물체를 가속시키는 중력 조종 물체를 감속시키는 중력 조종 천체의 중력장의 영향을 받아 우주선의 중력 조종 가속, 감속 또는 비행 방향 변경.... ... Wikipedia
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장 천체 역학, 인공의 움직임을 연구 우주의 몸: 인공위성, 행성 간 스테이션 및 기타 우주선. 천체 역학 작업의 범위에는 우주선 궤도 계산, 매개변수 결정이 포함됩니다... ... Wikipedia
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그리고 두 몸체의 등전위면 라그랑주 점, 해방점(위도 librātiō 스윙) 또는 L 점 ... Wikipedia
서적
- 그림과 사진으로 만나는 20세기의 것들. 우주로 나아가다! 발견과 성과. 2권의 세트, . "앞으로, 우주로! 발견과 성취" 인간은 고대부터 땅에서 내려 하늘을 정복하고 우주를 정복하는 꿈을 꾸었습니다. 백여 년 전에 발명가들은 이미 창조에 대해 생각하고 있었습니다...
- 우주로 가자! 발견 및 업적, Klimentov Vyacheslav Lvovich, Sigorskaya Yulia Aleksandrovna. 인간은 고대부터 땅을 벗어나 하늘을 정복하고 우주를 정복하는 꿈을 꾸어왔습니다. 100여년 전, 발명가들은 이미 우주선을 만들 생각을 하고 있었지만 우주의 시작은...
보이저 우주선은 지구에서 가장 멀리 떨어진 인공 물체입니다. 목성과 토성에 대한 연구라는 주요 목표를 오래 전에 완료하여 40년 동안 우주를 돌진해 왔습니다. 유명한 태양계의 먼 행성의 사진창백한 파란색 점그리고 지구에 대한 정보가 담긴 황금 디스크인 "가족 사진"은 모두 보이저호와 세계 우주 비행의 역사에서 영광스러운 페이지입니다. 그러나 오늘 우리는 유명한 장치에 대한 찬송을 부르지 않고 40년 간의 비행이 이루어지지 않았을 기술 중 하나를 분석할 것입니다. 만나보세요: 폐하 중력 기동.
네 가지 중 가장 적게 연구된 중력 상호 작용은 모든 우주 탐사의 분위기를 설정합니다. 우주선을 발사할 때 주요 비용 항목 중 하나는 지구의 중력장을 극복하는 데 필요한 힘의 비용입니다. 그리고 우주선의 탑재량 1g은 로켓의 추가 연료입니다. 이는 역설적인 것으로 밝혀졌습니다. 더 많은 연료를 섭취하려면 더 많은 연료가 필요하며 무게도 무겁습니다. 즉, 질량을 늘리려면 질량을 늘려야 합니다. 물론 이것은 매우 일반화된 그림이다. 실제로 정확한 계산을 통해 필요한 하중을 취하고 필요에 따라 늘릴 수 있습니다. 그러나 Sheldon Cooper가 말했듯이 중력은 여전히 무정하고 에헴, 개년입니다.
자주 발생하는 것처럼 모든 현상에는 이중 특성이 있습니다. 중력과 우주 비행의 관계에도 동일하게 적용됩니다. 인간은 행성의 중력을 이용하여 우주 비행에 도움을 주었고 이로 인해 Voyager는 쟁기질했습니다. 성간 공간 40년 동안 연료를 낭비하지 않았습니다.
중력 기동이라는 아이디어를 누가 처음으로 생각해 냈는지는 알려져 있지 않습니다. 생각해 보면, 별이 총총한 남쪽 밤에 혜성이 행성을 지나갈 때 궤적과 속도가 어떻게 변하는지 관찰했던 이집트와 바빌론의 최초의 천문학자들에게로 돌아갈 수 있습니다.
중력 기동에 대한 최초의 공식화 된 아이디어는 이론적 우주 비행 시대 인 1920-30 년대 Friedrich Arturovich Zander와 Yuri Vasilyevich Kondratyuk의 입에서 나왔습니다. Yuri Vasilievich Kondratyuk(실명 Alexander Ivanovich Shargei)는 Tsiolkovsky와는 별도로 산소-수소 연료를 사용하여 행성 대기를 제동에 사용하도록 제안한 로켓 설계를 직접 만든 뛰어난 소련 엔지니어이자 과학자입니다. 천체에 착륙하기 위한 하강 차량은 나중에 NASA에서 다음 용도로 사용되었습니다. 달 탐사. 프리드리히 잰더(Friedrich Zander)는 기원에 섰던 사람들 중 한 명입니다. 국내 우주 비행사. 그는 최초의 액체 연료 로켓 프로토타입을 제작한 열정적인 엔지니어 커뮤니티인 로켓 추진 연구 그룹인 GIRD의 회원이었으며 몇 년 동안 의장을 맡았습니다. 물질적 이해관계가 전혀 없기 때문에 GIRD는 때때로 농담으로 무료로 일하는 엔지니어 그룹으로 해석되었습니다.
유리 바실리예비치 콘드라티우크
출처: wikimedia.org
Kondratyuk과 Zander의 제안과 중력 조종의 실제 구현 사이에는 약 50년이 흘렀습니다. 중력에 의해 가속된 최초의 장치를 정확하게 식별하는 것은 불가능합니다. 미국인들은 그것이 1974년의 매리너 10호였다고 주장합니다. 우리는 그것이 1959년의 루나 3호였다고 말합니다. 이것은 역사의 문제이지만 중력 조종이란 무엇입니까?
중력 조작의 본질
평범한 집 마당에 있는 평범한 회전목마를 상상해 보세요. 그런 다음 정신적으로 시간당 xkm의 속도로 회전시킵니다. 그런 다음 고무공을 손에 들고 시속 약 10km의 속도로 회전하는 회전목마에 던집니다. 머리 조심하세요! 그리고 우리는 결국 무엇을 얻나요?
여기서 총 속도는 절대적으로 결정되는 것이 아니라 관찰 지점을 기준으로 결정된다는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 회전목마와 여러분의 위치에서도 공은 x+y 속도(회전목마와 공의 총 속도)로 회전목마에서 튕겨 나옵니다. 따라서 회전목마는 운동 에너지(또는 운동량)의 일부를 공에 전달하여 공을 가속시킵니다. 더욱이 회전목마에서 손실된 에너지의 양은 공으로 전달된 에너지의 양과 같습니다. 그러나 회전 목마는 크고 주철이고 공은 작고 고무이기 때문에 공은 옆으로 빠른 속도로 날아가고 회전 목마는 약간만 느려집니다.
이제 상황을 우주로 옮겨보자. 평범한 목성을 상상해보십시오. 태양계. 그런 다음 정신적으로 긴장을 풀어보세요... 하지만 잠깐, 이렇게 할 필요는 없습니다. 목성을 상상해 보세요. 우주선이 그곳을 지나며 거인의 영향을 받아 궤도와 속도를 변경합니다. 이 변화는 쌍곡선으로 설명할 수 있습니다. 즉, 접근할 때 속도가 먼저 증가하고 멀어질수록 속도가 감소합니다. 잠재적인 목성 거주자의 관점에서 볼 때, 우리 우주선은 단순히 방향을 바꾸는 것만으로 원래 속도로 돌아왔습니다. 그러나 우리는 행성이 태양을 중심으로, 심지어 빠른 속도로 회전한다는 것을 알고 있습니다. 예를 들어 목성의 속도는 13km/s입니다. 그리고 장치가 지나갈 때 목성은 중력으로 장치를 붙잡고 함께 운반하여 이전보다 더 빠른 속도로 앞으로 던집니다! 이것은 태양 주위의 이동 방향을 기준으로 행성 뒤로 날아가는 경우입니다. 그 앞으로 날아가면 그에 따라 속도도 떨어집니다.
