Οι πτήσεις με διαστημόπλοια συνεπάγονται τεράστια κατανάλωση ενέργειας. Για παράδειγμα, το όχημα εκτόξευσης Soyuz, που στέκεται στην εξέδρα εκτόξευσης και είναι έτοιμο για εκτόξευση, ζυγίζει 307 τόνους, εκ των οποίων περισσότεροι από 270 τόνοι είναι καύσιμο, δηλαδή η μερίδα του λέοντος. Η ανάγκη να ξοδέψετε μια τρελή ποσότητα ενέργειας στην κίνηση στο διάστημα σχετίζεται σε μεγάλο βαθμό με τις δυσκολίες του να κυριαρχήσετε τις μακρινές περιοχές του ηλιακού συστήματος.
Δυστυχώς, δεν αναμένεται ακόμη τεχνική πρόοδος προς αυτή την κατεύθυνση. Η μάζα του προωθητικού παραμένει ένας από τους βασικούς παράγοντες στον σχεδιασμό διαστημικών αποστολών και οι μηχανικοί εκμεταλλεύονται κάθε ευκαιρία για να εξοικονομήσουν καύσιμα προκειμένου να παρατείνουν τη λειτουργία της συσκευής. Οι ελιγμοί βαρύτητας είναι ένας τρόπος εξοικονόμησης χρημάτων.
Πώς να πετάξεις στο διάστημα και τι είναι η βαρύτητα
Η αρχή της κίνησης της συσκευής σε κενό (ένα περιβάλλον από το οποίο είναι αδύνατο να ωθηθεί είτε με έλικα, είτε με τροχούς, ή οτιδήποτε άλλο) είναι η ίδια για όλους τους τύπους κινητήρων πυραύλων που κατασκευάζονται στη Γη. Αυτή είναι η ώθηση τζετ. Η βαρύτητα αντιτίθεται στη δύναμη ενός κινητήρα τζετ. Αυτή η μάχη ενάντια στους νόμους της φυσικής έχει κερδηθείΣοβιετικοί επιστήμονες το 1957. Για πρώτη φορά στην ιστορία, μια συσκευή φτιαγμένη από ανθρώπινο χέρι, έχοντας αποκτήσει την πρώτη κοσμική ταχύτητα (περίπου 8 km/s), έγινε τεχνητός δορυφόρος του πλανήτη Γη.
Χρειάστηκαν περίπου 170 τόνοι σιδήρου, ηλεκτρονικών ειδών, καθαρής κηροζίνης και υγρού οξυγόνου για να εκτοξευθεί μια συσκευή βάρους μόλις 80 κιλών σε χαμηλή γήινη τροχιά.
Από όλους τους νόμους και τις αρχές του σύμπαντος, η βαρύτητα είναι, ίσως, ένας από τους κύριους. Διέπει τα πάντα, ξεκινώντας από τη διάταξη στοιχειωδών σωματιδίων, ατόμων, μορίων και τελειώνοντας με την κίνηση των γαλαξιών. Είναι επίσης ένα εμπόδιο για την εξερεύνηση του διαστήματος.
Όχι μόνο καύσιμα
Ακόμη και πριν από την εκτόξευση του πρώτου τεχνητού δορυφόρου της Γης, οι επιστήμονες κατάλαβαν ξεκάθαρα ότι όχι μόνο η αύξηση του μεγέθους των πυραύλων και της ισχύος των κινητήρων τους θα μπορούσε να είναι το κλειδί της επιτυχίας. Οι ερευνητές παρακινήθηκαν να ψάξουν για τέτοια κόλπα από τα αποτελέσματα των υπολογισμών και των πρακτικών δοκιμών, που έδειξαν πόσο καταναλώνουν καύσιμα οι πτήσεις έξω από την ατμόσφαιρα της γης. Η πρώτη τέτοια απόφαση για τους Σοβιετικούς σχεδιαστές ήταν η επιλογή της τοποθεσίας για την κατασκευή του κοσμοδρομίου.
Ας εξηγήσουμε. Για να γίνει ένας τεχνητός δορυφόρος της Γης, ο πύραυλος πρέπει να επιταχύνει στα 8 km/s. Όμως ο ίδιος ο πλανήτης μας βρίσκεται σε συνεχή κίνηση. Οποιοδήποτε σημείο βρίσκεται στον ισημερινό περιστρέφεται με ταχύτητα μεγαλύτερη από 460 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Έτσι, ένας πύραυλος που εκτοξεύεται σε χώρο χωρίς αέρα στην περιοχή του μηδενικού παραλλήλου θα είναι από μόνος τουέχετε ελεύθερο σχεδόν μισό χιλιόμετρο ανά δευτερόλεπτο.
