, Земли , Марса и даже Луны .
Физическая суть процесса
Рассмотрим траекторию космического аппарата, пролетающего вблизи какого-нибудь большого небесного тела, например, Юпитера . В начальном приближении мы можем пренебречь действием на космический аппарат гравитационных сил от других небесных тел.
Сложную комбинацию гравитационных манёвров использовали АМС «Кассини » (для разгона аппарат использовал гравитационное поле трёх планет - Венеры (дважды), Земли и Юпитера) и «Розетта » (четыре гравитационных манёвра около Земли и Марса).
В искусстве
Художественное описание подобного манёвра можно встретить в фантастическом романе А. Кларка «2010: Одиссея 2 ».
В научно-фантастическом фильме «Интерстеллар » орбитальной станции «Эндюранс» не хватает топлива для достижения третьей планеты, находящейся рядом с чёрной дырой «Гаргантюа» (названа в честь литературного великана-обжоры). Главный герой Купер предпринимает рискованный шаг: Эндюранс должна пройти поблизости от горизонта событий Гаргантюа, тем самым придав станции ускорение за счёт притяжения чёрной дыры.
В научно-фантастическом романе «Марсианин » и одноимённом фильме , используя гравитационный манёвр вокруг Земли, команда разворачивает с ускорением корабль «Гермес» для повторного полёта на Марс.
См. также
Напишите отзыв о статье "Гравитационный манёвр"
Примечания
Ссылки
- // crydee.sai.msu.ru
- (навигационные расчеты для космического симулятора «Орбитер», позволяет рассчитывать в том числе гравитационные манёвры)
- // novosti-kosmonavtiki.ru
| Орбиты | ||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Типы
Параметры |
||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||
Отрывок, характеризующий Гравитационный манёвр
– О, господи!– Что толкаешься то, – про тебя одного огонь, что ли? Вишь… развалился.
Из за устанавливающегося молчания послышался храп некоторых заснувших; остальные поворачивались и грелись, изредка переговариваясь. От дальнего, шагов за сто, костра послышался дружный, веселый хохот.
– Вишь, грохочат в пятой роте, – сказал один солдат. – И народу что – страсть!
Один солдат поднялся и пошел к пятой роте.
– То то смеху, – сказал он, возвращаясь. – Два хранцуза пристали. Один мерзлый вовсе, а другой такой куражный, бяда! Песни играет.
– О о? пойти посмотреть… – Несколько солдат направились к пятой роте.
Пятая рота стояла подле самого леса. Огромный костер ярко горел посреди снега, освещая отягченные инеем ветви деревьев.
В середине ночи солдаты пятой роты услыхали в лесу шаги по снегу и хряск сучьев.
– Ребята, ведмедь, – сказал один солдат. Все подняли головы, прислушались, и из леса, в яркий свет костра, выступили две, держащиеся друг за друга, человеческие, странно одетые фигуры.
Это были два прятавшиеся в лесу француза. Хрипло говоря что то на непонятном солдатам языке, они подошли к костру. Один был повыше ростом, в офицерской шляпе, и казался совсем ослабевшим. Подойдя к костру, он хотел сесть, но упал на землю. Другой, маленький, коренастый, обвязанный платком по щекам солдат, был сильнее. Он поднял своего товарища и, указывая на свой рот, говорил что то. Солдаты окружили французов, подстелили больному шинель и обоим принесли каши и водки.
Ослабевший французский офицер был Рамбаль; повязанный платком был его денщик Морель.
Когда Морель выпил водки и доел котелок каши, он вдруг болезненно развеселился и начал не переставая говорить что то не понимавшим его солдатам. Рамбаль отказывался от еды и молча лежал на локте у костра, бессмысленными красными глазами глядя на русских солдат. Изредка он издавал протяжный стон и опять замолкал. Морель, показывая на плечи, внушал солдатам, что это был офицер и что его надо отогреть. Офицер русский, подошедший к костру, послал спросить у полковника, не возьмет ли он к себе отогреть французского офицера; и когда вернулись и сказали, что полковник велел привести офицера, Рамбалю передали, чтобы он шел. Он встал и хотел идти, но пошатнулся и упал бы, если бы подле стоящий солдат не поддержал его.
– Что? Не будешь? – насмешливо подмигнув, сказал один солдат, обращаясь к Рамбалю.
– Э, дурак! Что врешь нескладно! То то мужик, право, мужик, – послышались с разных сторон упреки пошутившему солдату. Рамбаля окружили, подняли двое на руки, перехватившись ими, и понесли в избу. Рамбаль обнял шеи солдат и, когда его понесли, жалобно заговорил:
– Oh, nies braves, oh, mes bons, mes bons amis! Voila des hommes! oh, mes braves, mes bons amis! [О молодцы! О мои добрые, добрые друзья! Вот люди! О мои добрые друзья!] – и, как ребенок, головой склонился на плечо одному солдату.