중력 기동. 출처: wikimedia.org
이 패턴은 물매에서 돌을 던지는 것을 연상시킵니다. 따라서 이 기동의 또 다른 이름은 "중력 슬링"입니다. 행성의 속도와 질량이 클수록 중력장에 대해 더 많이 가속하거나 감속할 수 있습니다. 소위 Orbet 효과라는 약간의 트릭도 있습니다.
Hermann Orbet의 이름을 따서 명명된 이 효과는 매우 일반적인 용어로 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 고속으로 움직이는 제트 엔진은 더 많은 것을 발생시킵니다. 유용한 일천천히 움직이는 같은 것보다. 즉, 우주선의 엔진은 중력이 가장 많이 당기는 궤도의 "가장 낮은" 지점에서 가장 효율적입니다. 이 순간에 전원을 켜면 중력체에서 멀리 떨어진 곳에서 받는 것보다 연소된 연료로부터 훨씬 더 큰 충격을 받게 됩니다.
이 모든 것을 합치면 매우 좋은 가속을 얻을 수 있습니다. 예를 들어 자체 속도가 13km/s인 목성은 이론적으로 우주선을 42.7km/s, 토성은 25km/s, 작은 행성인 지구와 금성은 7~8km/s 가속할 수 있습니다. . 여기에서 상상력이 즉시 켜집니다. 이론적 내화 장치를 태양을 향해 발사하고 그로부터 멀어지면 어떻게 될까요? 실제로 이것은 태양이 질량 중심을 중심으로 회전하기 때문에 가능합니다. 하지만 좀 더 폭넓게 생각해 봅시다. McConaughey의 영웅이 Interstellar에서 Gargantua(블랙홀)를 지나갔듯이 우리가 중성자별을 지나간다면 무슨 일이 일어날까요? 빛의 속도의 약 1/3의 가속도가 발생합니다. 따라서 우리가 마음대로 사용할 수 있는 적합한 선박과 중성자별이 있다면 그러한 투석기는 단 12년 만에 프록시마 센타우리 지역으로 선박을 발사할 수 있습니다. 하지만 이것은 여전히 엉뚱한 환상일 뿐이다.
보이저 기동
기사 서두에서 우리는 보이저호에게 찬송을 부르지 않겠다고 말했을 때, 나는 거짓말을 하고 있었습니다. 올해로 40주년을 맞이한 인류의 가장 빠르고 가장 먼 장치는 언급할 가치가 있다는 점에 동의하실 것입니다.
중력 조종 덕분에 먼 행성으로 가는 아이디어가 가능해졌습니다. 중력 새총의 효과를 계산하고 JPL 교수들에게 60년대에 사용 가능한 기술로도 먼 행성으로 날아갈 수 있다고 설득한 당시 UCLA 대학원생 마이클 미노비치(Michael Minovich)는 말할 것도 없고 불공평할 것입니다.
목성의 보이저 사진
20세기 초, 근본적인 타당성이 확보되던 시기 우주 비행과학적으로 입증되었으며 가능한 궤적에 대한 첫 번째 생각이 나타났습니다. 지구에서 다른 행성으로 직선 비행하는 것은 에너지적으로 매우 불리합니다. 1925년 독일 엔지니어 Walter Hohmann은 궤적이 초기 및 최종 궤도에 접하는 "반" 타원일 때 두 원형 궤도 사이의 비행에 필요한 최소 에너지가 달성된다는 것을 보여주었습니다. 이 경우 우주선 엔진은 전이 타원의 근지점과 원점(지구 근처 공간에 대해 이야기하는 경우)에서 두 개의 펄스만 생성해야 합니다. 이 방식은 예를 들어 정지 궤도로 발사할 때 널리 사용됩니다. 행성 간 비행에서는 궤도의 초기 부분과 마지막 부분에서 각각 지구와 목적지 행성의 중력을 고려해야 하기 때문에 작업이 다소 복잡합니다. 그럼에도 불구하고 금성과 화성으로의 비행은 호만 궤도에 가까운 궤도에서 이루어집니다.
아마도 보다 복잡한 공간 탐색 기술의 첫 번째 예는 이중 타원 궤도일 수 있습니다. 최초의 이론가 중 한 명인 우주비행사 아리 아브라모비치 스턴펠트(Ari Abramovich Sternfeld)가 입증했듯이, 이 장치는 경사도가 다른 원형 궤도 사이에서 위성을 이동하는 데 최적입니다. 궤도면을 변경하는 것은 우주 비행에서 가장 비용이 많이 드는 작업 중 하나입니다. 예를 들어, 60도 회전하려면 장치가 이미 궤도에서 움직이는 것과 동일한 속도를 추가해야 합니다. 그러나 다르게 수행할 수 있습니다. 먼저 가속 충격을 발행하여 장치가 높은 원지점을 가진 매우 긴 궤도로 이동하도록 합니다. 최고점에서는 속도가 매우 낮고 상대적으로 적은 연료 비용으로 이동 방향이 변경됩니다. 동시에 크기의 속도를 약간 변경하여 근지점 고도를 조정할 수 있습니다. 마지막으로, 길쭉한 타원의 하단 지점에 제동 충격이 주어져 장치가 새로운 원형 궤도로 이동합니다.
"높은 원지점 궤도 간 이동"이라고 불리는 이 기동은 처음에는 발사 지점의 위도와 동일한 적도 기울기를 갖는 낮은 궤도로 발사된 후 정지 궤도로 이동되는 정지 궤도 위성을 발사할 때 특히 관련이 있습니다. 기울기가 0인 경우). 이중 타원 궤적을 사용하면 연료를 크게 절약할 수 있습니다.
중력 기동
현대 기술 능력을 갖춘 많은 행성 간 임무는 이국적인 항법 기술에 의지하지 않고는 실현 가능하지 않습니다. 사실 화학 로켓 엔진에서 작동 유체가 유출되는 속도는 약 3km/s입니다. 또한 Tsiolkovsky 공식에 따르면 3km/s의 추가 가속마다 시작 질량이 3배로 증가합니다. 우주 시스템. 호만 궤적을 따라 낮은 지구 궤도(속도 8km/s)에서 화성까지 이동하려면 약 3.5km/s, 목성 - 6km/s, 명왕성 - 8-9km/s의 속도가 필요합니다. 먼 행성으로 비행하는 동안의 탑재량은 궤도로 발사된 질량의 몇 퍼센트에 불과하며, 결과적으로 로켓 발사 질량의 몇 퍼센트에 불과한 것으로 밝혀졌습니다. 이것이 바로 600톤짜리 타이탄 IIIE 로켓에 의해 700kg짜리 보이저호가 목성을 향해 발사된 이유입니다. 그리고 목표가 행성 주위의 궤도에 진입하는 것이라면 제동을 위한 연료 공급이 필요해지고 발사 질량은 더욱 증가합니다.
