Letovi svemirskih letjelica uključuju ogromnu potrošnju energije. Na primjer, raketa-nosač Sojuz, koja stoji na lansirnoj platformi i spremna za lansiranje, teži 307 tona, od čega više od 270 tona otpada na gorivo, odnosno lavovski dio. Potreba da se troši luda količina energije na kretanje u svemiru je u velikoj mjeri povezana s poteškoćama u ovladavanju dalekim dometima Sunčevog sistema.
Nažalost, tehnički iskorak u ovom pravcu još se ne očekuje. Masa pogonskog goriva ostaje jedan od ključnih faktora u planiranju svemirskih misija, a inženjeri koriste svaku priliku da uštede gorivo kako bi produžili rad uređaja. Gravitacijski manevri su jedan od načina da uštedite novac.
Kako letjeti u svemiru i šta je gravitacija
Princip pomicanja uređaja u vakuumu (okruženje iz kojeg se ne može odgurnuti ni propelerom, ni kotačima, ni bilo čim drugim) isti je za sve tipove raketnih motora napravljenih na Zemlji. Ovo je mlazni potisak. Gravitacija se suprotstavlja snazi mlaznog motora. Ova bitka protiv zakona fizike je dobijenaSovjetski naučnici 1957. Po prvi put u istoriji, aparat napravljen ljudskom rukom, koji je postigao prvu kosmičku brzinu (oko 8 km/s), postao je veštački satelit planete Zemlje.
Bilo je potrebno oko 170 tona gvožđa, elektronike, pročišćenog kerozina i tečnog kiseonika da se uređaj težine nešto više od 80 kg lansira u nisku Zemljinu orbitu.
Od svih zakona i principa univerzuma, gravitacija je, možda, jedan od glavnih. Ona upravlja svime, počevši od rasporeda elementarnih čestica, atoma, molekula pa do kretanja galaksija. To je također prepreka istraživanju svemira.
Ne samo gorivo
Čak i prije lansiranja prvog vještačkog satelita Zemlje, naučnici su jasno shvatili da ne samo povećanje veličine raketa i snage njihovih motora može biti ključ uspjeha. Istraživače su na potragu za takvim trikovima potaknuli rezultati proračuna i praktičnih testova, koji su pokazali koliko su letovi izvan Zemljine atmosfere zahtjevni za gorivo. Prva takva odluka sovjetskih dizajnera bio je izbor lokacije za izgradnju kosmodroma.
Hajde da objasnimo. Da bi postala umjetni satelit Zemlje, raketa treba ubrzati do 8 km/s. Ali sama naša planeta je u stalnom pokretu. Svaka tačka koja se nalazi na ekvatoru rotira se brzinom većom od 460 metara u sekundi. Dakle, raketa lansirana u bezzračni prostor u području nulte paralele će sama po sebi bitiimati slobodno skoro pola kilometra u sekundi.
Zato je na širokim prostranstvima SSSR-a odabrano mjesto na jugu (brzina dnevne rotacije u Bajkonuru je oko 280 m/s). Još ambiciozniji projekat koji je imao za cilj smanjenje efekta gravitacije na raketu-nosač pojavio se 1964. godine. Bio je to prvi morski kosmodrom "San Marko", koji su Italijani sastavili sa dvije platforme za bušenje i koji se nalazio na ekvatoru. Kasnije je ovaj princip bio osnova međunarodnog projekta Sea Launch, koji do danas uspješno lansira komercijalne satelite.
Ko je bio prvi
Šta je sa misijama dubokog svemira? Naučnici iz SSSR-a bili su pioniri u korištenju gravitacije kosmičkih tijela za promjenu putanje leta. Obrnutu stranu našeg prirodnog satelita, kao što znate, prvi je fotografirao sovjetski aparat Luna-1. Bilo je važno da nakon letenja oko Mjeseca uređaj ima vremena da se vrati na Zemlju kako bi ga sjeverna hemisfera okrenula prema njoj. Na kraju krajeva, informacije (primljene fotografske slike) su morale da se prenesu ljudima, a stanice za praćenje, radio antenske antene su se nalazile upravo na severnoj hemisferi.
Američki naučnici su ništa manje uspešno uspeli da koriste gravitacione manevre da promene putanju letelice. Međuplanetarna automatska svemirska letjelica "Mariner 10" nakon preleta u blizini Venere morala je smanjiti brzinu kako bi otišla u nižu cirkumsolarnu orbitu iistražite Merkur. Umjesto da se za ovaj manevar koristi mlazni potisak motora, brzina vozila je usporena gravitacijskim poljem Venere.
Kako radi
Prema zakonu univerzalne gravitacije, koji je otkrio i eksperimentalno potvrdio Isaac Newton, sva tijela s masom privlače jedno drugo. Snaga ove privlačnosti lako se mjeri i izračunava. Zavisi i od mase oba tijela i od udaljenosti između njih. Što bliže, to jače. Štaviše, kako se tijela približavaju jedno drugom, sila privlačenja raste eksponencijalno.