Γι' αυτό, στις μεγάλες εκτάσεις της ΕΣΣΔ, επιλέχθηκε ένα μέρος προς τα νότια (η ταχύτητα της καθημερινής περιστροφής στο Μπαϊκονούρ είναι περίπου 280 m/s). Ένα ακόμη πιο φιλόδοξο έργο με στόχο τη μείωση της επίδρασης της βαρύτητας στο όχημα εκτόξευσης εμφανίστηκε το 1964. Ήταν το πρώτο θαλάσσιο κοσμοδρόμιο «San Marco», που συναρμολογήθηκε από τους Ιταλούς από δύο πλατφόρμες γεώτρησης και βρισκόταν στον ισημερινό. Αργότερα, αυτή η αρχή αποτέλεσε τη βάση του διεθνούς έργου Sea Launch, το οποίο εκτοξεύει με επιτυχία εμπορικούς δορυφόρους μέχρι σήμερα.
Ποιος ήταν ο πρώτος
Τι γίνεται με τις αποστολές στο βαθύ διάστημα; Επιστήμονες από την ΕΣΣΔ ήταν πρωτοπόροι στη χρήση της βαρύτητας των κοσμικών σωμάτων για να αλλάξουν την πορεία πτήσης. Η πίσω πλευρά του φυσικού μας δορυφόρου, όπως γνωρίζετε, φωτογραφήθηκε για πρώτη φορά από τη σοβιετική συσκευή Luna-1. Ήταν σημαντικό ότι μετά την πτήση γύρω από το φεγγάρι, η συσκευή είχε χρόνο να επιστρέψει στη Γη, έτσι ώστε να στραφεί προς αυτήν από το βόρειο ημισφαίριο. Άλλωστε, οι πληροφορίες (οι ληφθείσες φωτογραφικές εικόνες) έπρεπε να μεταδοθούν στους ανθρώπους και οι σταθμοί παρακολούθησης, τα πιάτα κεραίας ραδιοφώνου βρίσκονταν ακριβώς στο βόρειο ημισφαίριο.
Όχι λιγότερο με επιτυχία κατάφερε να χρησιμοποιήσει βαρυτικούς ελιγμούς για να αλλάξει την τροχιά του διαστημικού σκάφους από Αμερικανούς επιστήμονες. Το διαπλανητικό αυτόματο διαστημικό σκάφος "Mariner 10" μετά από μια πτήση κοντά στην Αφροδίτη έπρεπε να μειώσει την ταχύτητα για να πάει σε μια χαμηλότερη περικυκλική τροχιά καιεξερευνήστε τον Ερμή. Αντί να χρησιμοποιηθεί η ώθηση τζετ των κινητήρων για αυτόν τον ελιγμό, η ταχύτητα του οχήματος επιβραδύνθηκε από το βαρυτικό πεδίο της Αφροδίτης.
Πώς λειτουργεί
Σύμφωνα με το νόμο της παγκόσμιας βαρύτητας, που ανακαλύφθηκε και επιβεβαιώθηκε πειραματικά από τον Ισαάκ Νεύτωνα, όλα τα σώματα με μάζα έλκονται μεταξύ τους. Η δύναμη αυτής της έλξης μετριέται και υπολογίζεται εύκολα. Εξαρτάται τόσο από τη μάζα και των δύο σωμάτων όσο και από την απόσταση μεταξύ τους. Όσο πιο κοντά, τόσο πιο δυνατός. Επιπλέον, καθώς τα σώματα πλησιάζουν το ένα το άλλο, η δύναμη της έλξης αυξάνεται εκθετικά.
Το σχήμα δείχνει πώς τα διαστημόπλοια, που πετούν κοντά σε ένα μεγάλο κοσμικό σώμα (κάποιο πλανήτη), αλλάζουν την τροχιά τους. Επιπλέον, η πορεία κίνησης της συσκευής κάτω από τον αριθμό 1, που πετάει πιο μακριά από το τεράστιο αντικείμενο, αλλάζει πολύ ελαφρά. Τι δεν μπορούμε να πούμε για τον αριθμό της συσκευής 6. Το πλανητοειδή αλλάζει δραματικά την κατεύθυνση πτήσης του.
Τι είναι η σφεντόνα βαρύτητας. Πώς λειτουργεί
Η χρήση ελιγμών βαρύτητας επιτρέπει όχι μόνο την αλλαγή της κατεύθυνσης του διαστημικού σκάφους, αλλά και τη ρύθμιση της ταχύτητάς του.
Το σχήμα δείχνει την τροχιά ενός διαστημικού σκάφους, που συνήθως χρησιμοποιείται για την επιτάχυνσή του. Η αρχή λειτουργίας ενός τέτοιου ελιγμού είναι απλή: στο τμήμα της τροχιάς που επισημαίνεται με κόκκινο, η συσκευή φαίνεται να προλαβαίνει τον πλανήτη να τρέχει μακριά της. Ένα πολύ πιο μαζικό σώμα έλκει ένα μικρότερο σώμα με τη δύναμη της βαρύτητας του, διασκορπίζοντάς το.