그러나 탄도학 전문가들은 포기하지 않습니다. 연료를 절약하기 위해 발사 시 극복해야 할 에너지의 상당 부분을 차지하는 동일한 중력을 조정했습니다. 중력 또는 전문적인 언어교란 기동에는 사실상 연료 소비가 필요하지 않습니다. 필요한 것은 충분히 강한 중력과 임무 목적에 적합한 위치를 갖춘 비행 경로 근처에 천체가 존재하는 것뿐입니다. 천체에 접근할 때 우주선은 중력장의 영향을 받아 가속하거나 감속합니다. 여기에서 주의 깊은 독자는 행성의 중력에 의해 가속된 장치가 행성에 접근한 후에는 속도도 느려지는 것을 알 수 있습니다. 천체결과적으로 가속이 없을 것입니다. 실제로 "중력 슬링"으로 사용되는 행성에 대한 상대 속도의 크기는 변하지 않습니다. 하지만 그녀는 방향을 바꿀 것입니다! 그리고 태양 중심의 (태양과 관련된) 기준 틀에서 속도는 방향뿐만 아니라 크기에서도 변하는 것으로 나타났습니다. 왜냐하면 속도는 행성에 대한 차량의 속도와 적어도 부분적으로 구성되기 때문입니다. 태양에 대한 행성 자체의 속도. 이런 방식으로 연료를 낭비하지 않고 행성간 정거장의 운동에너지를 바꾸는 것이 가능하다. 태양계의 먼 외행성으로 비행할 때 중력 기동은 가속을 위해 사용되며, 반대로 내부 행성에 대한 임무에서는 태양 중심 속도를 약화시키는 데 사용됩니다.
방해와 수정 |
사진에서 행성 간 비행의 궤적은 매우 단순해 보입니다. 지구에서 스테이션은 타원형 호를 따라 이동하며 그 끝은 행성에 접해 있습니다. 태양 주위 궤도의 타원율은 케플러의 제1법칙에 의해 결정됩니다. 초등학생도 계산할 수 있지만 실제 우주선이 발사되면 목표를 수천 킬로미터 놓칠 것입니다. 사실은 태양 외에도 장치의 움직임이 그 주위를 공전하는 행성의 중력에 의해 영향을 받는다는 것입니다. 따라서 복잡한 수치 모델링을 통해서만 몇 달, 심지어 몇 년의 비행 후 장치가 어디로 갈지 정확하게 계산할 수 있습니다. 장치의 초기 위치와 속도가 설정되고, 행성이 장치에 상대적으로 위치하는 방식과 그 부분에 어떤 힘이 작용하는지가 결정됩니다. 이는 짧은 시간(예: 한 시간 후) 후 장치의 위치와 속도가 어떻게 변하는지 계산하는 데 사용됩니다. 그런 다음 계산주기가 반복되므로 전체 궤적이 단계별로 계산됩니다. 대부분의 경우, 정확히 가야 할 곳으로 끝나지 않을 것입니다. |
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중력 기동에 대한 아이디어는 1920-1930년대에 Friedrich Arturovich Zander와 Yuri Vasilyevich Kondratyuk에 의해 처음 표현되었습니다. 공식적으로 이러한 기동은 1974년 미국 마리너 10호(Mariner 10)에 의해 수행된 것으로 알려져 있으며, 금성 근처를 비행한 후 수성으로 향했습니다. 그러나 미국의 우월성은 최초의 중력 기동을 1959년 소련 관측소 루나 3호(Luna-3)에 의해 수행된 달의 비행으로 간주하는 러시아 우주 역사가들에 의해 논쟁의 여지가 있다. 뒷면우리의 자연 위성.
목성은 우리를 도울 것입니다
많은 행성 간 탐사선은 가속을 위해 목성의 중력을 사용했습니다. 첫 번째는 파이오니어 10호와 파이오니어 11호였으며, 보이저 1호와 보이저 2호가 그 뒤를 이었습니다. 1992년에 목성은 태양의 극지방을 탐사하는 탐사선인 율리시스(Ulysses)가 지구와 거의 수직인 궤도를 따라 회전하는 황도면을 벗어나도록 도왔습니다. 현재 개발 수준에서 장치를 이러한 궤도에 넣는 또 다른 방법 우주 기술그것은 단순히 불가능합니다. 2006년 1월 19일 미국이 명왕성으로 발사한 뉴 호라이즌스 탐사선은 목성에서도 교란 작전을 수행했습니다. 속도를 4km/s 높이고 황도면에서 2.5도 벗어나면 명왕성(금세기에 태양으로부터 멀어지고 있음)의 대기가 얼기 시작하기 전인 2015년에 목표에 도달할 수 있습니다. 미래탐구의 가치 .
물론 중력 기동을 하려면 발사 날짜를 매우 정확하게 유지해야 한다. 탄도 전문가들은 "발사 창"이라는 개념을 사용합니다. 이는 계획된 중력 기동의 효과가 최대가 되는 날짜 간격입니다. "창"의 가장자리에 가까울수록 효과는 더 작아지고 연료의 필요성은 더 커집니다. 경계를 넘어서면 항공사는 장치를 원하는 궤도로 발사할 수 없으며, 이로 인해 비행이 실패하거나 비행 시간이 허용할 수 없을 정도로 증가하게 됩니다. 예를 들어, New Horizons의 발사는 날씨와 기술적인 이유로 반복적으로 연기되었습니다. 발사가 며칠 더 지연되었다면 탐사선은 목성의 "중력 지원"에 의존하지 않고 성공 가능성도 더 낮아진 채 출발했을 것입니다. 거대 행성 주위에서 기동을 수행하는 것이 가장 편리합니다. 질량이 크기 때문에 넓고 부드러운 원호로 회전할 수 있으며 탐색 정확도에 대한 요구 사항은 매우 온화합니다. 그러나 금성, 지구, 화성, 심지어 달도 종종 "슬링"으로 사용됩니다. 여기서 실수하면 안 됩니다. 그렇지 않으면 장치가 계획했던 것과 완전히 다른 방향으로 행성을 떠날 것입니다.
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ISEE-3/ICE 탐사선은 라그랑주 지점 L1 주위의 궤도에서 4년(1978-1982) 동안 태양을 연구한 후 지구와 달 근처의 복잡한 중력 기동을 통해 Giacobini-Zinner 혜성을 만나도록 보내졌습니다. 1985) 및 Halley(1986). 탐사선은 2012년 지구로 귀환할 예정이다. 쌀. NASA |
발사 창은 계획된 중력 기동의 효율성이 최대가 되는 날짜 간격입니다. |
중력 기동에 의지하지 않는다면 지구의 궤도와 목적지 행성에 닿는 호만 타원은 가장 경제적인 행성 간 궤적입니다. 호만 궤도를 따라 화성까지 비행하는 데는 약 240~280일이 소요되고, 금성까지 비행하는 데는 약 150일이 소요됩니다. |
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우주 그라브서핑
가장 어려운 일이지만 그렇기 때문에 흥미로운 일입니다! - 하나가 아닌 여러 천체에 대한 교란 기동이 있는 궤적. 예를 들어, 갈릴레오 관측소는 목성에 도달하기 위해 금성의 중력장에서 중력 기동을 수행한 다음 지구 근처에서 두 번 더 수행했습니다. 이러한 비행은 항상 가능한 것은 아니지만 특정 행성 배열에서만 가능합니다. 가장 유명한 "그랜드 투어"는 목성, 토성, 천왕성 및 해왕성 근처를 연속적으로 비행 한 보이저 2호에 의해 만들어졌습니다. 쌍둥이 보이저 1호(Voyager 1)도 비슷한 경로를 택할 수 있었지만 과학자들은 토성의 신비한 위성인 타이탄(Titan)을 자세히 관찰하기로 결정했고 그 중력으로 인해 정거장의 궤도가 천왕성에서 멀어지는 방향으로 되돌릴 수 없게 되었습니다. 어렵지만 옳은 결정이었습니다. 24년 후 호이겐스 탐사선이 타이탄에 착륙할 수 있게 된 것은 보이저 2호의 데이터였습니다.
