Rumfartøjsflyvninger involverer et enormt energiforbrug. For eksempel vejer Soyuz løfteraket, der står på affyringsrampen og klar til at blive søsat, 307 tons, hvoraf mere end 270 tons er brændstof, det vil sige broderparten. Behovet for at bruge en vanvittig mængde energi på bevægelse i det ydre rum hænger i høj grad sammen med vanskelighederne ved at mestre solsystemets fjerne områder.
Desværre forventes der endnu ikke et teknisk gennembrud i denne retning. Mængden af drivmiddel er fortsat en af nøglefaktorerne i planlægningen af rummissioner, og ingeniører benytter enhver lejlighed til at spare brændstof for at forlænge enhedens drift. Tyngdekraftsmanøvrer er én måde at spare penge på.
Sådan flyver man i rummet, og hvad er tyngdekraften
Princippet med at flytte enheden i et vakuum (et miljø, hvorfra det er umuligt at skubbe af, hverken med en propel eller hjul eller noget andet) er det samme for alle typer raketmotorer fremstillet på Jorden. Dette er jet thrust. Tyngdekraften modarbejder kraften i en jetmotor. Denne kamp mod fysikkens love er vundetSovjetiske videnskabsmænd i 1957. For første gang i historien blev et apparat lavet af menneskehænder, efter at have opnået den første kosmiske hastighed (ca. 8 km/s), en kunstig satellit for planeten Jorden.
Det tog omkring 170 tons jern, elektronik, renset petroleum og flydende ilt at lancere en enhed, der vejer lidt over 80 kg i lav kredsløb om jorden.
Af alle universets love og principper er tyngdekraften måske en af de vigtigste. Det styrer alt, begyndende med arrangementet af elementarpartikler, atomer, molekyler og slutter med galaksers bevægelse. Det er også en hindring for udforskning af rummet.
Ikke kun brændstof
Selv før lanceringen af den første kunstige jordsatellit forstod forskerne klart, at ikke kun at øge størrelsen af raketter og deres motorers kraft kunne være nøglen til succes. Forskerne blev tilskyndet til at søge efter sådanne tricks af resultaterne af beregninger og praktiske tests, som viste, hvor brændstofforbrugende flyvninger uden for jordens atmosfære er. Den første beslutning af denne art for sovjetiske designere var valget af stedet for opførelsen af kosmodromen.
Lad os forklare. For at blive en kunstig jordsatellit skal raketten accelerere til 8 km/s. Men selve vores planet er i konstant bevægelse. Ethvert punkt på ækvator roterer med en hastighed på mere end 460 meter i sekundet. Således vil en raket, der sendes ind i det luftløse rum i området af nul-parallellen, i sig selv være dethar fri næsten en halv kilometer i sekundet.
Det er grunden til, at der i de brede vidder af USSR blev valgt et sted mod syd (den daglige rotationshastighed i Baikonur er omkring 280 m/s). Et endnu mere ambitiøst projekt med det formål at reducere virkningen af tyngdekraften på løfteraketten dukkede op i 1964. Det var den første marine kosmodrom "San Marco", samlet af italienerne fra to boreplatforme og placeret på ækvator. Senere dannede dette princip grundlaget for det internationale Sea Launch-projekt, som med succes opsender kommercielle satellitter den dag i dag.
Hvem var den første
Hvad med dybe rummissioner? Forskere fra USSR var pionerer i at bruge tyngdekraften af kosmiske kroppe til at ændre flyvevejen. Bagsiden af vores naturlige satellit blev, som du ved, først fotograferet af det sovjetiske Luna-1-apparat. Det var vigtigt, at enheden efter at have fløjet rundt om månen havde tid til at vende tilbage til Jorden, så den ville blive vendt mod den af den nordlige halvkugle. Efter alt skulle informationen (de modtagne fotografiske billeder) overføres til folk, og sporingsstationerne, radioantenneskåle var placeret præcist på den nordlige halvkugle.
Det lykkedes ikke mindre med succes at bruge gravitationsmanøvrer til at ændre rumfartøjets bane af amerikanske videnskabsmænd. Det interplanetariske automatiske rumfartøj "Mariner 10" måtte efter en forbiflyvning nær Venus reducere hastigheden for at gå ind i en lavere cirkumsolar bane ogudforske Merkur. I stedet for at bruge motorernes jettryk til denne manøvre, blev køretøjets hastighed bremset af Venus' gravitationsfelt.
Sådan virker det
I henhold til loven om universel gravitation, opdaget og bekræftet eksperimentelt af Isaac Newton, tiltrækker alle legemer med masse hinanden. Styrken af denne attraktion er let at måle og beregne. Det afhænger både af massen af begge legemer og af afstanden mellem dem. Jo tættere, jo stærkere. Desuden, når kroppe nærmer sig hinanden, vokser tiltrækningskraften eksponentielt.