Между тем Морель сидел на лучшем месте, окруженный солдатами.
Морель, маленький коренастый француз, с воспаленными, слезившимися глазами, обвязанный по бабьи платком сверх фуражки, был одет в женскую шубенку. Он, видимо, захмелев, обнявши рукой солдата, сидевшего подле него, пел хриплым, перерывающимся голосом французскую песню. Солдаты держались за бока, глядя на него.
– Ну ка, ну ка, научи, как? Я живо перейму. Как?.. – говорил шутник песенник, которого обнимал Морель.
Vive Henri Quatre,
Vive ce roi vaillanti –
[Да здравствует Генрих Четвертый!
Да здравствует сей храбрый король!
и т. д. (французская песня) ]
пропел Морель, подмигивая глазом.
Сe diable a quatre…
– Виварика! Виф серувару! сидябляка… – повторил солдат, взмахнув рукой и действительно уловив напев.
– Вишь, ловко! Го го го го го!.. – поднялся с разных сторон грубый, радостный хохот. Морель, сморщившись, смеялся тоже.
– Ну, валяй еще, еще!
Qui eut le triple talent,
De boire, de battre,
Et d"etre un vert galant…
[Имевший тройной талант,
пить, драться
и быть любезником…]
– A ведь тоже складно. Ну, ну, Залетаев!..
– Кю… – с усилием выговорил Залетаев. – Кью ю ю… – вытянул он, старательно оттопырив губы, – летриптала, де бу де ба и детравагала, – пропел он.
– Ай, важно! Вот так хранцуз! ой… го го го го! – Что ж, еще есть хочешь?
– Дай ему каши то; ведь не скоро наестся с голоду то.
Опять ему дали каши; и Морель, посмеиваясь, принялся за третий котелок. Радостные улыбки стояли на всех лицах молодых солдат, смотревших на Мореля. Старые солдаты, считавшие неприличным заниматься такими пустяками, лежали с другой стороны костра, но изредка, приподнимаясь на локте, с улыбкой взглядывали на Мореля.
– Тоже люди, – сказал один из них, уворачиваясь в шинель. – И полынь на своем кореню растет.
– Оо! Господи, господи! Как звездно, страсть! К морозу… – И все затихло.
Звезды, как будто зная, что теперь никто не увидит их, разыгрались в черном небе. То вспыхивая, то потухая, то вздрагивая, они хлопотливо о чем то радостном, но таинственном перешептывались между собой.
Х
Войска французские равномерно таяли в математически правильной прогрессии. И тот переход через Березину, про который так много было писано, была только одна из промежуточных ступеней уничтожения французской армии, а вовсе не решительный эпизод кампании. Ежели про Березину так много писали и пишут, то со стороны французов это произошло только потому, что на Березинском прорванном мосту бедствия, претерпеваемые французской армией прежде равномерно, здесь вдруг сгруппировались в один момент и в одно трагическое зрелище, которое у всех осталось в памяти. Со стороны же русских так много говорили и писали про Березину только потому, что вдали от театра войны, в Петербурге, был составлен план (Пфулем же) поимки в стратегическую западню Наполеона на реке Березине. Все уверились, что все будет на деле точно так, как в плане, и потому настаивали на том, что именно Березинская переправа погубила французов. В сущности же, результаты Березинской переправы были гораздо менее гибельны для французов потерей орудий и пленных, чем Красное, как то показывают цифры.
Единственное значение Березинской переправы заключается в том, что эта переправа очевидно и несомненно доказала ложность всех планов отрезыванья и справедливость единственно возможного, требуемого и Кутузовым и всеми войсками (массой) образа действий, – только следования за неприятелем. Толпа французов бежала с постоянно усиливающейся силой быстроты, со всею энергией, направленной на достижение цели. Она бежала, как раненый зверь, и нельзя ей было стать на дороге. Это доказало не столько устройство переправы, сколько движение на мостах. Когда мосты были прорваны, безоружные солдаты, московские жители, женщины с детьми, бывшие в обозе французов, – все под влиянием силы инерции не сдавалось, а бежало вперед в лодки, в мерзлую воду.
Стремление это было разумно. Положение и бегущих и преследующих было одинаково дурно. Оставаясь со своими, каждый в бедствии надеялся на помощь товарища, на определенное, занимаемое им место между своими. Отдавшись же русским, он был в том же положении бедствия, но становился на низшую ступень в разделе удовлетворения потребностей жизни. Французам не нужно было иметь верных сведений о том, что половина пленных, с которыми не знали, что делать, несмотря на все желание русских спасти их, – гибли от холода и голода; они чувствовали, что это не могло быть иначе. Самые жалостливые русские начальники и охотники до французов, французы в русской службе не могли ничего сделать для пленных. Французов губило бедствие, в котором находилось русское войско. Нельзя было отнять хлеб и платье у голодных, нужных солдат, чтобы отдать не вредным, не ненавидимым, не виноватым, но просто ненужным французам. Некоторые и делали это; но это было только исключение.