오늘날에는 MESSENGER 스테이션에서 훨씬 더 복잡한 비행이 수행됩니다. 주요 임무는 수성의 특성에 대한 자세한 연구를 위해 수성 주위의 궤도에 진입하는 것입니다. 7년이 걸릴 것으로 계획된 이번 임무는 2008년 1월 최종 단계에 돌입했다. 이 장치는 이미 네 가지 중력 조작을 수행했습니다. 하나는 지구 근처, 두 개는 금성 근처, 다른 하나는 수성 근처에 있으며, 그 사이에서 엔진은 매번 행성의 중력 "깔때기"에 올바르게 들어가기 위해 조종되었습니다. 메신저는 태양에 가장 가까운 행성의 위성이 되기 전에 5번의 조작(중력 2번, 엔진 3번)을 더 수행해야 합니다. 이 기간 동안 그것은 명왕성보다 더 많은 태양 주위의 80억 킬로미터를 "감쌀" 것입니다! 그러나 궤적이 그렇게 복잡하지 않다면 현재 상태로켓과 우주 기술이 없었다면 이 비행은 전혀 일어날 수 없었을 것입니다.
라그랑쥬의 계단 |
수정과 중력 조작에도 불구하고 대부분의 행성 간 관측소의 궤도는 여전히 고전적인 타원호와 쌍곡선에 가깝습니다. 그러나 최근에는 천체 항해사들이 동시에 두 천체의 인력을 동등하게 고려해야 하는 공간 영역에 있는 훨씬 더 정교한 궤적을 점점 더 많이 사용하고 있습니다. |
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작은 몸에 매력이 거의 없음
그러나 중력 조종이 연료를 절약하는 유일한 방법은 아닙니다. 1930년대에 국내 로켓 엔진 제작의 선구자 중 한 명인 Valentin Petrovich Glushko가 전기 로켓 엔진(EP)의 사용을 제안했습니다. 기존 액체 추진 로켓 엔진(LPRE)에 비해 작동 유체 유량이 훨씬 더 높기 때문에 연료가 수백 배 더 적게 필요합니다. 불행하게도 전기 추진 엔진의 추력은 몇 그램의 힘으로 계산되므로 차량을 궤도에 진입시키는 데 적합하지 않습니다. 이것은 몇 달 동안 느리지만 지속적인 가속을 위해, 그리고 몇 년 동안 행성 간 비행을 위해 설계된 "외계 엔진"입니다. "저추력 임무"는 우주선의 서비스 수명을 몇 달에서 몇 년, 심지어 수십 년으로 연장하기 위해 전자 장치가 크게 도약했을 때만 인기를 얻었습니다.
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낮은 추력 비행 경로는 고전적인 타원과 전혀 같지 않습니다. 천천히 펼쳐지는 아르키메데스 나선을 나타냅니다. 이러한 궤적을 따라 낮은 지구 궤도에서 정지 궤도로 전환하는 데는 6개월이 걸립니다. 이것은 우주 통신 서비스를 판매하는 위성 소유자에게 진정한 고문입니다. 매일 대기하는 데 드는 비용은 수만 달러입니다. 우리는 또한 지구의 방사선 벨트를 통과하는 여러 번의 비행과 같은 불쾌한 상황을 고려해야 합니다. 정밀 전자제품은 우주 방사선을 정말 좋아하지 않습니다. 그러나 반면, 전기 추진 엔진을 장착한 위성은 소유즈 로켓(300톤)으로 정지궤도에 발사할 수 있는 반면, 기존 액체 추진 엔진을 장착한 차량에는 이미 강력한 프로톤(700톤)이 필요합니다. 발사 비용의 차이는 2~3배입니다. 그래서 우주선 고객은 머리를 긁적입니다. 어떤 옵션을 선택해야 할까요? 일반적으로 그들은 여전히 더 빠른 것에 안착합니다. 현대 통신 위성은 목표 궤도에 발사된 후 2주 이내에 발사에 소비된 비용을 "회수"하기 시작합니다. 따라서 지구 근처 우주에서는 저추력 엔진이 주로 작은 궤도 수정에 사용됩니다.
또 다른 것은 소행성으로의 비행입니다. 전기 추진 엔진을 사용하면 행성 간 스테이션을 한 물체에서 다른 물체로 상대적으로 쉽게 이동할 수 있으며 단순히 지나갈 뿐만 아니라 각 물체에 오랫동안 머무를 수 있습니다. 소행성은 행성에 비해 질량이 작기 때문에 중력을 무시할 수 있습니다. 그들의 비행은 큰 행성 주위의 일반적인 궤도 운동과 거의 유사하지 않습니다. 여기서 궤도 속도는 초당 센티미터 단위로 측정되며 주기는 며칠 단위로 측정됩니다. 소행성 주위를 더 빠르게 비행하려면 거의 지속적으로 "엔진을 사용하여 작업"해야 합니다. 끄면 장치는 소행성에서 멀리 날아갈 것입니다. 그러나 중력이 거의 없기 때문에 최소한의 연료 소비로 소행성 표면에 착륙하고 이륙할 수 있습니다.
전반적으로 "착륙"이라는 단어는 여기서 조건부로만 사용할 수 있습니다. 소행성에 대한 행성 간 탐사선의 계류는 행성 표면에 대한 고전적인 착륙보다 두 우주선의 도킹을 더 연상시킵니다. 이 트릭은 일본인이 하야부사 탐사선을 사용하여 수행했는데, 이 탐사선은 이토카와 소행성 표면으로 두 번 내려갔다가 상승했습니다. 그건 그렇고, 이 같은 비행은 소행성 표면 근처에서 차량을 제어하는 것이 얼마나 어려운지 보여주었습니다. 장치와의 신호 교환에는 수십 분이 소요되므로 느린 속도에도 불구하고 실시간으로 명령을 내리는 것은 불가능합니다. 따라서 고르지 않은 소행성 표면 근처에서 자율 항법을 테스트하는 것이 하야부사의 주요 임무 중 하나였습니다.
2007년 9월 소행성 세레스(Ceres)와 베스타(Vesta)를 향해 발사된 미국 탐사선 던(Dawn)은 추력이 뉴턴(10면 하중의 무게)의 10분의 1 미만인 이온 엔진을 갖추고 있습니다. 하루 작업 동안 그들은 약 1톤 무게의 차량을 25km/h로 가속합니다. 이는 보이는 것만큼 적은 것이 아닙니다. 비슷한 속도로 1년에 2.5km/s를 얻을 수 있습니다. 탑재된 연료의 전체 공급량(425kg)은 차량의 속도를 10km/s만큼 변경하는 데 충분합니다. 이는 화학 엔진을 갖춘 행성 간 우주선에서는 불가능합니다.
행성 엔진
예를 들어 사람들로 구성된 승무원을 토성 시스템에 보내기로 마침내 결정되었다고 상상하고 상상해 봅시다. 높은 추력으로 빠른 비행을 선택할 수 있습니다. 행성 간 선박을 조립할 수 있습니다. 낮은 지구 궤도, 액체 추진 로켓 엔진을 사용하여 강력한 가속 추진력을 전달하고 과장법으로 여행을 떠나십시오. 비행하는 데는 여전히 오랜 시간이 걸립니다. 몇 년이 걸립니다. 필요한 연료의 양은 엄청납니다. 이는 거대한 함선을 장착하려면 12개 이상의 초중형 미사일이 필요하다는 것을 의미합니다. 행성 간 비행에 필요한 산소, 물, 음식 및 모든 공급은 지구 근처의 가속뿐만 아니라 여행 목적지에서의 제동에도 필요한 엄청난 양의 연료를 배경으로 손실됩니다. 고향 행성으로 돌아가는 중..
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로우 데드리프트를 시도한다면 어떨까요? 엄청나게 많은 양의 연료가 크게 줄어들고 이상하게도 이동 시간은 동일하게 유지될 수 있습니다! 결국 선박의 엔진은 전체 방식으로 작동합니다. 절반은 가속되고 절반은 감속됩니다. 사실, 전기 추진 엔진의 추력은 자리야 탐사선의 추력에 비해 수백 배 증가해야 합니다. 그러나 첫째, 이러한 개발은 이미 진행 중이고, 둘째, 많은 엔진이 있을 수 있습니다.
