Lety kozmickej lode si vyžadujú veľkú spotrebu energie. Napríklad nosná raketa Sojuz, ktorá stojí na štartovacej rampe a je pripravená na štart, váži 307 ton, z toho viac ako 270 ton je palivo, teda leví podiel. Potreba míňať šialené množstvo energie na pohyb vo vesmíre do značnej miery súvisí s ťažkosťami zvládnutia vzdialených končín slnečnej sústavy.
Žiaľ, technický prelom v tomto smere sa zatiaľ neočakáva. Množstvo pohonnej látky zostáva jedným z kľúčových faktorov pri plánovaní vesmírnych misií a inžinieri využívajú každú príležitosť na úsporu paliva, aby predĺžili prevádzku zariadenia. Gravitačné manévre sú jedným zo spôsobov, ako ušetriť peniaze.
Ako lietať vo vesmíre a čo je gravitácia
Princíp pohybu zariadenia vo vákuu (v prostredí, z ktorého sa nemožno odraziť ani vrtuľou, ani kolesami, ani čímkoľvek iným) je rovnaký pre všetky typy raketových motorov vyrobených na Zemi. Toto je prúdový ťah. Gravitácia je proti sile prúdového motora. Tento boj proti zákonom fyziky bol vyhranýSovietski vedci v roku 1957. Prvýkrát v histórii sa prístroj vyrobený ľudskou rukou, ktorý dosiahol prvú kozmickú rýchlosť (asi 8 km/s), stal umelým satelitom planéty Zem.
Na vypustenie zariadenia s hmotnosťou niečo vyše 80 kg na nízku obežnú dráhu Zeme bolo potrebných asi 170 ton železa, elektroniky, čisteného petroleja a tekutého kyslíka.
Zo všetkých zákonov a princípov vesmíru je gravitácia možno jedným z hlavných. Riadi všetko, počnúc usporiadaním elementárnych častíc, atómov, molekúl a končiac pohybom galaxií. Je to tiež prekážka pri prieskume vesmíru.
Nielen palivo
Už pred vypustením prvého umelého satelitu Zeme vedci jasne pochopili, že kľúčom k úspechu môže byť nielen zväčšovanie veľkosti rakiet a výkonu ich motorov. Vedcov k hľadaniu takýchto trikov podnietili výsledky výpočtov a praktických testov, ktoré ukázali, ako veľmi náročné sú lety mimo zemskej atmosféry. Prvým takýmto rozhodnutím pre sovietskych konštruktérov bol výber miesta pre stavbu kozmodrómu.
Poďme to vysvetliť. Aby sa raketa stala umelou družicou Zeme, musí zrýchliť na 8 km/s. Ale samotná naša planéta je v neustálom pohybe. Každý bod nachádzajúci sa na rovníku sa otáča rýchlosťou viac ako 460 metrov za sekundu. Raketa vypustená do bezvzduchového priestoru v oblasti nulovej rovnobežky bude teda sama o sebemať zadarmo takmer pol kilometra za sekundu.
Preto bolo na šírych územiach ZSSR zvolené miesto na juh (rýchlosť dennej rotácie na Bajkonure je asi 280 m/s). V roku 1964 sa objavil ešte ambicióznejší projekt zameraný na zníženie účinku gravitácie na nosnú raketu. Bol to prvý námorný kozmodróm „San Marco“, zostavený Talianmi z dvoch vrtných plošín a umiestnený na rovníku. Neskôr tento princíp vytvoril základ medzinárodného projektu Sea Launch, ktorý úspešne vypúšťa komerčné satelity dodnes.
Kto bol prvý
A čo misie do hlbokého vesmíru? Vedci zo ZSSR boli priekopníkmi vo využívaní gravitácie kozmických telies na zmenu dráhy letu. Ako viete, zadná strana nášho prirodzeného satelitu bola prvýkrát odfotografovaná sovietskym prístrojom Luna-1. Dôležité bolo, aby sa prístroj po prelete okolo Mesiaca stihol vrátiť na Zem, aby ho k nej otočila severná pologuľa. Koniec koncov, informácie (prijaté fotografické obrázky) museli byť prenášané k ľuďom a sledovacie stanice, antény rádia boli umiestnené presne na severnej pologuli.
Americkým vedcom sa nemenej úspešne podarilo použiť gravitačné manévre na zmenu trajektórie kozmickej lode. Medziplanetárna automatická kozmická loď „Mariner 10“po prelete pri Venuši musela znížiť rýchlosť, aby sa dostala na nižšiu cirkumsolárnu dráhu apreskúmať Merkúr. Namiesto použitia prúdového ťahu motorov na tento manéver bola rýchlosť vozidla spomalená gravitačným poľom Venuše.
Ako to funguje
Podľa zákona univerzálnej gravitácie, ktorý objavil a experimentálne potvrdil Isaac Newton, sa všetky telesá s hmotnosťou navzájom priťahujú. Sila tejto príťažlivosti sa dá ľahko zmerať a vypočítať. Závisí to od hmotnosti oboch telies a od vzdialenosti medzi nimi. Čím bližšie, tým silnejšie. Navyše, keď sa telesá k sebe približujú, sila príťažlivosti rastie exponenciálne.