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.
Трудно представить, сколько топлива сэкономили космическим аппаратам гравитационные маневры. Они помогают достичь окрестностей планет-гигантов и даже выйти навсегда за пределы Солнечной системы. Даже для исследования относительно близких к нам комет и астероидов можно рассчитать наиболее экономичную траекторию с применением гравитационных маневров. Когда же возникла идея "космической пращи"? И когда она была впервые осуществлена?
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 гравитационные маневры для достижения цели космического полета разработал Майкл Минович в 60-х годах, когда, будучи студентом, он проходил практику в Лаборатории реактивного движения NASA. Впервые идея гравитационного маневра была реализована в траектории полета автоматической межпланетной станции "Ма-ринер-10", когда для достижения Меркурия было использовано гравитационное поле Венеры.
В "чистом" гравитационном маневре правило равенства модуля скоростей до и после сближения с небесным телом сохраняется неукоснительно. Выигрыш становится очевидным, если от планетоцентрических координат перейти к гелиоцентрическим. Это хорошо видно на приведенной здесь схеме, адаптированной из книги В. И. Левантовского "Механика космического полета". Слева показана траектория аппарата, как ее видит наблюдатель на планете Р. Скорость v вх на "местной бесконечности" по модулю равна v вых. Все, что заметит наблюдатель, это изменение направления движения аппарата. Однако наблюдатель, находящийся в гелиоцентрических координатах, увидит значительное изменение скорости аппарата. Поскольку сохраняется только модуль скорости аппарата относительно планеты, а он сравним с модулем орбитальной скорости самой планеты, результирующая векторная сумма скоростей может стать как большей, так и меньшей скорости аппарата перед сближением. Справа показана векторная диаграмма такого обмена угловыми моментами. Через v вх и v вых обозначены равные скорости входа и выхода аппарата относительно планеты, а через V сбл, V удал и V пл - скорости сближения и удаления аппарата и орбитальная скорость планеты в гелиоцентрических координатах. Приращение ΔV - этот тот импульс скорости, который планета сообщила аппарату. Конечно тот момент, который передает планете сам аппарат, пренебрежимо мал.
Таким образом, соответствующим выбором трассы сближения можно не только изменить направление, но и значительно увеличить скорость аппарата без всяких затрат его энергоисточников.
На этой схеме не показано, что вначале скорость резко возрастает, а затем падает до конечной величины. Баллистиков это обычно не заботит, они воспринимают обмен угловыми моментами как "гравитационный удар" со стороны планеты, длительность которого пренебрежимо мала по сравнению с полной длительностью полета.
Критическими в гравитационном маневре оказываются масса планеты М, прицельная дальность d и скорость v вх. Интересно, что приращение скорости ΔV оказывается максимальным, когда v вх равно круговой скорости у поверхности планеты.
Таким образом, наиболее выгодны маневры у планет-гигантов, причем они заметно сокращают длительность полета. Используются также маневры у Земли и Венеры, но это значительно увеличивает длительность космического путешествия.
После успеха экспедиции "Маринера-10" гравитационные маневры применялись во многих космических экспедициях. Например, исключительно успешной была миссия аппаратов "Вояджер", с помощью которых были проведены исследования планет-гигантов и их спутников. Аппараты были запущены в США осенью 1977 года и достигли первой цели миссии, планеты Юпитер, в 1979 году. После выполнения исследовательской программы у Юпитера и исследований его спутников аппараты совершили гравитационный маневр (с использованием поля тяготения Юпитера), что позволило направить их по несколько различающимся траекториям к Сатурну, которого они достигли в 1980 и 1981 годах соответственно. Далее "Вояджер-1" выполнил сложный маневр, чтобы пройти на расстоянии всего лишь 5000 км от спутника Сатурна Титан, а затем оказался на траектории ухода из Солнечной системы.
"Вояджер-2" также проделал еще один гравитационный маневр и, несмотря на некоторые возникшие технические проблемы, был направлен к седьмой планете, Урану, встреча с которым состоялась в начале 1986 года. После сближения с Ураном в его поле был выполнен еще один гравитационный маневр, и "Вояджер-2" направился к Нептуну. Здесь гравитационный маневр позволил аппарату достаточно тесно сблизиться со спутником Нептуна Тритоном.
В 1986 году гравитационный маневр у Венеры дал возможность советским космическим аппаратам "ВЕГА-1" и "ВЕГА-2" встретиться с кометой Галлея.
