюдателя, то есть, вся мощность двигателя будет тратится на разгон ракеты. А если ракета движется со скоростью 100 км/сек? В этом случае выброшенное топливо будет двигаться со скоростью 90 км/сек. То есть, скорость топлива УМЕНЬШИТСЯ от 100 до 90 км/сек. И ВСЯ разность кинетической энергии топлива в силу закона сохранения энергии будет передана ракете. Поэтому мощность ракетного двигателя при таких скоростях значительно возрастёт.

Проще говоря, у быстро двигающейся ракеты её топливо обладает огромной кинетической энергией. И из этой энергии черпается дополнительная мощность для разгона ракеты. Теперь осталось сообразить, как это свойство ракеты можно использовать на практике.

3. Практическое применение

Предположим, в недалёком будущем вы собрались лететь на ракете в систему Сатурна на Титан:

чтобы исследовать анаэробные формы жизни.

Долетели до орбиты Юпитера и выяснилось, что скорость ракеты упала почти до нуля. Не рассчитали как следует траекторию полёта или топливо оказалось контрафактным. А может, метеорит попал в топливный отсек, и почти всё топливо было потеряно. Что делать?

У ракеты есть двигатель и остался небольшой запас горючего. Но максимум, на что способен двигатель – увеличить скорость ракеты на 1 км/сек. Этого явно недостаточно, чтобы долететь до Сатурна. И вот пилот предлагает такой вариант.

«Входим в поле притяжения Юпитера и падаем на него. В результате Юпитер разгоняет ракету до огромной скорости – примерно 60 км/сек. Когда ракета разгонится до этой скорости, включаем двигатель. Мощность двигателя при такой скорости возрастёт многократно. Затем вылетаем из поля притяжения Юпитера. В результате такого гравитационного манёвра скорость ракеты возрастает не на 1 км/сек, а значительно больше. И мы сможем долететь до Сатурна».

Но кто-то возражает.

«Да, мощность ракеты вблизи Юпитера возрастёт. Ракета получит дополнительную энергию. Но, вылетая из поля притяжения Юпитера, мы всю эту дополнительную энергию потеряем. Энергия должна остаться в потенциальной яме Юпитера, иначе будет что-то вроде вечного двигателя, а это невозможно. Поэтому пользы от гравитационного манёвра не будет. Только зря время потратим».

Что вы об этом думаете?

Итак, ракета находится недалеко от Юпитера и почти неподвижна относительно него. У ракеты есть двигатель с топливом, которого хватит, чтобы увеличить скорость ракеты только на 1 км/сек. Чтобы повысить КПД двигателя, предлагается совершить гравитационный манёвр: «уронить» ракету на Юпитер. Она будет двигаться в его поле притяжения по параболе (см. фото). И в самой низкой точке траектории (помечена красным крестиком на фото) включить двигатель. Скорость ракеты вблизи Юпитера составит 60 км/сек. После того, как двигатель её дополнительно разгонит, скорость ракеты возрастёт до 61 км/сек. Какая скорость будет у ракеты, когда она вылетит из поля притяжения Юпитера?

Эта задача по силам школьнику старших классов, если, конечно, он хорошо знает физику. Сначала нужно написать формулу для суммы потенциальной и кинетической энергий. Затем вспомнить формулу для потенциальной энергии в поле тяготения шара. Посмотреть в справочнике, чему равна гравитационная постоянная, а также масса Юпитера и его радиус. Используя закон сохранения энергии и произведя алгебраические преобразования, получить общую конечную формулу. И наконец, подставив в формулу все числа и проделав вычисления, получить ответ. Я понимаю, что никому (почти никому) не охота вникать в какие-то формулы, поэтому постараюсь, не напрягая вас никакими уравнениями, объяснить решение этой задачи «на пальцах». Надеюсь, получится!

Если ракета неподвижна, её кинетическая энергия равна нулю. А если ракета движется со скоростью 1 км/сек, то будем считать, что её энергия 1 единица. Соответственно, если ракета движется со скоростью 2 км/сек, то её энергия 4 единицы, если 10 км/сек, то 100 единиц и т.д. Это понятно. Половину задачи мы уже решили.

В точке, помеченной крестиком:

скорость ракеты 60 км/сек, а энергия 3600 единиц. 3600 единиц достаточно, чтобы вылететь из поля притяжения Юпитера. После разгона ракеты её скорость стала 61 км/сек, а энергия, соответственно, 61 в квадрате (берём калькулятор) 3721 единицы. Когда ракета вылетает из поля притяжения Юпитера, она тратит только 3600 единиц. Остаётся 121 единица. Это соответствует скорости (берём корень квадратный) 11 км/сек. Задача решена. Это не приближённый, а ТОЧНЫЙ ответ.

Мы видим, что гравитационный манёвр можно использовать для получения дополнительной энергии. Вместо того, чтобы разогнать ракету до 1 км/сек, её можно разогнать до 11 км/сек (энергия в 121 раз больше, КПД – 12 тысяч процентов!), если рядом будет какое-нибудь массивное тело вроде Юпитера.