Obrázok ukazuje, ako kozmické lode letiace blízko veľkého kozmického telesa (nejakej planéty) menia svoju trajektóriu. Navyše, priebeh pohybu zariadenia pod číslom 1, letiaceho najďalej od masívneho objektu, sa veľmi mierne mení. Čo sa nedá povedať o zariadení číslo 6. Planetoida dramaticky mení smer svojho letu.
Čo je to gravitačný popruh. Ako to funguje
Použitie gravitačných manévrov umožňuje nielen zmeniť smer kozmickej lode, ale aj upraviť jej rýchlosť.
Na obrázku je znázornená trajektória kozmickej lode, ktorá sa zvyčajne používa na jej zrýchlenie. Princíp fungovania takéhoto manévru je jednoduchý: v úseku trajektórie zvýraznenej červenou farbou sa zdá, že zariadenie dobieha planétu, ktorá mu uteká. Oveľa masívnejšie teleso ťahá svojou gravitačnou silou menšie teleso a rozptyľuje ho.
Mimochodom, takto sa urýchľujú nielen vesmírne lode. Je známe, že nebeské telesá, ktoré nie sú viazané na hviezdy, sa túlajú po galaxii s veľkou silou. Môžu to byť relatívne malé asteroidy (mimochodom jeden z nich teraz navštevuje slnečnú sústavu), ako aj planetoidy slušnej veľkosti. Astronómovia sa domnievajú, že práve gravitačný pás, t. j. dopad väčšieho kozmického telesa, vymršťuje z ich systémov menej hmotné objekty a odsudzuje ich na večné putovanie v ľadovom chlade prázdneho vesmíru.
Ako spomaliť
Pomocou gravitačných manévrov kozmických lodí však môžete ich pohyb nielen zrýchliť, ale aj spomaliť. Schéma takéhoto brzdenia je znázornená na obrázku.
V úseku trajektórie zvýraznenom červenou farbou bude príťažlivosť planéty, na rozdiel od variantu s gravitačným závesom, spomaľovať pohyb zariadenia. Koniec koncov, vektor gravitácie a smer letu lode sú opačné.
Kedy sa používa? Hlavne na vypúšťanie automatických medziplanetárnych staníc na dráhy skúmaných planét, ako aj na štúdium blízkych slnečných oblastí. Faktom je, že pri pohybe k Slnku alebo napríklad k planéte Merkúr najbližšej k hviezde akékoľvek zariadenie, ak neaplikujete opatrenia na brzdenie, chtiac-nechtiac zrýchli. Naša hviezda má neuveriteľnú hmotnosť a obrovskú príťažlivú silu. Kozmická loď, ktorá nabrala nadmernú rýchlosť, nebude môcť vstúpiť na obežnú dráhu Merkúra, najmenšej planéty slnečnej rodiny. Loď len prekĺznemalý Merkúr to nedokáže dostatočne utiahnuť. Na brzdenie je možné použiť motory. Ale gravitačná dráha k Slnku, povedzme na Mesiac a potom na Venuši, by minimalizovala použitie raketového pohonu. To znamená, že bude potrebné menej paliva a uvoľnenú hmotnosť možno použiť na umiestnenie ďalšieho výskumného zariadenia.
Dostať sa do oka ihly
Zatiaľ čo prvé gravitačné manévre boli vedené nesmelo a váhavo, trasy najnovších medziplanetárnych vesmírnych misií sú takmer vždy plánované s gravitačnými úpravami. Ide o to, že teraz majú astrofyzici vďaka rozvoju výpočtovej techniky, ako aj dostupnosti najpresnejších údajov o telesách slnečnej sústavy, predovšetkým ich hmotnosti a hustote, k dispozícii presnejšie výpočty. A je potrebné mimoriadne presne vypočítať gravitačný manéver.
Položenie trajektórie ďalej od planéty, ako je potrebné, je spojené so skutočnosťou, že drahé vybavenie vôbec nepoletí tam, kde bolo plánované. A podcenenie hmotnosti môže dokonca ohroziť zrážku lode s hladinou.
Šampión v manévroch
Toto, samozrejme, možno považovať za druhú kozmickú loď misie Voyager. Zariadenie bolo spustené v roku 1977 a momentálne opúšťa svoj pôvodný hviezdny systém a odchádza do neznáma.
Počas svojej prevádzky prístroj navštívil Saturn, Jupiter, Urán a Neptún. Počas celého letu naňho pôsobila príťažlivosť Slnka, od ktorého sa loď postupne vzďaľovala. Ale vďaka dobre vypočítanej gravitáciimanévre, pre každú z planét sa jej rýchlosť neznižovala, ale rástla. Pre každú skúmanú planétu bola trasa postavená na princípe gravitačného závesu. Bez aplikácie gravitačnej korekcie by to Voyager nebol schopný poslať tak ďaleko.
Okrem Voyagerov boli gravitačné manévre použité na spustenie takých známych misií ako Rosetta alebo New Horizons. Takže, Rosetta, predtým ako sa vydala hľadať kométu Čurjumov-Gerasimenko, urobila až 4 zrýchľovacie gravitačné manévre blízko Zeme a Marsu.