В самом конце 1995 года Юпитера достиг новый аппарат, "Галилео", трасса полета которого была выбрана как цепь гравитационных маневров в полях тяготения Земли и Венеры. Это позволило аппарату за 6 лет дважды посетить пояс астероидов и сблизиться с довольно крупными телами Гаспрой и Идой, да еще дважды вернуться к Земле. После запуска в США осенью 1989 г. аппарат был направлен к Венере, с которой сблизился в феврале 1990 г., а затем в декабре 1990 г. вернулся к Земле. Снова был выполнен гравитационный маневр, и аппарат ушел к внутренней части пояса астероидов. Чтобы достичь Юпитера, в декабре 1992 г. "Галилео" снова вернулся к Земле и, наконец, лег на курс полета к Юпитеру.
В октябре 1997 года, также в США, к Сатурну был запущен аппарат "Кассини". Программа его полета предусматривает 4 гравитационных маневра: два у Венеры и по одному у Земли и у Юпитера. После первого маневра в сближении с Венерой (в апреле 1998 г.) аппарат ушел к орбите Марса и снова (без участия Марса) возвратился к Венере. Второй маневр у Венеры (июнь 1999 г.) возвратил "Кассини" к Земле, где также был выполнен гравитационный маневр (август 1999 г.). Так аппарат набрал достаточную скорость для быстрого полета к Юпитеру, где в конце декабря 2000 г. будет выполнен его последний маневр на пути к Сатурну. Цели аппарат должен достичь в июле 2004 года.
Л. В.Ксанфомалити, доктор физ.-мат. наук, заведующий лабораторией Института космических исследований.
В начале XX века, когда принципиальная выполнимость космических полетов была научно обоснована, появились первые соображения об их возможных траекториях. Прямолинейный полет от Земли к другой планете энергетически крайне невыгоден. В 1925 году немецкий инженер Вальтер Гоман (Walter Hohmann) показал, что минимальные затраты энергии на перелет между двумя круговыми орбитами обеспечиваются, когда траектория представляет собой «половинку» эллипса, касающегося исходной и конечной орбит. При этом двигатель космического аппарата должен выдать всего два импульса: в перигее и апогее (если речь идет об околоземном пространстве) переходного эллипса. Данная схема широко используется, например, при выведении на геостационарную орбиту. В межпланетных полетах задача несколько осложняется необходимостью учитывать притяжение Земли и планеты назначения соответственно на начальном и конечном участках траектории. Тем не менее полеты к Венере и Марсу выполняются по орбитам, близким к гомановским.
Пожалуй, первым примером более сложного космонавигационного приема могут служить биэллиптические траектории. Как доказал один из первых теоретиков космонавники Ари Абрамович Штернфельд, они оптимальны для перевода спутника между круговыми орбитами с разным наклонением. Изменение плоскости орбиты - одна из самых дорогих операций в космонавтике. Например, для поворота на 60 градусов аппарату надо добавить такую же скорость, с какой он уже движется по орбите. Однако можно поступить иначе: сначала выдать разгонный импульс, с помощью которого аппарат перейдет на сильно вытянутую орбиту с высоким апогеем. В ее верхней точке скорость будет совсем невелика, и направление движения меняется ценой относительно небольших затрат топлива. Одновременно можно скорректировать и высоту перигея, немного изменив скорость по величине. Наконец, в нижней точке вытянутого эллипса дается тормозной импульс, который переводит аппарат на новую круговую орбиту.
Этот маневр, называемый «межорбитальным перелетом с высоким апогеем», особенно актуален при запуске геостационарных спутников, которые первоначально выводятся на низкую орбиту с наклонением к экватору, равным широте космодрома, а потом переводятся на геостационарную орбиту (с нулевым наклонением). Использование биэллиптической траектории позволяет заметно сэкономить на топливе.
Гравитационные маневры
Многие межпланетные миссии при современных технических возможностях просто неосуществимы без обращения к экзотическим навигационным приемам. Дело в том, что скорость истечения рабочего тела из химических ракетных двигателей составляет около 3 км/с. При этом по формуле Циолковского каждые 3 км/с дополнительного разгона втрое увеличивают стартовую массу космической системы. Чтобы с низкой околоземной орбиты (скорость 8 км/с) отправиться к Марсу по гомановской траектории, надо набрать около 3,5 км/с, к Юпитеру - 6 км/с, к Плутону - 8-9 км/с. Получается, что полезная нагрузка при полете к дальним планетам составляет лишь несколько процентов от выведенной на орбиту массы, а та, в свою очередь, лишь несколько процентов стартовой массы ракеты. Вот почему 700-килограммовые «Вояджеры» (Voyager) запускались к Юпитеру 600-тонной ракетой «Титан» (Titan IIIE). А если ставится цель выйти на орбиту вокруг планеты, то возникает необходимость брать с собой запас топлива для торможения, и стартовая масса возрастает еще больше.