전기 추진 엔진에 전력을 공급하려면 수 메가와트의 에너지가 필요합니다. 지구 근처에서는 수만은 아니더라도 수천 면적의 거대한 태양 전지판에서 무료로 얻을 수 있습니다. 평방미터. 그러나 태양으로부터의 거리에 따라 효율성은 빠르게 감소합니다. 화성의 경우 60%, 목성의 경우 30배. 따라서 거대한 행성으로 비행하려면 다음을 사용해야 합니다. 원자로. 그러나 지구 근처의 위험한 방사선 벨트를 빠르게 통과하려면 액체 로켓 엔진이 여전히 필요할 것입니다. 분명히 미래의 행성 간 유인 임무에 사용될 것은 복합 추진 시스템입니다.
중력뿐만 아니라
딥 스페이스많은 미스터리로 가득 차 있습니다. 천체 역학의 법칙에 기초한 탄도 계산보다 더 정확한 것이 무엇일까요? 그렇지 않아요! 우주 탐사선에는 미리 설명하기 어려운 많은 힘이 작용하고 있습니다. 태양 복사압과 태양풍, 자기장행성 및 장치 자체에서 가스 유출-이 모든 것이 이동 속도에 영향을 미칩니다. 심지어 열복사지향성이 높은 안테나를 통해 지구로 전송된 프로브와 무선 신호는 반동을 유발하므로 정확한 항법을 위해서는 이 점을 고려해야 합니다. 그리고 이미 언급된 '개척자'들에게 무슨 일이 일어났는지는 아직 제대로 설명되지 않았습니다. NASA에서 일하는 러시아 천체 물리학자 Vyacheslav Turyshev는 약 10년 전에 탐사선에서 비정상적인 제동이 거의 발생하지 않는다는 사실을 발견했습니다. 20년간의 비행 동안 파이오니어 이상 현상으로 인해 우주선은 태양계 경계에 접근하면서 계산된 위치에서 40만 킬로미터나 벗어났습니다! 이상 현상을 설명하기 위해 제시되지 않은 가설은 무엇입니까? 이미 언급한 자기장과 연료 라인의 잔여 연료 증발부터 태양계 경계에 있는 눈에 보이지 않는 거대한 물체의 존재까지. 일부 물리학자들은 이상 현상을 부정확성의 징후로 간주합니다. 현대 이론중력, 다른 사람들은 그것을 암흑 물질과 같은 우주론적 요인의 발현으로 본다. 암흑 에너지. 아직 포괄적인 설명은 없으며 Turyshev 그룹은 Pioneer 비행에 대한 데이터를 계속 처리하고 있습니다. 그러나 행성 간 비행의 새로운 궤적을 설계할 때 그러한 예상치 못한 현상이 발생할 가능성을 고려해야 합니다.
일반적으로 우주 탄도학자의 작업은 예술과 정밀 과학의 경계에서 균형을 이룹니다. 그는 항상 알려지지 않은 많은 문제를 해결해야 하며, 그 이상을 넘어서지 않고 모든 것을 "더 빠르고 저렴하게" 수행하려는 고객의 욕구로 인해 더욱 악화됩니다. 물리 법칙. 따라서 의심할 여지 없이 우리는 새롭고 사소하지 않은 많은 우주 궤적의 탄생을 계속해서 목격하게 될 것입니다.
중력 조종으로 인해 우주선이 얼마나 많은 연료를 절약했는지 상상하기는 어렵습니다. 그들은 거대한 행성 근처에 도달하고 심지어 영원히 태양계 너머로 가는 것을 돕습니다. 우리와 상대적으로 가까운 혜성과 소행성을 연구하는 경우에도 중력 조작을 사용하면 가장 경제적인 궤적을 계산할 수 있습니다. '스페이스 슬링'이라는 아이디어는 언제부터 나왔나요? 그리고 언제 처음 구현됐나요?
자연 현상으로서의 중력 기동은 과거의 천문학자들에 의해 처음 발견되었으며, 그는 혜성의 궤도, 주기(및 결과적으로 궤도 속도)의 중요한 변화가 행성의 중력 영향으로 발생한다는 것을 깨달았습니다. 따라서 단주기 혜성이 카이퍼 벨트에서 태양계 내부로 전환된 후 에너지 비용 없이 각운동량을 교환할 때 거대한 행성의 중력 영향으로 궤도의 중요한 변화가 정확하게 발생합니다. .
우주 비행의 목표를 달성하기 위해 중력 기동을 사용한다는 아이디어는 60년대 Michael Minovich가 학생 시절 NASA의 제트 추진 연구소에서 인턴으로 일할 때 개발되었습니다. 중력 기동에 대한 아이디어는 금성의 중력장이 수성에 도달하는 데 사용되었을 때 자동 행성 간 스테이션 마리너 10호의 비행 경로에서 처음 구현되었습니다.
"순수한" 중력 조작에서는 천체에 접근하기 전과 후의 속도 계수 동일 규칙이 엄격하게 유지됩니다. 행성 중심 좌표에서 태양 중심 좌표로 이동하면 이득이 분명해집니다. 이는 V.I. Levantovsky의 책 "우주 비행 역학"에서 가져온 여기에 표시된 다이어그램에서 명확하게 볼 수 있습니다. 장치의 궤적은 행성 P의 관찰자가 볼 수 있듯이 왼쪽에 표시됩니다. "국소 무한대"에서의 속도 v in은 절댓값이 v out과 같습니다. 관찰자가 알아차릴 수 있는 것은 장치의 이동 방향의 변화뿐입니다. 그러나 태양 중심 좌표에 위치한 관찰자는 차량 속도의 상당한 변화를 볼 수 있습니다. 행성에 대한 차량의 상대 속도 모듈만 보존되고, 이는 행성 자체의 궤도 속도 모듈과 유사하므로 결과는 다음과 같습니다. 벡터 합계속도는 접근하기 전의 차량 속도보다 높거나 낮을 수 있습니다. 각운동량 교환의 벡터 다이어그램은 오른쪽에 표시됩니다. vin과 vout을 통해 지정됩니다. 동일한 속도행성에 대한 차량의 출입 및 V sbl, V 제거 및 V pl을 통해 장치의 접근 및 제거 속도와 태양 중심 좌표에서 행성의 궤도 속도. 증분 ΔV는 행성이 장치에 전달한 속도 충격입니다. 물론 장치 자체가 행성에 전송하는 순간은 무시할 수 있습니다.
따라서 집결 경로를 적절하게 선택하면 방향을 변경할 수 있을 뿐만 아니라 에너지원을 소비하지 않고도 차량의 속도를 크게 높일 수 있습니다.
이 다이어그램은 처음에는 속도가 급격하게 증가하다가 최종 값으로 떨어지는 것을 보여주지 않습니다. 탄도학자들은 일반적으로 이에 대해 신경 쓰지 않습니다. 그들은 각운동량의 교환을 행성의 "중력 타격"으로 인식하며, 그 기간은 전체 비행 기간에 비해 무시할 수 있습니다.
중력 조종에서 중요한 요소는 행성 M의 질량, 목표 범위 d 및 속도 vin입니다. vin이 행성 표면의 원형 속도와 같을 때 속도 증가량 ΔV가 최대가 된다는 점은 흥미롭습니다.
따라서 거대 행성 근처에서 기동하는 것이 가장 유리하며 비행 시간이 크게 단축됩니다. 지구와 금성 근처에서의 기동도 사용되지만 이로 인해 우주 여행 기간이 크게 늘어납니다.
