Az űrrepülések hatalmas energiafelhasználással járnak. Például az indítóálláson álló, indulásra kész Szojuz hordozórakéta 307 tonnát nyom, ebből több mint 270 tonna üzemanyag, vagyis oroszlánrész. Az, hogy őrült mennyiségű energiát kell költeni a világűrben való mozgásra, nagyrészt a Naprendszer távoli tartományainak elsajátításának nehézségeivel függ össze.
Ezen irányú technikai áttörés sajnos még nem várható. A hajtóanyag tömege továbbra is az egyik kulcstényező az űrmissziók tervezése során, és a mérnökök minden lehetőséget megragadnak az üzemanyag megtakarítására, hogy meghosszabbítsák az eszköz működését. A gravitációs manőverek a pénzmegtakarítás egyik módja.
Hogyan repüljünk az űrben és mi a gravitáció
Az eszköz vákuumban történő mozgatásának elve (olyan környezetben, ahonnan nem lehet kilökni sem légcsavarral, sem kerekekkel, sem bármi mással) ugyanaz a Földön gyártott összes rakétahajtómű esetében. Ez a sugárhajtás. A gravitáció szembehelyezkedik a sugárhajtóművek erejével. A fizika törvényei elleni harcot megnyertékA szovjet tudósok 1957-ben. A történelem során először egy emberi kéz által készített készülék, amely elérte az első kozmikus sebességet (kb. 8 km/s), a Föld mesterséges műholdjává vált.
Körülbelül 170 tonna vasra, elektronikára, tisztított kerozinra és folyékony oxigénre volt szükség ahhoz, hogy egy valamivel több mint 80 kg tömegű eszközt alacsony Föld körüli pályára indítsanak.
Az univerzum összes törvénye és alapelve közül talán a gravitáció az egyik legfontosabb. Ez irányít mindent, kezdve az elemi részecskék, atomok, molekulák elrendezésétől és a galaxisok mozgásáig. Ez is akadályozza az űrkutatást.
Nem csak üzemanyag
Már az első mesterséges Föld-műhold felbocsátása előtt a tudósok egyértelműen megértették, hogy nem csak a rakéták méretének és hajtóműveik teljesítményének növelése lehet a siker kulcsa. A kutatókat számítások és gyakorlati tesztek eredményei késztették ilyen trükkök keresésére, amelyek megmutatták, milyen üzemanyag-igényesek a földi légkörön kívüli repülések. A szovjet tervezők első ilyen döntése a kozmodrom építésének helyszínének kiválasztása volt.
Magyarázzuk. Ahhoz, hogy a Föld mesterséges műholdjává váljon, a rakétának 8 km/s-ra kell gyorsulnia. De maga a bolygónk állandó mozgásban van. Az Egyenlítőn található bármely pont másodpercenként 460 méternél nagyobb sebességgel forog. Így egy rakéta, amelyet a levegőtlen térbe indítottak a nulla párhuzamos tartományban, önmagában is az leszmásodpercenként majdnem fél kilométer szabad.
Ezért a Szovjetunió széles területein egy déli helyet választottak (a napi forgási sebesség Bajkonurban körülbelül 280 m/s). 1964-ben megjelent egy még ambiciózusabb projekt, amely a gravitáció hordozórakétára gyakorolt hatásának csökkentését célozta. Ez volt az első "San Marco" tengeri kozmodrom, amelyet az olaszok két fúróplatformból állítottak össze, és az Egyenlítőn található. Később ez az elv képezte a nemzetközi Sea Launch projekt alapját, amely a mai napig sikeresen indít kereskedelmi műholdakat.
Ki volt az első?
Mi a helyzet a mélyűri küldetésekkel? A Szovjetunió tudósai úttörők voltak a kozmikus testek gravitációjának felhasználásában a repülési útvonal megváltoztatására. Természetes műholdunk hátoldalát, mint tudják, először a szovjet Luna-1 készülék fényképezte. Fontos volt, hogy a Hold körülrepülés után az eszköznek legyen ideje visszatérni a Földre, hogy az északi félteke felé fordítsa. Hiszen az információkat (a kapott fényképes képeket) az emberekhez kellett eljuttatni, a nyomkövető állomások, rádióantenna tányérok pedig pontosan az északi féltekén helyezkedtek el.
Nem kevésbé sikeresen sikerült az amerikai tudósoknak gravitációs manőverekkel megváltoztatni az űrhajó röppályáját. A „Mariner 10” bolygóközi automata űrszondának a Vénusz melletti elrepülés után csökkentenie kellett a sebességét, hogy alacsonyabb körüli pályára lépjen.fedezze fel a Merkúrt. Ahelyett, hogy a motorok tolóerejét használták volna ehhez a manőverhez, a jármű sebességét a Vénusz gravitációs tere lelassította.
Hogyan működik
Az egyetemes gravitáció törvénye szerint, amelyet Isaac Newton fedezett fel és igazolt kísérletileg, minden tömegű test vonzza egymást. Ennek a vonzalomnak az erőssége könnyen mérhető és kiszámítható. Mind a két test tömegétől, mind a köztük lévő távolságtól függ. Minél közelebb, annál erősebb. Sőt, ahogy a testek közelednek egymáshoz, a vonzás ereje exponenciálisan növekszik.