Но баллистики не сдаются - для экономии топлива они приспособили ту самую гравитацию, на преодоление которой при старте уходит значительная часть энергии. Гравитационные, или на профессиональном языке пертурбационные маневры практически не требуют расхода топлива. Все что нужно - это наличие вблизи трассы полета небесного тела, обладающего достаточно сильной гравитацией и подходящим для целей миссии положением. Подлетая к небесному телу, космический аппарат под действием его поля тяготения ускоряется или замедляется. Здесь внимательный читатель может заметить, что аппарат, ускорившись гравитацией планеты, ею же и тормозится после сближения с небесным телом и что в результате никакого ускорения не будет. Действительно, скорость относительно планеты, используемой в качестве «гравитационной пращи», не изменится по модулю. Но она поменяет направление! А в гелиоцентрической (связанной с Солнцем) системе отсчета окажется, что скорость меняется не только по направлению, но и по величине, поскольку складывается из скорости аппарата относительно планеты и, по крайней мере частично, скорости самой планеты относительно Солнца. Таким способом можно без затрат топлива изменить кинетическую энергию межпланетной станции. При полетах к дальним, внешним, планетам Солнечной системы гравитационный маневр используется для разгона, а при миссиях к внутренним планетам - напротив, для гашения гелиоцентрической скорости.
ВОЗМУЩЕНИЯ и КОРРЕКЦИИ |
На картинках траектории межпланетных полетов выглядят очень просто: от Земли станция движется по дуге эллипса, дальний конец которой упирается в планету.
Эллиптичность орбиты вокруг Солнца диктуется первым законом Кеплера. Рассчитать ее по силам даже школьнику, но если по ней запустить реальный космический
аппарат, он промахнется мимо цели на многие тысячи километров. Дело в том, что на движение аппарата помимо Солнца влияет тяготение обращающихся вокруг него
планет. Поэтому точно рассчитать, где окажется аппарат спустя месяцы, а то и годы полета, можно только сложным численным моделированием. Задаются начальное
положение и скорость аппарата, определяется, как относительно него расположены планеты и какие силы действуют с их стороны. По ним рассчитывается, где
окажется аппарат спустя небольшое время, скажем, спустя час, и как изменится его скорость. Затем цикл вычислений повторяется, и так шаг за шагом
просчитывается вся траектория. Скорее всего, она попадет не совсем туда, куда нужно.
|
 |
Впервые идею гравитационного маневра высказали Фридрих Артурович Цандер и Юрий Васильевич Кондратюк еще в 1920-1930-х годах. Официально считается, что впервые подобный маневр выполнила в 1974 году американская станция «Маринер-10» (Mariner 10), которая, пролетев вблизи Венеры, направилась к Меркурию. Впрочем, первенство американцев оспаривают российские историки космонавтики, считающие первым гравитационным маневром облет Луны, который в 1959 году осуществила советская станция «Луна-3», впервые сфотографировавшая обратную сторону нашего естественного спутника.
Юпитер нам поможет
Многие межпланетные зонды использовали для разгона тяготение Юпитера. Первыми были аппараты «Пионер-10» и «Пионер-11» (Pioneer), а вслед за ними «Вояджер-1» и «Вояджер-2». В 1992 году Юпитер помог выйти из плоскости эклиптики «Улиссу» (Ulysses) - зонду, исследующему полярные области Солнца, вокруг которого он обращается по орбите, почти перпендикулярной земной. Другим способом вывести аппарат на такую орбиту при современном уровне развития космической техники просто невозможно. Выполнил пертурбационный маневр у Юпитера и зонд «Новые горизонты» (New Horizons), запущенный Соединенными Штатами к Плутону 19 января 2006 года. Увеличив скорость на 4 км/с и на 2,5 градуса отклонившись от плоскости эклиптики, он сможет прибыть к цели в 2015 году, прежде чем на Плутоне (который в этом столетии удаляется от Солнца) станет замерзать атмосфера, снижая тем самым ценность будущих исследований.
Разумеется, для выполнения гравитационных маневров дата старта должна быть выдержана весьма точно. Баллистики оперируют понятием «окно запуска» - это интервал дат, в пределах которого эффективность запланированных гравитационных маневров максимальна. Ближе к краям «окна» эффект становится меньше, а потребности в топливе - больше. Если же выйти за его границы, то носитель просто не сможет вывести аппарат на нужную орбиту, что приведет к срыву полета или недопустимому возрастанию его длительности. Например, запуск «Новых горизонтов» неоднократно переносился по погодным и техническим причинам. Задержись старт еще на несколько дней, и зонд отправился бы в полет уже без расчета на «гравитационную помощь» Юпитера и с меньшими шансами на успех. Выполнять маневры у планет-гигантов удобнее всего. Благодаря их большой массе поворачивать возле них можно по широкой плавной дуге и требования к точности навигации остаются довольно мягкими. Однако нередко в качестве «пращи» используют Венеру, Землю, Марс и даже Луну. Тут уже ошибаться нельзя, в противном случае аппарат уйдет от планеты совсем не в том направлении, как было запланировано.