마리너 10호의 성공 이후 많은 우주 임무에서 중력 보조 기동이 사용되었습니다. 예를 들어, 보이저(Voyager) 우주선의 임무는 매우 성공적이었으며, 이를 통해 거대 행성과 그 위성에 대한 연구가 수행되었습니다. 이 장치는 1977년 가을 미국에서 발사되어 1979년 임무의 첫 번째 목표인 목성 행성에 도달했습니다. 실행 후 연구 프로그램목성과 위성 탐사에서 차량은 (목성의 중력장을 사용하여) 중력 기동을 수행하여 약간 다른 궤적을 따라 토성으로 보내질 수 있었으며 각각 1980년과 1981년에 도달했습니다. 보이저 1호는 복잡한 기동을 통해 토성의 달인 타이탄으로부터 불과 5,000km 이내를 통과한 후 태양계를 탈출하는 궤도에 진입했습니다.
보이저 2호는 또한 또 다른 중력 기동을 수행했으며 몇 가지 기술적 문제에도 불구하고 1986년 초에 발견된 일곱 번째 행성인 천왕성으로 보내졌습니다. 천왕성에 접근한 후 해당 필드에서 또 다른 중력 기동이 수행되었고 보이저 2호는 해왕성을 향해 향했습니다. 여기서 중력 기동을 통해 장치는 해왕성의 위성 트리톤에 매우 가까이 다가갈 수 있었습니다.
1986년에 금성 근처의 중력 기동으로 소련 우주선 VEGA-1과 VEGA-2가 핼리 혜성과 조우할 수 있었습니다.
1995년 말에 새로운 장치인 갈릴레오(Galileo)가 목성에 도달했는데, 그 비행 경로는 지구와 금성의 중력장에서 일련의 중력 기동으로 선택되었습니다. 이를 통해 장치는 6년에 두 번 소행성대를 방문하고 다소 큰 몸체인 가스프라(Gaspra)와 이다(Ida)에 가까이 다가가고 심지어 두 번 지구로 돌아올 수 있었습니다. 1989년 가을 미국에서 발사된 후 장치는 금성으로 보내져 1990년 2월 금성에 접근한 후 1990년 12월 지구로 돌아왔습니다. 다시 중력 기동이 이루어졌고, 장치는 소행성대 내부로 이동했다. 목성에 도달하기 위해 갈릴레오는 1992년 12월 다시 지구로 돌아와 마침내 목성으로의 비행 경로를 설정했습니다.
1997년 10월 미국에서도 카시니 우주선이 토성을 향해 발사됐다. 비행 프로그램은 4가지 중력 기동(금성에서 2회, 지구와 목성에서 각각 1회)을 제공합니다. 금성에 접근하는 첫 번째 기동(1998년 4월) 후 장치는 화성 궤도로 이동했으며 다시 (화성의 참여 없이) 금성으로 돌아왔습니다. 금성에서의 두 번째 기동(1999년 6월)은 카시니를 지구로 돌려보냈고, 그곳에서 중력 보조도 수행했습니다(1999년 8월). 따라서 장치는 목성으로의 빠른 비행에 충분한 속도를 얻었으며 2000년 12월 말에 토성으로 향하는 마지막 기동이 수행될 것입니다. 장치는 2004년 7월에 목표를 달성해야 합니다.
L. V. Ksanfomality, 물리학 및 수학 박사. 과학, 우주 연구소 연구소 소장.
로켓이 행성 근처로 날아간다면 속도가 변할 것입니다. 감소하거나 증가합니다. 그것은 그것이 날아가는 행성의 어느쪽에 달려 있습니다.
미국의 보이저(Voyager) 우주선이 외태양계에 대한 유명한 그랜드 투어를 수행했을 때, 그들은 거대 행성 근처에서 소위 중력 기동이라고 불리는 여러 가지 작업을 수행했습니다.
가장 운이 좋았던 것은 보이저 2호로, 네 개의 주요 행성을 모두 지나갔습니다. 속도 그래프는 다음 그림을 참조하세요.
그래프는 행성(해왕성 제외)에 접근할 때마다 우주선의 속도가 초당 수 킬로미터씩 증가했음을 보여줍니다.
언뜻 보면 이상하게 보일 수 있습니다. 물체가 중력장으로 날아가서 가속한 다음 중력장 밖으로 날아가서 감속합니다. 도착 속도는 출발 속도와 동일해야 합니다. 여분의 에너지는 어디에서 오는가?
세 번째 몸인 태양이 있기 때문에 추가 에너지가 나타납니다. 우주선은 행성 근처를 비행할 때 운동량과 에너지를 교환합니다. 그러한 교환으로 인해 태양장에 있는 행성의 중력 에너지가 감소하면 우주선(SC)의 운동 에너지가 증가하고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.
우주선의 속도가 증가하려면 어떻게 행성을 지나서 비행해야 합니까? 이 질문에 대답하는 것은 어렵지 않습니다. 우주선이 바로 앞에 있는 행성의 궤도를 가로지르게 하세요. 이 경우 행성 방향으로 추가 충격을 받으면 반대 방향, 즉 이동 방향으로 추가 충격을 전달합니다. 결과적으로 행성은 약간 더 높은 궤도로 이동하고 에너지가 증가합니다. 이 경우 우주선의 에너지는 그에 따라 감소합니다. 우주선이 행성 뒤의 궤도를 가로지르면 움직임이 약간 느려지고 행성이 더 낮은 궤도로 이동합니다. 우주선의 속도가 증가합니다.
물론 우주선의 질량은 행성의 질량에 비례하지 않습니다. 그러므로 중력 이동 중에 행성의 궤도 매개변수의 변화는 측정할 수 없는 극미한 값입니다. 그러나 지구의 에너지는 변화하고 있으며, 우리는 이를 다음과 같은 실험을 통해 확인할 수 있습니다. 중력 기동그리고 우주선의 속도가 변하는 것을 봅니다. 예를 들어 보이저 2호가 1979년 7월 9일 목성 근처를 어떻게 비행했는지 보여줍니다(그림 참조). 목성에 접근했을 때 우주선의 속도는 10km/초였습니다. 최대 접근 순간에는 28km/초로 증가했습니다. 그리고 보이저 2호가 이륙한 후 중력장가스 거인의 속도가 20km/초로 감소했습니다. 따라서 중력 조종의 결과로 우주선의 속도는 두 배로 증가하고 쌍곡선이 되었습니다. 즉, 태양계를 벗어나는 데 필요한 속도를 초과한 것이다. 목성의 궤도에서 태양계로부터의 이탈 속도는 약 18km/초입니다.
이 예에서 목성(또는 다른 행성)이 모든 물체를 쌍곡선 속도로 가속할 수 있다는 것이 분명합니다. 이것은 그가 태양계에서 이 몸을 “추출”할 수 있다는 것을 의미합니다. 어쩌면 현대 우주론자들이 맞을까요? 아마도 거대한 행성은 실제로 태양계의 먼 외곽에 얼음 블록을 던져서 오르트 혜성 구름을 형성했을 것입니다.
이 질문에 답하기 전에 행성이 어떤 중력 조종을 할 수 있는지 살펴보겠습니다.
2. 중력 기동의 원리
저는 9학년 때 지역 물리학 올림피아드에서 중력 조종에 대해 처음 알게 되었습니다. 과제는 이것이었습니다. 로켓이 지구에서 빠른 속도로 발사됩니다.다섯(중력장 밖으로 날아갈 만큼 충분합니다). 로켓에는 추진기가 있습니다. 에프시간을 일할 수 있는 사람 티. 로켓의 최종 속도가 최대가 되려면 어느 시점에 엔진을 켜야 합니까? 공기 저항을 무시합니다.
