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.

Гравитационный манёвр для ускорения объекта Гравитационный манёвр для замедления объекта Гравитационный манёвр разгон, замедление или изменение направления полёта космического аппарата, под действием гравитационных полей небесных тел.… … Википедия

Гравитационный манёвр для ускорения объекта Гравитационный манёвр для замедления объекта Гравитационный манёвр разгон, замедление или изменение направления полёта космического аппарата, под действием гравитационных полей небесных тел.… … Википедия

- … Википедия

Это один из основных геометрических параметров объектов, образованных посредством конического сечения. Содержание 1 Эллипс 2 Парабола 3 Гипербола … Википедия

Искусственного спутника орбитальный манёвр, целью которого (в общем случае) является перевод спутника на орбиту с другим наклонением. Существуют два вида такого маневра: Изменение наклонения орбиты к экватору. Производится включением… … Википедия

Раздел небесной механики, изучающий движение искусственных космических тел: искусственных спутников, межпланетных станций и других космических кораблей. В сферу задач астродинамики входят расчёт орбит космических кораблей, определение параметров… … Википедия

Эффект Оберта в космонавтике эффект, проявляющийся в том, что ракетный двигатель, движущийся с высокой скоростью, создает больше полезной энергии, чем такой же двигатель, движущийся медленно. Эффект Оберта вызывается тем, что при… … Википедия

Заказчик … Википедия

И эквипотенциальные поверхности системы двух тел Точки Лагранжа, точки либрации (лат. librātiō раскачивание) или L точки … Википедия

Книги

• Вещи ХХ века в рисунках и фотографиях. Вперед в космос! Открытия и достижения. Комплект из 2-х книг , . "Вперёд, в космос! Открытия и достижения" С давних времён человек мечтал оторваться от земли и покорить небо, а затем и космос. Больше ста лет назад изобретатели уже задумывались о создании…
• Вперёд, в космос! Открытия и достижения , Климентов Вячеслав Львович, Сигорская Юлия Александровна. С давних времён человек мечтал оторваться от земли и покорить небо, а затем и космос. Больше ста лет назад изобретатели уже задумывались о создании космических кораблей, но начало космической…

Импульсы вдоль оси движения влияют на форму и ориентацию* орбиты и не изменяют её наклон.

Гравитационный маневр как природное явление впервые был обнаружен астрономами прошлого, которые поняли, что значительные изменения орбит комет, их периода (а следовательно и их орбитальной скорости) происходят под гравитационным влиянием планет. Так, после перехода короткопериодических комет из пояса Койпера во внутреннюю часть Солнечной системы, значительное преобразование их орбит происходит именно под гравитационным влиянием массивных планет, при обмене с ними угловым моментом, без каких-либо энергетических затрат.

Саму идею использовать гравитационный маневр для целей космического полета разработал Майкл Минович в 60-х годах, когда, будучи студентом, он проходил практику в JPL*. Идея была быстро подхвачена и реализована во многих космических миссиях. Но на первый взгляд, возможность значительно ускорить движение аппарата без затрат энергии кажется странной и требует пояснения.

Часто приходится слышать о "захвате" астероидов и комет полем планет. Строго говоря, захват без потерь энергии невозможен: если какое-то тело приближается к массивной планете, модуль его скорости сначала возрастает по мере приближения, а затем на столько же уменьшается в процессе его удаления. Но тело все же может перейти на орбиту спутника планеты, если при этом происходит его торможение (например, имеется торможение в верхних слоях атмосферы, если сближение достаточно тесное; или если возникает значительное приливное рассеяние энергии; или, наконец, если происходит разрушение тела внутри предела Роша с различными векторами скорости, приобретенными обломками). На стадии формирования Солнечной системы важным фактором было также торможение тела в газо-пылевой туманности. Что же касается космических аппаратов, то только в случае вывода на орбиту спутника используется торможение в верхних слоях атмосферы (aerobraking). В "чистом" гравитационном маневре правило равенства модуля скоростей до и после сближения с планетой сохраняется неукоснительно (что и подсказывала интуиция: с чем пришел, с тем и ушел). В чем же выигрыш?

Выигрыш становится очевидным, если от планетоцентрических перейти к гелиоцентрическим координатам .

Наиболее выгодны маневры у планет-гигантов, причем они заметнo сокращают длительность полета. Используются также маневры у Земли и Венеры, но это значительно увеличивает длительность космического путешествия. Все приведенные в таблице данные относятся к пассивному маневру. Но в некоторых случаях в перицентре облетной гиперболы аппарату, с помощью его двигательной установки, сообщают небольшой реактивный импульс, что дает существенный дополнительный выигрыш.

В полете аппарату часто требуется не ускорение, а замедление . Легко выбрать такую геометрию сближения, когда скорость аппарата в гелиоцентрических координатах упадет. Это зависит от положения векторов скоростей при обмене угловыми моментами. Упрощая задачу, можно сказать, что сближение аппарата с планетой с внутренней стороны ее орбиты приводит к тому, что аппарат отдает планете часть своего углового момента и замедляется; и наоборот, сближение с внешней стороны орбиты приводит к увеличению момента и скорости аппарата. Интересно, что никакими акселерометрами на борту зарегистрировать изменение скорости аппарата в маневрах невозможно, - они постоянно регистрируют состояние невесомости.

Преимущества гравитационного маневра по сравнению с гомановским перелетом к планетам-гигантам получаются настолько большими, что полезную нагрузку аппарата можно увеличить вдвое. Как уже говорилось, время достижения цели при гравитационном маневре у массивных планет-гигантов сокращается очень значительно. Разработка принципов маневра показала, что можно использовать и менее массивные тела (Землю, Венеру и, в особых случаях, даже Луну). Только масса в каком-то смысле разменивается на время полета, что заставляет исследователей ждать 2-3 лишних года. Однако стремление сократить расходы на дорогостоящие космические программы заставляет смириться с такой потерей времени. Теперь выбор трассы полета делается, как правило, многоцелевым, охватывающим несколько планет. В 1986 году гравитационный маневр у Венеры позволил обеспечить встречи советских аппаратов "ВЕГА-1" и "ВЕГА-2" с кометой Галлея.

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.

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.

Неизвестно, кому впервые пришла в голову идея гравитационного маневра. Если порассуждать, то можно дойти до первых астрономов Египта и Вавилона, которые звездными южными ночами наблюдали за тем, как кометы изменяют свою траекторию и скорость, проходя мимо планет.

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”