 |
Зонд ISEE-3/ICE четыре года (1978-1982) изучал Солнце с орбиты вокруг точки Лагранжа L1, а затем путем сложных гравитационных маневров у Земли и Луны он был направлен на встречу с кометами Джакобини - Циннера (1985) и Галлея (1986). В 2012-м зонд вернется к Земле. Рис. NASA |
Окном запуска называют интервал дат, в пределах которого эффективность запланированных гравитационных маневров максимальна. |
Гомановские эллипсы, касающиеся орбиты Земли и планеты назначения, - самые экономичные межпланетные траектории, если не прибегать к гравитационным маневрам. Полет к Марсу по гомановской орбите занимает около 240-280 суток, к Венере - около 150 суток. |
 |
Космический гравсерфинг
Наиболее сложны - но тем и интересны! - траектории с пертурбационными маневрами не у одного, а у нескольких небесных тел. К примеру, станция «Галилео» (Galileo), чтобы добраться до Юпитера, осуществила гравитационный маневр в поле тяготения Венеры, а потом еще два возле Земли. Такие полеты возможны не всегда, а лишь при определенном расположении планет. Самый знаменитый подобный «большой тур» совершил «Вояджер-2», который последовательно пролетел вблизи Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Его близнец «Вояджер-1» тоже мог бы пройти подобным маршрутом, однако ученые предпочли поближе рассмотреть загадочный спутник Сатурна Титан, и его тяготение необратимо отклонило траекторию станции от направления на Уран. Это было трудное, но верное решение. Именно данные «Вояджера-2» позволили спустя 24 года осуществить посадку на Титан зонда «Гюйгенс» (Huygens).
В наши дни еще более сложный полет выполняет станция «Мессенджер» (MESSENGER). Ее основная задача - выход на орбиту вокруг Меркурия для детального изучения его характеристик. Миссия, рассчитанная на семь лет пути, в январе 2008 года вышла на заключительный этап. Аппарат уже выполнил четыре гравитационных маневра: один около Земли, два возле Венеры и один у самого Меркурия, а между ними производились маневры двигателями, чтобы каждый раз правильно входить в гравитационную «воронку» планеты. «Мессенджеру» предстоит совершить еще пять маневров (два гравитационных и три - двигателями), прежде чем он станет спутником ближайшей к Солнцу планеты. За это время он «намотает» вокруг Солнца 8 миллиардов километров - больше, чем до Плутона! Однако, не будь траектория столь сложной, при современном состоянии ракетно-космической техники этот полет вообще не мог бы состояться.
ЛЕСТНИЦА ЛАГРАНЖА |
Несмотря на коррекции и гравитационные маневры, орбиты большинства межпланетных станций все же близки к классическим дугам эллипсов
и гипербол. Но в последнее время астронавигаторы все чаще используют куда более изощренные траектории, пролегающие в тех областях пространства, где
приходится в равной мере учитывать притяжение сразу двух небесных тел.
|
 |
С малой тягой к малым телам
Но гравитационные маневры - не единственный способ сэкономить топливо. Еще в 1930-х годах один из пионеров отечественного ракетного двигателестроения Валентин Петрович Глушко предложил использовать электроракетные двигатели (ЭРД). По сравнению с традиционными жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) скорость истечения рабочего тела у них на порядок выше, а значит, топлива требуется в сотни раз меньше. К сожалению, тяга ЭРД исчисляется величинами порядка нескольких граммов-силы, так что для вывода аппаратов на орбиту они не годятся. Это «двигатели открытого космоса», предназначенные для медленного, но непрерывного ускорения, длящегося месяцы, а при межпланетных полетах и годы. «Миссии с малой тягой» стали популярны лишь тогда, когда электроника, сделав гигантский скачок, позволила увеличить срок службы космических аппаратов с нескольких месяцев до нескольких лет, а то и десятилетий.
 |
Трасса полета с малой тягой совсем не похожа на классический эллипс, она представляет собой медленно разворачивающуюся спираль Архимеда. Переход с низкой околоземной орбиты на геостационарную по такой траектории затягивается на полгода. Это поистине пытка для владельца спутника, продающего услуги космической связи: каждый день ожидания обходится в десятки тысяч долларов. Приходится учитывать и такое неприятное обстоятельство, как многократный пролет через радиационные пояса Земли. Тонкая электроника очень не любит космических излучений. Но зато спутник, оснащенный ЭРД, можно запустить на геостационарную орбиту ракетой «Союз» (300 тонн), а для аппарата с обычным ЖРД уже нужен могучий «Протон» (700 тонн). Разница в стоимости запуска - в два-три раза. Вот и ломает голову заказчик космического аппарата: какой вариант выбрать? Обычно все же останавливаются на том, что быстрее: современные спутники связи начинают «отбивать» затраченные на их запуск деньги уже через пару недель после выведения на целевую орбиту. Так что в околоземном пространстве двигатели малой тяги применяют в основном для небольших коррекций орбиты.