처음에는 엔진을 언제 켜는지는 중요하지 않은 것 같았습니다. 실제로 에너지 보존 법칙에 따라 로켓의 최종 속도는 어떤 경우에도 동일해야 합니다. 두 가지 경우에 로켓의 최종 속도를 계산하는 것이 남아 있습니다. 1. 처음에 엔진을 켭니다. 2. 지구의 중력장을 떠난 후 엔진을 켭니다. 그런 다음 결과를 비교하고 두 경우 모두 로켓의 최종 속도가 동일한지 확인하십시오. 하지만 그때 나는 힘이 견인력 곱하기 속도와 같다는 것을 기억했습니다. 따라서 로켓 속도가 최대일 때, 시작하자마자 즉시 엔진을 켜면 로켓 엔진의 출력이 최대가 됩니다. 따라서 정답은 다음과 같습니다. 즉시 엔진을 켜면 로켓의 최종 속도가 최대가 됩니다.
문제를 올바르게 해결했지만 문제는 여전히 남아 있었습니다. 최종 속도, 즉 로켓의 에너지는 엔진이 켜진 시점에 따라 달라집니다. 이는 에너지보존법칙을 명백히 위반하는 것으로 보인다. 아니면? 무슨 일이야? 에너지는 절약되어야 합니다! 저는 올림픽이 끝난 후 이 모든 질문에 답하려고 노력했습니다.
대량 로켓을 만들어보자 중힘으로 추력을 발생시키는 엔진으로 에프. 이 로켓을 빈 공간(별이나 행성에서 멀리 떨어진 곳)에 놓고 엔진을 켜 보겠습니다. 로켓은 어떤 가속도로 움직일 것인가? 우리는 뉴턴의 제2법칙인 가속도에서 답을 알고 있습니다. 에이같음:
에이=금/월
이제 로켓이 100km/초의 빠른 속도로 움직이는 또 다른 관성 기준계로 이동해 보겠습니다. 이 기준계에서 로켓의 가속도는 얼마인가?
가속도는 관성 참조 프레임의 선택에 따라 달라지지 않으므로 동일합니다.
에이=금/월
로켓의 질량도 변하지 않으므로(초당 100km는 아직 상대론적 사례가 아님) 추력은 에프동일할 것입니다. 따라서 로켓의 위력은 속도에 따라 결정됩니다. 결국 힘은 힘에 속도를 곱한 것과 같습니다. 로켓이 100km/초의 속도로 이동한다면 엔진의 출력은 1km/초의 속도로 이동하는 로켓의 동일한 엔진보다 100배 더 강력하다는 것이 밝혀졌습니다.
언뜻보기에 이것은 이상하고 역설적으로 보일 수도 있습니다. 엄청난 추가 전력은 어디서 나오는 걸까요? 에너지는 절약되어야 합니다!
이 문제를 살펴보겠습니다.
로켓은 항상 제트 추진력으로 움직입니다. 로켓은 다양한 가스를 고속으로 우주로 발사합니다. 명확성을 위해 가스 방출 속도가 10km/초라고 가정합니다. 로켓이 1km/초의 속도로 이동하면 로켓의 엔진은 주로 로켓이 아니라 로켓 연료를 가속합니다. 따라서 로켓을 가속시키는 엔진 출력은 높지 않습니다. 그러나 로켓이 10km/초의 속도로 이동하면 방출된 연료는 외부 관찰자에 비해 REST가 됩니다. 즉, 모든 엔진 출력이 로켓을 가속하는 데 소비됩니다. 로켓이 100km/초의 속도로 움직인다면 어떨까요? 이 경우 분출된 연료는 90km/초의 속도로 이동합니다. 즉, 연료 속도가 100km/초에서 90km/초로 감소합니다. 그리고 에너지 보존 법칙으로 인해 연료의 운동 에너지의 모든 차이가 로켓으로 전달됩니다. 따라서 이러한 속도에서 로켓 엔진의 출력은 크게 증가합니다.
간단히 말해서, 빠르게 움직이는 로켓의 경우 연료는 엄청난 운동 에너지를 가지고 있습니다. 그리고 이 에너지로부터 로켓을 가속시키기 위한 추가 동력이 얻어집니다. 이제 로켓의 이러한 속성이 실제로 어떻게 사용될 수 있는지 알아내는 것이 남아 있습니다.
3. 실제 적용
가까운 장래에 로켓을 타고 타이탄의 토성계로 비행할 계획이라고 가정해 보겠습니다.
혐기성 생명체를 연구합니다.
우리는 목성 궤도로 날아갔고 로켓의 속도가 거의 0으로 떨어졌다는 것이 밝혀졌습니다. 비행 경로가 제대로 계산되지 않았거나 연료가 위조된 것으로 판명되었습니다. 아니면 운석이 연료실에 부딪혀 거의 모든 연료가 손실되었을 수도 있습니다. 무엇을 해야 할까요?
로켓에는 엔진이 있고 소량의 연료가 남아 있습니다. 그러나 엔진이 할 수 있는 최대치는 로켓의 속도를 1km/초 증가시키는 것입니다. 이것은 분명히 토성에 도달하기에는 충분하지 않습니다. 그래서 조종사는 이 옵션을 제공합니다.
“우리는 목성의 중력장에 들어가서 그 위로 떨어집니다. 결과적으로 목성은 로켓을 약 60km/초라는 엄청난 속도로 가속시킵니다. 로켓이 이 속도까지 가속되면 엔진을 켜십시오. 이 속도의 엔진 출력은 여러 번 증가합니다. 그런 다음 목성의 중력장 밖으로 날아갑니다. 이러한 중력 조종의 결과로 로켓의 속도는 1km/초가 아니라 훨씬 더 증가합니다. 그리고 우리는 토성까지 날아갈 수 있어요."
그런데 누군가 이의를 제기합니다.
“예, 목성 근처 로켓의 위력이 증가할 것입니다. 로켓은 추가 에너지를 받게 됩니다. 그러나 목성의 중력장을 벗어나면 우리는 이 추가 에너지를 모두 잃게 됩니다. 에너지는 목성의 전위 우물에 남아 있어야 합니다. 그렇지 않으면 영구 운동 기계와 같은 것이 있을 것이며 이는 불가능합니다. 따라서 중력 조작으로 인한 이점은 없습니다. 우리는 시간만 낭비할 뿐입니다.”
그것에 대해 어떻게 생각하시나요?
따라서 로켓은 목성에서 멀지 않고 목성에 비해 거의 움직이지 않습니다. 로켓에는 로켓의 속도를 단 1km/초만큼 증가시킬 수 있는 충분한 연료를 갖춘 엔진이 있습니다. 엔진의 효율성을 높이기 위해 중력 기동을 수행하는 것이 제안됩니다. 즉, 목성에 로켓을 "떨어뜨리는" 것입니다. 그것은 포물선을 따라 끌어당김 영역으로 움직일 것입니다(사진 참조). 그리고 궤적의 가장 낮은 지점(사진에 빨간색 십자가로 표시)에서 엔진을 켭니다. 목성 근처의 로켓 속도는 60km/초입니다. 엔진이 더욱 가속되면 로켓의 속도는 61km/초로 증가합니다. 로켓이 목성의 중력장을 떠날 때 속도는 얼마나 될까요?