Figuren viser, hvordan rumfartøjer, der flyver nær et stort kosmisk legeme (en eller anden planet), ændrer deres bane. Desuden ændres bevægelsesforløbet for enheden under nummer 1, der flyver længst væk fra det massive objekt, meget lidt. Hvad kan ikke siges om enhed nummer 6. Planetoiden ændrer sin flyveretning dramatisk.
Hvad er en gravitationsslynge. Sådan virker det
Brugen af tyngdekraftsmanøvrer gør det ikke kun muligt at ændre retningen af rumfartøjet, men også at justere dets hastighed.
Figuren viser banen for et rumfartøj, som norm alt bruges til at accelerere det. Funktionsprincippet for en sådan manøvre er enkelt: i den del af banen, der er fremhævet med rødt, ser det ud til, at enheden indhenter planeten, der løber væk fra den. Et meget mere massivt legeme trækker et mindre legeme med sin tyngdekraft og spreder det.
Forresten, ikke kun rumskibe accelereres på denne måde. Det er kendt, at himmellegemer, der ikke er bundet til stjernerne, strejfer rundt i galaksen med magt og hoved. Det kan både være relativt små asteroider (hvoraf den ene i øvrigt nu besøger solsystemet) og planetoider af anstændig størrelse. Astronomer mener, at det er gravitationsslyngen, dvs. påvirkningen af et større kosmisk legeme, der kaster mindre massive objekter ud af deres systemer og dømmer dem til evige vandringer i det isnende rum i det tomme rum.
Sådan sætter du farten ned
Men ved at bruge rumfartøjers gravitationsmanøvrer kan du ikke kun accelerere, men også bremse deres bevægelser. Skemaet for en sådan bremsning er vist på figuren.
På den sektion af banen, der er fremhævet med rødt, vil planetens tiltrækning, i modsætning til varianten med en gravitationsslynge, bremse enhedens bevægelse. Når alt kommer til alt, er tyngdekraftens vektor og skibets flyveretning modsatte.
Hvornår bruges det? Hovedsageligt til at opsende automatiske interplanetariske stationer ind i de undersøgte planeters kredsløb, samt til at studere nær-sol-områder. Faktum er, at når man bevæger sig mod Solen eller for eksempel mod planeten Merkur, der er tættest på stjernen, accelererer enhver enhed, hvis du ikke anvender foranst altninger til bremsning, villigt. Vores stjerne har en utrolig masse og en enorm tiltrækningskraft. Et rumfartøj, der har fået for høj hastighed, vil ikke være i stand til at komme ind i kredsløbet om Merkur, den mindste planet i solfamilien. Skibet vil bare glide igennemved, lille Mercury kan ikke trække det hårdt nok. Motorer kan bruges til bremsning. Men en gravitationsbane til Solen, for eksempel ved Månen og derefter Venus, ville minimere brugen af raketfremdrift. Det betyder, at der vil være behov for mindre brændstof, og den frigjorte vægt kan bruges til at rumme yderligere forskningsudstyr.
Få et nåleøje
Mens tidlige gravitationsmanøvrer blev udført frygtsomt og tøvende, er ruterne for de seneste interplanetariske rummissioner næsten altid planlagt med gravitationsjusteringer. Sagen er, at nu har astrofysikere, takket være udviklingen af computerteknologi, såvel som tilgængeligheden af de mest nøjagtige data om solsystemets kroppe, primært deres masse og tæthed, mere nøjagtige beregninger tilgængelige. Og det er nødvendigt at beregne tyngdekraftsmanøvren ekstremt nøjagtigt.
Så at lægge en bane længere fra planeten end nødvendigt er fyldt med det faktum, at dyrt udstyr slet ikke vil flyve, hvor det var planlagt. Og undervurdering af massen kan endda true skibets kollision med overfladen.
Champion i manøvrer
Dette kan selvfølgelig betragtes som det andet rumfartøj i Voyager-missionen. Enheden blev lanceret i 1977 og forlader i øjeblikket sit oprindelige stjernesystem og trækker sig tilbage i det ukendte.
Under dets drift besøgte apparatet Saturn, Jupiter, Uranus og Neptun. Under hele flyvningen virkede solens tiltrækning på den, hvorfra skibet gradvist bevægede sig væk. Men takket være velberegnet gravitationmanøvrer, for hver af planeterne faldt dens hastighed ikke, men voksede. For hver planet, der blev udforsket, blev ruten bygget efter princippet om en gravitationsslynge. Uden anvendelsen af gravitationskorrektion ville Voyager ikke have været i stand til at sende det så langt.
Udover Voyagers er tyngdekraftsmanøvrer blevet brugt til at starte så velkendte missioner som Rosetta eller New Horizons. Så før Rosetta gik på jagt efter Churyumov-Gerasimenko-kometen, lavede hun så mange som 4 accelererende gravitationsmanøvrer nær Jorden og Mars.
