Kosmoselaevade lennud nõuavad tohutut energiakulu. Näiteks stardiplatvormil seisev ja stardivalmis kanderakett Sojuz kaalub 307 tonni, millest üle 270 tonni moodustab kütus ehk lõviosa. Vajadus kulutada pööraselt palju energiat kosmoses liikumisele on suuresti seotud raskustega Päikesesüsteemi kaugematel aladel.
Sellesuunalist tehnilist läbimurret pole kahjuks veel oodata. Raketikütuse mass jääb kosmosemissioonide planeerimisel üheks võtmeteguriks ning insenerid kasutavad iga võimalust kütuse säästmiseks, et seadme tööiga pikendada. Gravitatsioonimanöövrid on üks viis raha säästmiseks.
Kuidas lennata kosmoses ja mis on gravitatsioon
Seadme liigutamise põhimõte vaakumis (keskkond, kust pole võimalik ei propelleri, rataste ega millegi muuga ära tõugata) on kõigi Maal valmistatud rakettmootorite puhul sama. See on joa tõukejõud. Gravitatsioon vastandub reaktiivmootori võimsusele. See lahing füüsikaseaduste vastu on võidetudNõukogude teadlased 1957. a. Esimest korda ajaloos sai inimkätega valmistatud aparaat, mis saavutas esimese kosmilise kiiruse (umbes 8 km/s), planeedi Maa tehissatelliitiks.
Madalale Maa orbiidile veidi üle 80 kg kaaluva seadme lennutamiseks kulus umbes 170 tonni rauda, elektroonikat, puhastatud petrooleumi ja vedelat hapnikku.
Kõigist universumi seadustest ja põhimõtetest on gravitatsioon võib-olla üks peamisi. See juhib kõike, alustades elementaarosakeste, aatomite, molekulide paigutusest ja lõpetades galaktikate liikumisega. See takistab ka kosmoseuuringuid.
Mitte ainult kütus
Juba enne esimese kunstliku Maa satelliidi starti mõistsid teadlased selgelt, et edu võti võib olla mitte ainult rakettide suuruse ja nende mootorite võimsuse suurendamine. Teadlasi ajendasid selliseid nippe otsima arvutuste tulemused ja praktilised katsed, mis näitasid, kui palju kütust kulutavad on lennud väljaspool maakera atmosfääri. Nõukogude disainerite esimene selline otsus oli kosmodroomi ehituskoha valik.
Selgitame. Maa tehissatelliidiks saamiseks peab rakett kiirendama 8 km/s. Kuid meie planeet ise on pidevas liikumises. Iga ekvaatoril asuv punkt pöörleb kiirusega üle 460 meetri sekundis. Seega nullparalleeli piirkonnas õhuvabasse ruumi lastud rakett on iseeneseston vaba peaaegu pool kilomeetrit sekundis.
Seetõttu valiti NSV Liidu laiadel avarustel lõunapoolne koht (päevane pöörlemiskiirus Baikonuris on umbes 280 m/s). Veelgi ambitsioonikam projekt, mille eesmärk oli vähendada gravitatsiooni mõju kanderaketile, ilmus 1964. aastal. See oli esimene mere kosmodroom "San Marco", mille itaallased panid kokku kahelt puurplatvormilt ja asus ekvaatoril. Hiljem oli see põhimõte aluseks rahvusvahelisele projektile Sea Launch, mis käivitab eduk alt kommertssatelliite tänapäevani.
Kes oli esimene
Aga süvakosmose missioonid? NSV Liidu teadlased olid teerajajad kosmiliste kehade gravitatsiooni kasutamisel lennutrajektoori muutmiseks. Meie loodusliku satelliidi tagakülg, nagu teate, pildistas esmakordselt Nõukogude Luna-1 aparaat. Oluline oli, et pärast ümber Kuu lendamist oleks seadmel aega Maale naasta, et põhjapoolkera selle poole pööraks. Info (saadud fotopildid) tuli ju inimestele edastada ning jälgimisjaamad, raadioantenni taldrikud asusid täpselt põhjapoolkeral.
Mitte vähem eduk alt õnnestus Ameerika teadlastel kasutada gravitatsioonimanöövreid kosmoselaeva trajektoori muutmiseks. Planeetidevaheline automaatne kosmoselaev "Mariner 10" pidi pärast Veenuse lähed alt möödalendu kiirust vähendama, et minna madalamale ringikujulisele orbiidile jauurige Merkuuri. Selle manöövri jaoks mootorite reaktiivjõu kasutamise asemel aeglustas sõiduki kiirust Veenuse gravitatsiooniväli.
Kuidas see toimib
Vastav alt universaalse gravitatsiooniseadusele, mille avastas ja kinnitas eksperimentaalselt Isaac Newton, tõmbavad kõik massiga kehad üksteist. Selle külgetõmbe tugevust on lihtne mõõta ja arvutada. See sõltub nii mõlema keha massist kui ka nendevahelisest kaugusest. Mida lähemal, seda tugevam. Pealegi, kui kehad lähenevad üksteisele, suureneb külgetõmbejõud eksponentsiaalselt.