Slika pokazuje kako svemirske letjelice, leteći u blizini velikog kosmičkog tijela (neke planete), mijenjaju svoju putanju. Štaviše, tok kretanja uređaja pod brojem 1, koji leti najdalje od masivnog objekta, vrlo se malo mijenja. Šta se ne može reći o uređaju broj 6. Planetoid dramatično mijenja smjer leta.
Šta je gravitacioni remen. Kako radi
Upotreba gravitacionih manevara omogućava ne samo promjenu smjera letjelice, već i prilagođavanje njene brzine.
Slika prikazuje putanju svemirske letjelice, koja se obično koristi za njeno ubrzanje. Princip rada takvog manevra je jednostavan: u dijelu putanje označenom crvenom bojom, uređaj kao da sustiže planetu koja bježi od njega. Mnogo masivnije tijelo vuče manje tijelo svojom silom gravitacije, raspršujući ga.
Usput, ne samo da se svemirski brodovi ubrzavaju na ovaj način. Poznato je da nebeska tijela koja nisu vezana za zvijezde lutaju galaksijom silovito. To mogu biti i relativno mali asteroidi (od kojih jedan, inače, sada posjećuje Sunčev sistem), i planetoidi pristojne veličine. Astronomi veruju da je gravitaciona remena, odnosno udar većeg kosmičkog tela, ta koja izbacuje manje masivne objekte iz njihovih sistema, osuđujući ih na večna lutanja po ledenoj hladnoći praznog prostora.
Kako usporiti
Ali, koristeći gravitacijske manevre svemirskih letjelica, možete ne samo ubrzati, već i usporiti njihovo kretanje. Šema takvog kočenja je prikazana na slici.
Na delu putanje označenom crvenom bojom, privlačnost planete, za razliku od varijante sa gravitacionim remenom, će usporiti kretanje uređaja. Uostalom, vektor gravitacije i smjer leta broda su suprotni.
Kada se koristi? Uglavnom za lansiranje automatskih međuplanetarnih stanica u orbite proučavanih planeta, kao i za proučavanje blizu solarnih područja. Činjenica je da kada se kreće prema Suncu ili, na primjer, prema planeti Merkur najbližoj zvijezdi, bilo koji uređaj, ako ne primijenite mjere za kočenje, hteli-ne htjeli ubrzati. Naša zvijezda ima nevjerovatnu masu i ogromnu snagu privlačnosti. Svemirska letjelica koja je dobila preveliku brzinu neće moći ući u orbitu Merkura, najmanje planete solarne porodice. Brod će se samo provućimali Merkur ne može da ga povuče dovoljno jako. Motori se mogu koristiti za kočenje. Ali gravitaciona putanja prema Suncu, recimo na Mjesecu, a zatim na Veneri, minimizirala bi upotrebu raketnog pogona. To znači da će biti potrebno manje goriva, a oslobođena težina se može koristiti za smještaj dodatne istraživačke opreme.
Zabijte u ušicu igle
Dok su se rani gravitacijski manevri izvodili stidljivo i neodlučno, rute najnovijih međuplanetarnih svemirskih misija su gotovo uvijek planirane uz gravitacijske prilagodbe. Stvar je u tome što sada astrofizičari, zahvaljujući razvoju kompjuterske tehnologije, kao i dostupnosti najtačnijih podataka o tijelima Sunčevog sistema, prvenstveno njihovoj masi i gustoći, imaju na raspolaganju tačnije proračune. I potrebno je izuzetno precizno izračunati manevar gravitacije.
Dakle, postavljanje putanje dalje od planete nego što je potrebno prepuno je činjenice da skupa oprema neće letjeti uopće tamo gdje je planirano. A potcjenjivanje mase može čak ugroziti i sudar broda s površinom.
Šampion u manevrima
Ovo se, naravno, može smatrati drugom svemirskom letjelicom u misiji Voyager. Lansiran 1977. godine, uređaj trenutno napušta svoj izvorni zvjezdani sistem, povlačeći se u nepoznato.
Tokom svog rada, aparat je posjetio Saturn, Jupiter, Uran i Neptun. Tokom cijelog leta na njega je djelovala privlačnost Sunca, od kojega se brod postepeno udaljavao. Ali, zahvaljujući dobro proračunatoj gravitacijimanevre, za svaku od planeta, njena brzina se nije smanjivala, već je rasla. Za svaku istraženu planetu, ruta je izgrađena na principu gravitacionog remena. Bez primjene gravitacijske korekcije, Voyager ga ne bi mogao poslati ovako daleko.
Pored Voyagera, gravitacijski manevri su korišćeni za pokretanje tako dobro poznatih misija kao što su Rosetta ili New Horizons. Dakle, Rosetta je, pre nego što je krenula u potragu za kometom Čurjumov-Gerasimenko, napravila čak 4 ubrzana gravitaciona manevra u blizini Zemlje i Marsa.