Другое дело - полеты, скажем, к астероидам. ЭРД позволят относительно легко перекидывать межпланетную станцию с одного объекта к другому, причем не просто пролетать мимо, а подолгу задерживаться у каждого. По причине своей ничтожной (по сравнению с планетами) массы астероиды обладают мизерной гравитацией. Их облет мало похож на обычное орбитальное движение вокруг больших планет. Орбитальные скорости здесь измеряются сантиметрами в секунду, а периоды - многими сутками. Чтобы облететь астероид быстрее, приходится почти постоянно «работать двигателями». Стоит их выключить, и аппарат просто улетит от планетоида. Но зато практически полное отсутствие гравитации позволяет садиться на поверхность астероида и взлетать с него при минимальных затратах топлива.
По большому счету слово «посадка» здесь можно употреблять лишь условно: причаливание межпланетного зонда к астероиду больше напоминает стыковку двух космических кораблей, нежели классическую посадку на поверхность планеты. Этот фокус проделывали японцы со своим зондом «Хаябуса», который дважды опускался на поверхность астероида Итокава и поднимался с нее. Кстати, этот же полет показал, насколько непросто управлять аппаратом вблизи поверхности астероида. Обмен сигналами с аппаратом занимает десятки минут, так что отдавать ему команды в реальном времени невозможно, несмотря на небольшие скорости. Поэтому отработка автономной навигации вблизи неровной поверхности астероида была одной из основных задач «Хаябусы».
Стартовавший в сентябре 2007 года к астероидам Церере и Весте американский зонд «Заря» (Dawn) оснащен ионными двигателями с тягой меньше одной десятой Ньютона (вес 10-гранного груза). За сутки работы они ускоряют аппарат массой около тонны на 25 км/ч. Это не так мало, как может показаться: за год подобными темпами можно набрать 2,5 км/с. Полного же запаса топлива на борту (425 килограммов) хватит для изменения скорости аппарата на 10 км/с - никаким межпланетным аппаратам с химическими двигателями подобное недоступно.
Планетарные двигатели
Попробуем пофантазировать и представим, что наконец-то решено отправить экипаж, состоящий из людей, скажем, в систему Сатурна. Можно выбрать быстрый перелет с большой тягой: собрать межпланетный корабль на околоземной орбите, выдать при помощи ЖРД мощный разгонный импульс и по гиперболе отправиться в путешествие. Лететь все равно придется долго - несколько лет. Масса топлива нужна огромная. А значит, для снаряжения гигантского корабля потребуется не один десяток сверхтяжелых ракет. Запасы кислорода, воды, пищи и всего, что нужно в межпланетном полете, теряются на фоне огромной массы топлива, необходимого не только для разгона у Земли, но и для торможения у цели путешествия, и для возвращения к родной планете…
 |
А что если попробовать малую тягу? Безумное количество топлива существенно сократится, а срок путешествия, как ни странно, может остаться прежним! Ведь двигатели корабля будут работать всю дорогу - полпути на разгон, а полпути - на торможение. Правда, тягу электрореактивных двигателей придется увеличить в сотни раз по сравнению с теми, что стоят на зонде «Заря». Но во-первых, такие разработки уже ведутся, а во-вторых, двигателей может быть много.
Для питания ЭРД понадобится несколько мегаватт энергии. Вблизи Земли ее можно было бы получать даром - от огромных солнечных батарей площадью тысячи, если не десятки тысяч квадратных метров. Но с удалением от Солнца их эффективность быстро падает: у Марса - на 60%, у Юпитера - в 30 раз. Так что для полетов к планетам-гигантам придется использовать ядерный реактор. И еще, скорее всего, ЖРД все-таки понадобятся для того, чтобы быстрее пройти опасные радиационные пояса вблизи Земли. Видимо, именно комбинированные двигательные установки будут применяться в межпланетных пилотируемых миссиях будущего.