Joonis näitab, kuidas suure kosmilise keha (mingi planeedi) lähedal lendavad kosmoseaparaadid oma trajektoori muudavad. Veelgi enam, numbri 1 all oleva seadme liikumise käik massiivsest objektist kõige kaugemal lennates muutub väga veidi. Mida ei saa öelda seadme numbri 6 kohta. Planetoid muudab oma lennusuunda dramaatiliselt.
Mis on gravitatsioonitropp. Kuidas see töötab
Gravitatsioonimanöövrite kasutamine võimaldab mitte ainult muuta kosmoselaeva suunda, vaid ka reguleerida selle kiirust.
Joonis näitab kosmoselaeva trajektoori, mida tavaliselt kasutatakse selle kiirendamiseks. Sellise manöövri toimimispõhimõte on lihtne: punasega esiletõstetud trajektoori lõigul näib seade järele jõudvat tema eest põgenevale planeedile. Palju massiivsem keha tõmbab väiksemat keha oma raskusjõuga, hajutades selle.
Muide, nii ei kiirendata mitte ainult kosmoselaevu. On teada, et taevakehad, mis pole tähtedega seotud, rändavad galaktikas jõuliselt ringi. Need võivad olla nii suhteliselt väikesed asteroidid (üks neist, muide, praegu külastab päikesesüsteemi) kui ka korraliku suurusega planetoidid. Astronoomid usuvad, et gravitatsioonitropp, st suurema kosmilise keha löök, paiskab vähemmassiivsed objektid nende süsteemidest välja, määrates need igaveseks ekslemiseks tühja ruumi jäises külmas.
Kuidas aeglustada
Kuid kosmoselaevade gravitatsioonimanöövreid kasutades saate nende liikumist mitte ainult kiirendada, vaid ka aeglustada. Sellise pidurdamise skeem on näidatud joonisel.
Punasega esiletõstetud trajektoori lõigul aeglustab planeedi külgetõmme erinev alt gravitatsioonitropiga variandist seadme liikumist. Laeva gravitatsioonivektor ja lennusuund on ju vastupidised.
Millal seda kasutatakse? Peamiselt automaatsete planeetidevaheliste jaamade suunamiseks uuritavate planeetide orbiitidele, samuti päikeselähedaste piirkondade uurimiseks. Fakt on see, et Päikese poole või näiteks tähele lähima planeedi Merkuur suunas liikudes kiirendab mis tahes seade, kui te pidurdusmeetmeid ei rakenda, tahes-tahtmata. Meie tähel on uskumatu mass ja tohutu tõmbejõud. Ülemäära kiirust saavutanud kosmoselaev ei pääse päikeseperekonna väikseima planeedi Merkuuri orbiidile. Laev lihts alt lipsab läbiVäike Mercury ei suuda seda piisav alt kõvasti tõmmata. Mootoreid saab kasutada pidurdamiseks. Kuid gravitatsioonitrajektoor Päikese poole, näiteks Kuul ja seejärel Veenuses, vähendaks raketi tõukejõu kasutamist. See tähendab, et kütust on vaja vähem ja vabanenud massi saab kasutada täiendavate uurimisseadmete paigutamiseks.
Saage nõelasilma sisse
Kuigi varased gravitatsioonimanöövrid viidi läbi arglikult ja kõhklev alt, kavandatakse viimaste planeetidevaheliste kosmosemissioonide marsruute peaaegu alati gravitatsiooniliste kohandustega. Asi on selles, et nüüd on astrofüüsikutel tänu arvutitehnoloogia arengule ja ka kõige täpsemate andmete kättesaadavusele päikesesüsteemi kehade, eelkõige nende massi ja tiheduse kohta saadaval täpsemad arvutused. Ja gravitatsioonimanööver on vaja ülitäpselt arvutada.
Niisiis on trajektoori rajamine planeedist vajalikust kaugemale sattunud tõsiasjaga, et kallid seadmed ei lenda üldse sinna, kuhu plaaniti. Ja massi alahindamine võib isegi ohustada laeva kokkupõrget pinnaga.
Manöövrite meister
Seda võib muidugi pidada Voyageri missiooni teiseks kosmoselaevaks. 1977. aastal turule toodud seade lahkub praegu oma natiivsest tähesüsteemist ja taandub tundmatusse.
Oma töötamise ajal külastas aparaat Saturni, Jupiteri, Uraani ja Neptuuni. Kogu lennu vältel mõjus sellele Päikese külgetõmme, millest laev tasapisi eemaldus. Kuid tänu hästi arvutatud gravitatsioonilemanöövreid, iga planeedi puhul selle kiirus ei vähenenud, vaid kasvas. Iga uuritud planeedi marsruut ehitati gravitatsioonitropi põhimõttel. Ilma gravitatsioonikorrektsioonita poleks Voyager suutnud seda nii kaugele saata.
Lisaks Voyageritele on gravitatsioonimanöövreid kasutatud selliste tuntud missioonide nagu Rosetta või New Horizons käivitamiseks. Nii tegi Rosetta enne Tšurjumovi-Gerasimenko komeeti otsima asumist Maa ja Marsi lähedal koguni 4 kiirendavat gravitatsioonimanöövrit.