Az ábra azt mutatja, hogy egy nagy kozmikus test (valamelyik bolygó) közelében repülő űrhajók hogyan változtatják a pályájukat. Sőt, az 1. szám alatti, a hatalmas objektumtól legtávolabbi repülő eszköz mozgása nagyon kis mértékben változik. Amit nem lehet elmondani a 6-os számú eszközről. A planetoid drámaian megváltoztatja repülési irányát.
Mi az a gravitációs heveder. Hogyan működik
A gravitációs manőverek használata nemcsak az űrhajó irányának megváltoztatását teszi lehetővé, hanem a sebességének beállítását is.
Az ábra egy űrrepülőgép röppályáját mutatja, általában a gyorsítására használják. Egy ilyen manőver működési elve egyszerű: a pálya pirossal kiemelt szakaszán a készülék utolérni látszik a tőle menekülő bolygót. Egy sokkal masszívabb test gravitációs erejével húz egy kisebb testet, szétszórva azt.
Egyébként nem csak az űrhajókat gyorsítják így. Ismeretes, hogy a csillagokhoz nem kötődő égitestek nagy erővel járják a galaxist. Ezek lehetnek viszonylag kicsi aszteroidák (melyek közül az egyik egyébként most a Naprendszerbe látogat), és megfelelő méretű planetoidok. A csillagászok úgy vélik, hogy a gravitációs heveder, vagyis egy nagyobb kozmikus test becsapódása dobja ki rendszerükből a kevésbé masszív objektumokat, és örök vándorlásra ítéli őket az üres tér jeges hidegében.
Hogyan lassítsunk
De az űrhajók gravitációs manővereivel nemcsak felgyorsíthatja, hanem le is lassíthatja a mozgásukat. Az ilyen fékezés sémája az ábrán látható.
A pirossal kiemelt pályaszakaszon a bolygó vonzása, ellentétben a gravitációs hevederes változattal, lelassítja az eszköz mozgását. Hiszen a gravitációs vektor és a hajó repülési iránya ellentétes.
Mikor használják? Főleg a vizsgált bolygók pályájára automatikus bolygóközi állomások indítására, valamint a napközeli régiók vizsgálatára. A helyzet az, hogy amikor a Nap felé haladunk, vagy például a csillaghoz legközelebb eső Merkúr bolygó felé haladunk, minden eszköz akarva-akaratlanul felgyorsul, ha nem alkalmaz fékezési intézkedéseket. Csillagunk hihetetlen tömeggel és hatalmas vonzerővel rendelkezik. A túlzott sebességre felgyorsult űrszonda nem tud majd belépni a Merkúr, a napelemcsalád legkisebb bolygójának pályájára. A hajó csak úgy átcsúszika kis Mercury nem tudja elég erősen húzni. A motorok fékezésre használhatók. De egy gravitációs pálya a Nap felé, mondjuk a Holdon, majd a Vénusznál, minimálisra csökkentené a rakéta meghajtását. Ez azt jelenti, hogy kevesebb üzemanyagra lesz szükség, és a felszabaduló tömeget további kutatóberendezések elhelyezésére lehet használni.
Bejutni a tű szemébe
Míg a korai gravitációs manővereket félénken és tétovázva hajtották végre, a legújabb bolygóközi űrmissziók útvonalait szinte mindig gravitációs kiigazításokkal tervezik. A helyzet az, hogy ma már az asztrofizikusok a számítástechnika fejlődésének, valamint a naprendszer testeire, elsősorban azok tömegére és sűrűségére vonatkozó legpontosabb adatok elérhetőségének köszönhetően pontosabb számítások állnak rendelkezésre. És rendkívül pontosan kell kiszámítani a gravitációs manővert.
Tehát a bolygótól a szükségesnél távolabbi pálya lefektetése tele van azzal a ténnyel, hogy a drága berendezések egyáltalán nem oda fognak repülni, ahol azt tervezték. A tömeg alábecslése pedig akár a hajónak a felszínnel való ütközésével is fenyegethet.
Manőverek bajnoka
Ez természetesen a Voyager küldetés második űrhajójának tekinthető. Az 1977-ben bemutatott eszköz jelenleg elhagyja natív csillagrendszerét, és visszavonul az ismeretlenbe.
Működése során a készülék meglátogatta a Szaturnuszt, a Jupitert, az Uránuszt és a Neptunuszt. A repülés során végig a Nap vonzása hatott rá, amitől a hajó fokozatosan távolodott. De hála a jól kiszámított gravitációnakmanőverek, mindegyik bolygó esetében a sebessége nem csökkent, hanem nőtt. Minden egyes feltárt bolygó esetében az útvonalat a gravitációs heveder elve alapján építették fel. A gravitációs korrekció alkalmazása nélkül a Voyager nem tudta volna idáig elküldeni.
A Voyagers mellett gravitációs manővereket is alkalmaztak olyan jól ismert küldetések indítására, mint a Rosetta vagy a New Horizons. Tehát Rosetta, mielőtt a Churyumov-Gerasimenko üstökös keresésére indult volna, akár 4 gyorsuló gravitációs manővert is végrehajtott a Föld és a Mars közelében.
