Letovi svemirskih letjelica uključuju veliku potrošnju energije. Primjerice, raketa-nosač Soyuz, koja stoji na lansirnoj platformi i spremna za lansiranje, teži 307 tona, od čega više od 270 tona čini gorivo, odnosno lavovski udio. Potreba za trošenjem lude količine energije na kretanje u svemiru uvelike je povezana s poteškoćama svladavanja dalekih područja Sunčevog sustava.
Nažalost, tehnički iskorak u tom smjeru još se ne očekuje. Masa pogonskog goriva i dalje je jedan od ključnih čimbenika u planiranju svemirskih misija, a inženjeri koriste svaku priliku za uštedu goriva kako bi produžili rad uređaja. Gravitacijski manevri su jedan od načina za uštedu novca.
Kako letjeti u svemiru i što je gravitacija
Princip pomicanja uređaja u vakuumu (okolina iz koje 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 dobivenaSovjetski znanstvenici 1957. Po prvi put u povijesti, aparat napravljen ljudskim rukama, koji je postigao prvu kozmičku brzinu (oko 8 km/s), postao je umjetni satelit planeta Zemlje.
Trebalo je oko 170 tona željeza, elektronike, pročišćenog kerozina i tekućeg kisika za lansiranje uređaja teškog nešto više od 80 kg u nisku Zemljinu orbitu.
Od svih zakona i principa svemira, 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 umjetnog satelita Zemlje, znanstvenici su jasno shvatili da ne samo povećanje veličine raketa i snage njihovih motora može biti ključ uspjeha. Istraživače su na traženje takvih trikova 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 mjesta za izgradnju kozmodroma.
Objasnimo. Da bi postala umjetni satelit Zemlje, raketa treba ubrzati do 8 km/s. Ali sam naš planet je u stalnom pokretu. Svaka točka koja se nalazi na ekvatoru rotira se brzinom većom od 460 metara u sekundi. Dakle, raketa lansirana u bezzračni prostor u području nulte paralele bit će sama po sebiimati slobodno gotovo 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 projekt usmjeren na smanjenje učinka gravitacije na lansirno vozilo pojavio se 1964. godine. Bio je to prvi morski kozmodrom "San Marco", koji su Talijani sastavili s dvije platforme za bušenje i koji se nalazio na ekvatoru. Kasnije je ovaj princip bio temelj međunarodnog projekta Sea Launch, koji do danas uspješno lansira komercijalne satelite.
Tko je bio prvi
Što je s misijama dubokog svemira? Znanstvenici iz SSSR-a bili su pioniri u korištenju gravitacije kozmičkih tijela za promjenu putanje leta. Obrnutu stranu našeg prirodnog satelita, kao što znate, prvi je fotografirao sovjetski aparat Luna-1. Bilo je važno da se uređaj nakon leta oko Mjeseca imao vremena vratiti na Zemlju kako bi ga sjeverna hemisfera okrenula prema njoj. Uostalom, informacije (primljene fotografske slike) morale su se prenijeti ljudima, a stanice za praćenje, radio antenske antene nalazile su se upravo na sjevernoj hemisferi.
Ne manje uspješno su američki znanstvenici uspjeli upotrijebiti gravitacijske manevre za promjenu putanje letjelice. Međuplanetarna automatska letjelica "Mariner 10" nakon preleta blizu Venere morala je smanjiti brzinu kako bi otišla u nižu cirkumsolarnu orbitu iistražiti 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. To ovisi i o masi oba tijela i o udaljenosti između njih. Što bliže, to jače. Štoviše, kako se tijela približavaju jedno drugom, sila privlačnosti raste eksponencijalno.
Slika pokazuje kako svemirske letjelice, leteći u blizini velikog kozmičkog tijela (nekog planeta), mijenjaju svoju putanju. Štoviše, tijek kretanja uređaja pod brojem 1, koji leti najdalje od masivnog objekta, vrlo se neznatno mijenja. Što se ne može reći o uređaju broj 6. Planetoid dramatično mijenja smjer leta.