Не только гравитация
Дальний космос таит в себе немало загадок. Казалось бы, что может быть точнее баллистических расчетов, в основе которых лежат законы небесной механики? Не тут-то было! На космический зонд действует множество сил, которые трудно учесть заранее. Давление солнечного излучения и солнечный ветер, магнитные поля планет и истечение газа из самого аппарата - все это сказывается на скорости его движения. Даже тепловое излучение зонда и радиосигнал, посылаемый на Землю узконаправленной антенной, вызывают отдачу, которую приходится учитывать при точной навигации. А то что происходило с уже упоминавшимися «Пионерами», вообще не получило пока должного объяснения. Работающий в NASA российский астрофизик Вячеслав Турышев обнаружил около 10 лет назад, что зонды испытывают очень небольшое аномальное торможение. За 20 лет полета аномалия «Пионеров» привела к тому, что, подлетая к границам Солнечной системы, космические аппараты отклонились от расчетного положения на 400 тысяч километров! Какие только гипотезы не выдвигались для объяснения аномалии. От уже упомянутых магнитных полей и испарения остатков топлива из топливных магистралей до наличия на границах Солнечной системы массивных невидимых объектов. Некоторые физики считают аномалию указанием на неточность современной теории гравитации, другие видят в ней проявление космологических факторов вроде темной материи и темной энергии. Исчерпывающего объяснения пока нет, а группа Турышева продолжает обрабатывать данные о полете «Пионеров». Как бы то ни было, при проектировании новых траекторий межпланетных полетов придется учитывать возможность подобных неожиданных явлений.
В общем, работа космического баллистика балансирует на грани искусства и точных наук. Ему всегда приходится решать задачу со многими неизвестными, усугубленную стремлением заказчика сделать все «быстрее и дешевле», не выходя за рамки физических законов. Так что, несомненно, мы еще станем свидетелями рождения многих новых нетривиальных космических траекторий.
Гравитационный маневр — это способ изменить направление движения космического аппарата, а так же увеличить или уменьшить его скорость, используя гравитацию массивных объектов и не используя ценное топливо на борту космического аппарата.
Вероятно, о возможности подобного гравитационного маневра догадывались ещё античные астрономы и звездочеты древнего Вавилона, когда наблюдали движения комет, меняющих свою траекторию и скорость, когда пролетали рядом с другими небесными телами.
Принцип действия гравитационного маневра можно описать следующим образом: если космический аппарат сближается с внутренней стороной орбиты планеты, то его скорость замедляется. Если же аппарат пролет с внешней стороны орбиты планеты, то его скорость увеличится. Этот принцип действия напоминает работу пращника, метающего снаряды. Именно поэтому часто гравитационный маневр называют «гравитационной пращей».
Использование гравитационного маневра для торможения | www.commons.wikimedia.org/wiki/File:Swingby_dec_anim.gif 
Использование гравитационного маневра для ускорения | www.commons.wikimedia.org/wiki/File:Swingby_acc_anim.gif Следует понимать, что в системе отсчета, связанной с небесным объектом, который используется для гравитационного маневра (например, зонд проходит около Венеры), никакого положительно эффекта для космического аппарата наблюдаться не будет, кроме изменения его траектории полета. Однако относительно других небесных тел (например, Солнца) космический аппарат станет двигаться быстрее/медленнее.
Преимущества гравитационного маневра очевидны. Он позволяет увеличивать/замедлять скорость без необходимости включать двигатели, что ведет к большой экономии топлива. Меньше топлива — больше полезной нагрузки. Соответственно, на один космический аппарат умещается столько полезной нагрузки, сколько бы пришлось нести двум аппаратам, которые не использовали эффект «гравитационной пращи». Сэкономленные в результате деньги можно распределить на другие космические проекты.
Наверное, самым знаменитым аппаратом, использовавшим гравитационный маневр, стал американский «Вояджер-2». Благодаря системе разгонов и торможений, он слетал в турне по Солнечной системе по маршруту «Земля-Юпитер-Сатурн-Уран-Нептун». А сейчас, получив ускорение от планет, уже вышел за границы Солнечной системы.
Не менее интересен аппарат «Вояджер 1». Его текущая скорость в 17 км/с, достигнутая при помощи гравитационных маневров, является самой высокой среди всех рукотворных объектов человека, хотя при старте она была на порядок меньше.
К комбинации гравитационных маневров была вынуждена прибегнуть межпланетная станция «Кассини». Два раза использовав гравитационное поле Венеры и по одному разу Земли и Юпитера, аппарат разогнался до необходимой скорости, использовав при этом в 25 раз (!) меньше топлива, чем ему понадобилось бы без использования гравитационных маневров.
Это интересно: г равитационный маневр выгоднее всего применять вблизи объектов, обладающих большей скоростью и большей гравитацией. Идеальный кандидат на место такого объекта очевиден: звезды. Умы ученых давно будоражит идея пролететь на космическом аппарате вблизи нейтронных звезд. Согласно подсчетам, такой маневр смог бы разогнать корабль до 1/3 скорости света. Вот это величина! С такой скоростью межгалактические полеты уже не кажутся такими уж невозможными…
Иллюстрация: bigstockphoto | 3DSculptor
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