물론 그가 물리학을 잘 알고 있다면 이 작업은 고등학생의 능력 내에 있습니다. 먼저 위치에너지와 운동에너지의 합을 구하는 공식을 작성해야 합니다. 그런 다음 공의 중력장의 위치 에너지 공식을 기억해 보세요. 중력 상수가 무엇인지 알아보고 목성의 질량과 반경을 알아보려면 참고서를 살펴보세요. 에너지 보존 법칙을 사용하고 대수 변환을 수행하여 일반 최종 공식을 얻습니다. 그리고 마지막으로 모든 숫자를 공식에 대입하고 계산을 수행하면 답을 얻을 수 있습니다. 나는 아무도 (거의 아무도) 공식을 탐구하고 싶어하지 않는다는 것을 이해합니다. 따라서 방정식으로 여러분을 괴롭히지 않고 "손가락으로"이 문제에 대한 해결책을 설명하려고 노력할 것입니다. 나는 그것이 효과가 있기를 바랍니다!
로켓이 정지해 있으면 운동에너지는 0이다. 로켓이 1km/초의 속도로 움직인다면 로켓의 에너지는 1단위라고 가정합니다. 따라서 로켓이 2km/초의 속도로 이동하면 에너지는 4단위이고, 10km/초이면 100단위입니다. 이것은 이해할 수 있습니다. 우리는 이미 문제의 절반을 해결했습니다.
십자가로 표시된 지점에서:
로켓 속도는 60km/초이고 에너지는 3600단위입니다. 3600 단위는 목성의 중력장 밖으로 날아가기에 충분합니다. 로켓이 가속된 후 속도는 61km/초가 되었고 그에 따른 에너지는 61제곱(계산기 사용) 3721단위였습니다. 로켓이 목성의 중력장을 벗어나면 3600 단위만 소비됩니다. 121개 유닛이 남아있습니다. 이는 11km/초의 속도(제곱근을 취함)에 해당합니다. 문제가 해결되었습니다. 이는 대략적인 답변이 아니라 정확한 답변입니다.
중력 보조를 사용하여 추가 에너지를 생성할 수 있음을 알 수 있습니다. 로켓을 1km/초로 가속하는 대신 목성과 같은 거대한 물체가 근처에 있으면 로켓을 11km/초(121배 더 많은 에너지, 12,000% 효율성!)로 가속할 수 있습니다.
우리는 어떻게 엄청난 에너지를 얻었나요? 사용후 연료를 로켓 근처의 빈 공간이 아닌 목성이 만든 깊은 잠재적 구멍에 남겨두었기 때문입니다. 사용후연료는 MINUS 기호로 더 큰 위치에너지를 받았습니다. 따라서 로켓은 더 많은 것을 받았습니다 운동 에너지 PLUS 기호가 있습니다.
4. 행성 근처의 속도 벡터를 회전시킵니다.
목성 근처에서 로켓을 비행하고 속도를 높이고 싶다고 가정해 보겠습니다. 하지만 연료가 없습니다. 우리의 진로를 바로잡을 연료가 있다고 가정해 봅시다. 그러나 로켓을 크게 가속시키는 것만으로는 충분하지 않습니다. 중력 보조 장치를 사용하여 로켓의 속도를 크게 높일 수 있습니까?
매우 일반적인 견해이 작업은 다음과 같습니다. 우리는 어느 정도 속도로 목성의 중력장으로 날아갑니다. 그런 다음 우리는 들판 밖으로 날아갑니다. 우리의 속도가 바뀔까요? 그리고 얼마나 바뀔 수 있나요? 이 문제를 해결해 봅시다.
목성에 있는(또는 질량 중심에 대해 움직이지 않는) 관찰자의 관점에서 볼 때 우리의 기동은 다음과 같습니다. 처음에 로켓은 목성으로부터 멀리 떨어져 있으며 목성을 향해 빠른 속도로 이동합니다. 다섯. 그런 다음 목성에 접근하면서 가속됩니다. 이 경우 로켓의 궤적은 곡선이며 알려진 바와 같이 가장 일반적인 형태는 쌍곡선입니다. 로켓의 최대 속도는 최소 접근 속도입니다. 여기서 가장 중요한 것은 목성에 충돌하는 것이 아니라 목성 옆으로 날아가는 것입니다. 최소 접근 후 로켓은 목성에서 멀어지기 시작하고 속도가 감소합니다. 마지막으로 로켓은 목성의 중력장 밖으로 날아갈 것입니다. 속도는 얼마나 될까요? 도착했을 때와 똑같습니다. 로켓은 목성의 중력장으로 빠른 속도로 날아갔습니다. 다섯그리고 정확히 같은 속도로 날아갔습니다 다섯. 아무것도 변하지 않았나요? 아니요, 바뀌었습니다. 속도의 방향이 변경되었습니다. 이것은 중요합니다. 덕분에 우리는 중력 기동을 할 수 있다.
실제로 우리에게 중요한 것은 목성에 대한 로켓의 속도가 아니라 태양에 대한 로켓의 속도입니다. 이것이 소위 태양 중심 속도입니다. 이 속도로 로켓은 태양계를 통과하여 이동합니다. 목성은 또한 태양계를 통과하여 이동합니다. 로켓의 태양 중심 속도 벡터는 목성의 궤도 속도(약 13km/초)와 목성에 대한 로켓의 상대적 속도라는 두 벡터의 합으로 분해될 수 있습니다. 여기에는 복잡한 것이 없습니다! 이것은 7학년 때 배운 벡터 덧셈에 대한 일반적인 삼각형 규칙입니다. 그리고 이 규칙은 중력 조작의 본질을 이해하기에 충분합니다.
우리는 네 가지 속도를 가지고 있습니다. 다섯 1은 중력 기동 전의 태양에 대한 로켓의 속도입니다. 유 1은 중력 기동 전의 목성에 대한 로켓의 속도입니다. 유 2는 중력 기동 후 목성에 대한 로켓의 속도입니다. 크기별 유 1과 유 2는 동일하지만 방향이 다릅니다. 다섯 2는 중력 기동 이후 태양에 대한 로켓의 상대적인 속도입니다. 이 네 가지 속도가 모두 서로 어떻게 관련되어 있는지 확인하기 위해 그림을 살펴보겠습니다.
녹색 화살표 AO는 궤도에서 목성의 이동 속도입니다. 빨간색 화살표 AB는 다섯 1: 중력 기동 전 태양에 대한 로켓의 속도. 노란색 화살표 OB는 중력 기동 전 목성에 대한 로켓의 속도입니다. 노란색 화살표 OS는 중력 기동 후 목성을 기준으로 한 로켓의 속도입니다. 이 속도는 반경 OB의 노란색 원 어딘가에 있어야 합니다. 좌표계에서 목성은 로켓의 속도 값을 변경할 수 없고 특정 각도(알파)만큼만 회전할 수 있기 때문입니다. 그리고 마지막으로 AC가 우리에게 필요한 것입니다: 로켓 속도 다섯 2 중력 기동 이후.
얼마나 간단한지 보세요. 중력 기동 AC 이후의 로켓 속도는 중력 기동 AB와 벡터 BC 전의 로켓 속도와 같습니다. 그리고 벡터 BC는 목성 기준계에서 로켓 속도의 변화입니다. OS - OV = OS + VO = VO + OS = BC이기 때문입니다. 로켓의 속도 벡터가 목성을 기준으로 더 많이 회전할수록 중력 조종이 더 효과적입니다.
따라서 연료가 없는 로켓은 목성(또는 다른 행성)의 중력장으로 날아갑니다. 목성을 기준으로 한 기동 전후의 속도 값은 변경되지 않습니다. 그러나 목성에 대한 속도 벡터의 회전으로 인해 목성에 대한 로켓의 속도는 여전히 변합니다. 그리고 이 변화의 벡터는 기동 전 로켓의 속도 벡터에 간단히 추가됩니다. 모든 것을 명확하게 설명했으면 좋겠습니다.