Što je gravitacijski remen. Kako radi
Upotreba gravitacijskih manevara omogućuje ne samo promjenu smjera letjelice, već i prilagođavanje njezine 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 planet koji bježi od njega. Mnogo masivnije tijelo svojom gravitacijskom silom vuče manje tijelo, raspršujući ga.
Usput, ne samo da se svemirski brodovi ubrzavaju na ovaj način. Poznato je da nebeska tijela koja nisu vezana za zvijezde silovito lutaju galaksijom. To mogu biti i relativno mali asteroidi (od kojih jedan, usput rečeno, sada posjećuje Sunčev sustav), i planetoidi pristojne veličine. Astronomi vjeruju da je gravitacijska remena, tj. udar većeg kozmičkog tijela, ta koja izbacuje manje masivne objekte iz njihovih sustava, osuđujući ih na vječna lutanja u ledenoj hladnoći praznog prostora.
Kako usporiti
Ali, koristeći gravitacijske manevre svemirskih letjelica, možete ne samo ubrzati, već i usporiti njihovo kretanje. Shema takvog kočenja prikazana je na slici.
Na dijelu putanje označenom crvenom bojom, privlačnost planeta, za razliku od varijante s gravitacijskom remenom, usporit će 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 područja blizu Sunca. Činjenica je da kada se kreće prema Suncu ili, na primjer, prema planetu Merkuru najbližem zvijezdi, bilo koji uređaj, ako ne primijenite mjere za kočenje, htio-ne htio ubrzati. Naša zvijezda ima nevjerojatnu masu i ogromnu snagu privlačnosti. Letjelica koja je dobila preveliku brzinu neće moći ući u orbitu Merkura, najmanjeg planeta solarne obitelji. Brod će se samo provućimali Mercury ga ne može povući dovoljno jako. Motori se mogu koristiti za kočenje. Ali gravitacijska putanja prema Suncu, recimo na Mjesecu, a zatim na Veneri, smanjila bi korištenje raketnog pogona. To znači da će biti potrebno manje goriva, a oslobođena težina može se 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 gotovo su uvijek planirane s prilagodbama gravitacije. Stvar je u tome što sada astrofizičari, zahvaljujući razvoju računalne tehnologije, kao i dostupnosti najtočnijih podataka o tijelima Sunčevog sustava, prvenstveno njihovoj masi i gustoći, imaju na raspolaganju točnije izračune. I potrebno je iznimno precizno izračunati gravitacijski manevar.
Dakle, postavljanje putanje dalje od planeta nego što je potrebno prepuno je činjenice da skupa oprema uopće neće letjeti tamo gdje je planirano. A podcjenjivanje mase može čak ugroziti i sudar broda s površinom.
Prvak u manevrima
Ovo se, naravno, može smatrati drugom letjelicom u misiji Voyager. Lansiran 1977., uređaj trenutno napušta svoj izvorni zvjezdani sustav, povlačeći se u nepoznato.
Tijekom svog rada, aparat je posjetio Saturn, Jupiter, Uran i Neptun. Tijekom cijelog leta na njega je djelovala privlačnost Sunca od kojega se brod postupno udaljavao. Ali, zahvaljujući dobro proračunatoj gravitacijimanevre, za svaki od planeta, njegova brzina se nije smanjivala, nego je rasla. Za svaki istraženi planet ruta je izgrađena na principu gravitacijske remene. Bez primjene gravitacijske korekcije, Voyager ga ne bi mogao poslati ovako daleko.
Osim Voyagera, gravitacijski manevri korišteni su za pokretanje tako dobro poznatih misija kao što su Rosetta ili New Horizons. Dakle, Rosetta je, prije nego što je krenula u potragu za kometom Churyumov-Gerasimenko, napravila čak 4 ubrzana gravitacijska manevra u blizini Zemlje i Marsa.