За счёт чего мы получили ОГРОМНЫЙ энергетический выигрыш? За счёт того, что оставили израсходованное топливо не в пустом пространстве вблизи ракеты, а в глубокой потенциальной яме, созданной Юпитером. Израсходованное топливо получило большую потенциальную энергию со знаком МИНУС. Поэтому ракета получила большую кинетическую энергию со знаком ПЛЮС.

4. Поворот вектора скорости вблизи планеты

Предположим, мы пролетаем на ракете вблизи Юпитера и хотим увеличить её скорость. Но топлива у нас НЕТ. Скажем так, у нас есть немного топлива, чтобы подкорректировать свой курс. Но его явно недостаточно, чтобы заметно разогнать ракету. Можем ли мы заметно увеличить скорость ракеты, используя гравитационный манёвр?

В самом общем виде эта задача выглядит так. Мы влетаем в поле тяготения Юпитера с какой-то скоростью. Затем вылетаем из поля. Изменится ли наша скорость? И как сильно она может измениться? Давайте решим эту задачу.

С точки зрения наблюдателя, который находится на Юпитере (а точнее, неподвижен относительно его центра масс), наш манёвр выглядит так. Сначала ракета находится на большом расстоянии от Юпитера и движется к нему со скоростью V . Затем, приближаясь к Юпитеру, она разгоняется. Траектория ракеты при этом искривляется и, как известно, в самом общем виде представляет собой гиперболу. Максимальная скорость ракеты будет при минимальном сближении. Здесь главное – не врезаться в Юпитер, а пролететь рядом с ним. После минимального сближения ракета начнёт удаляться от Юпитера, а её скорость будет уменьшаться. Наконец, ракета вылетит из поля притяжения Юпитера. Какая у неё будет скорость? Точно такая же, как и была при влёте. Ракета влетела в гравитационное поле Юпитера со скоростью V и вылетела из него с точно такой же скоростью V . Ничего не изменилось? Нет изменилось. Изменилось НАПРАВЛЕНИЕ скорости. Это важно. Благодаря этому мы можем совершить гравитационный манёвр.

Действительно, для нас ведь важна не скорость ракеты относительно Юпитера, а её скорость относительно Солнца. Это так называемая гелиоцентрическая скорость. С такой скоростью ракета движется по Солнечной системе. Юпитер тоже движется по Солнечной системе. Вектор гелиоцентрической скорости ракеты можно разложить на сумму двух векторов: орбитальная скорость Юпитера (примерно 13 км/сек) и скорость ракеты ОТНОСИТЕЛЬНО Юпитера. Здесь нет ничего сложного! Это обычное правило треугольника для сложения векторов, которое изучают в 7-м классе. И этого правила ДОСТАТОЧНО, чтобы понять суть гравитационного манёвра.

У нас есть четыре скорости. V 1 – это скорость нашей ракеты относительно Солнца ПЕРЕД гравитационным манёвром. U 1 – это скорость ракеты относительно Юпитера ПЕРЕД гравитационным манёвром. U 2 – это скорость ракеты относительно Юпитера ПОСЛЕ гравитационного манёвра. По величине U 1 и U 2 РАВНЫ, но по направлению они РАЗНЫЕ. V 2 – это скорость ракеты относительно Солнца ПОСЛЕ гравитационного манёвра. Чтобы увидеть, как все эти четыре скорости связаны между собой, посмотрим на рисунок:

Зелёная стрелка АО – это скорость движения Юпитера по своей орбите. Красная стрелка АВ – это V 1: скорость нашей ракеты относительно Солнца ПЕРЕД гравитационным манёвром. Жёлтая стрелка ОВ – это скорость нашей ракеты относительно Юпитера ПЕРЕД гравитационным манёвром. Жёлтая стрелка ОС – это скорость ракеты относительно Юпитера ПОСЛЕ гравитационного манёвра. Эта скорость ДОЛЖНА лежать где-то на жёлтой окружности радиуса ОВ. Потому что в своей системе координат Юпитер НЕ МОЖЕТ изменить величину скорости ракеты, а может только повернуть её на некоторый угол (альфа). И наконец, АС – это то, что нам нужно: скорость ракеты V 2 ПОСЛЕ гравитационного манёвра.

Посмотрите, как всё просто. Скорость ракеты ПОСЛЕ гравитационного манёвра АС равна скорости ракеты ДО гравитационного манёвра АВ плюс вектор ВС. А вектор ВС это ИЗМЕНЕНИЕ скорости ракеты в системе отсчёта Юпитера. Потому что ОС – ОВ = ОС + ВО = ВО + ОС = ВС. Чем сильнее повернётся вектор скорости ракеты относительно Юпитера, тем эффективнее будет гравитационный манёвр.

Итак, ракета БЕЗ горючего влетает в поле притяжения Юпитера (или другой планеты). Величина её скорости ДО и ПОСЛЕ манёвра относительно Юпитера НЕ ИЗМЕНЯЕТСЯ. Но из-за поворота вектора скорости относительно Юпитера, скорость ракеты относительно Юпитера всё-таки изменяется. И вектор этого изменения просто прибавляется к вектору скорости ракеты ДО манёвра. Надеюсь, всё понятно объяснил.