Με την ευκαιρία, όχι μόνο τα διαστημόπλοια επιταχύνονται με αυτόν τον τρόπο. Είναι γνωστό ότι τα ουράνια σώματα που δεν είναι δεμένα με τα αστέρια περιφέρονται στον γαλαξία με δύναμη και κύρια. Αυτοί μπορεί να είναι και σχετικά μικροί αστεροειδείς (ένας από τους οποίους, παρεμπιπτόντως, τώρα επισκέπτεται το ηλιακό σύστημα) και πλανητοειδή αξιοπρεπούς μεγέθους. Οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι είναι η βαρυτική σφεντόνα, δηλαδή η πρόσκρουση ενός μεγαλύτερου κοσμικού σώματος, που πετά λιγότερο μαζικά αντικείμενα από τα συστήματά τους, καταδικάζοντάς τα σε αιώνιες περιπλανήσεις στο παγωμένο κρύο του κενού χώρου.
Πώς να επιβραδύνετε
Αλλά, χρησιμοποιώντας τους βαρυτικούς ελιγμούς των διαστημικών σκαφών, μπορείτε όχι μόνο να επιταχύνετε, αλλά και να επιβραδύνετε την κίνησή τους. Το σχήμα αυτού του φρεναρίσματος φαίνεται στο σχήμα.
Στο τμήμα της τροχιάς που επισημαίνεται με κόκκινο, η έλξη του πλανήτη, σε αντίθεση με την παραλλαγή με μια βαρυτική σφεντόνα, θα επιβραδύνει την κίνηση της συσκευής. Άλλωστε, το διάνυσμα της βαρύτητας και η κατεύθυνση πτήσης του πλοίου είναι αντίθετα.
Πότε χρησιμοποιείται; Κυρίως για την εκτόξευση αυτόματων διαπλανητικών σταθμών στις τροχιές των πλανητών που μελετήθηκαν, καθώς και για τη μελέτη εγγύς ηλιακών περιοχών. Το γεγονός είναι ότι όταν κινείστε προς τον Ήλιο ή, για παράδειγμα, προς τον πλανήτη Ερμή που βρίσκεται πιο κοντά στο αστέρι, οποιαδήποτε συσκευή, εάν δεν εφαρμόσετε μέτρα για το φρενάρισμα, επιταχύνει ηθελημένα ή μη. Το αστέρι μας έχει μια απίστευτη μάζα και μια τεράστια δύναμη έλξης. Ένα διαστημόπλοιο που έχει αποκτήσει υπερβολική ταχύτητα δεν θα μπορέσει να εισέλθει στην τροχιά του Ερμή, του μικρότερου πλανήτη της ηλιακής οικογένειας. Το πλοίο απλώς θα γλιστρήσειαπό, ο μικρός Ερμής δεν μπορεί να το τραβήξει αρκετά δυνατά. Οι κινητήρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για φρενάρισμα. Αλλά μια βαρυτική τροχιά προς τον Ήλιο, ας πούμε στη Σελήνη και μετά στην Αφροδίτη, θα ελαχιστοποιούσε τη χρήση της πρόωσης πυραύλων. Αυτό σημαίνει ότι θα χρειαστούν λιγότερα καύσιμα και το ελευθερωμένο βάρος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να φιλοξενήσει πρόσθετο ερευνητικό εξοπλισμό.
Μπείτε στο μάτι της βελόνας
Ενώ οι πρώιμοι βαρυτικοί ελιγμοί διεξήχθησαν δειλά και διστακτικά, οι διαδρομές των τελευταίων διαπλανητικών διαστημικών αποστολών σχεδιάζονται σχεδόν πάντα με βαρυτικές προσαρμογές. Το θέμα είναι ότι τώρα οι αστροφυσικοί, χάρη στην ανάπτυξη της τεχνολογίας των υπολογιστών, καθώς και στη διαθεσιμότητα των πιο ακριβών δεδομένων για τα σώματα του ηλιακού συστήματος, κυρίως τη μάζα και την πυκνότητά τους, έχουν διαθέσιμους πιο ακριβείς υπολογισμούς. Και είναι απαραίτητο να υπολογιστεί ο ελιγμός βαρύτητας με εξαιρετική ακρίβεια.
Έτσι, η χάραξη μιας τροχιάς πιο μακριά από τον πλανήτη από όσο χρειάζεται είναι γεμάτη από το γεγονός ότι ο ακριβός εξοπλισμός δεν θα πετάξει καθόλου εκεί που είχε προγραμματιστεί. Και η υποτίμηση της μάζας μπορεί να απειλήσει ακόμη και τη σύγκρουση του πλοίου με την επιφάνεια.
Πρωταθλητής σε ελιγμούς
Αυτό, φυσικά, μπορεί να θεωρηθεί το δεύτερο διαστημόπλοιο της αποστολής Voyager. Η συσκευή κυκλοφόρησε το 1977 και αυτή τη στιγμή εγκαταλείπει το εγγενές σύστημα αστεριών της, αποσύρεται στο άγνωστο.
Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας της, η συσκευή επισκέφτηκε τον Κρόνο, τον Δία, τον Ουρανό και τον Ποσειδώνα. Καθ' όλη τη διάρκεια της πτήσης, η έλξη του Ήλιου ενεργούσε πάνω του, από την οποία το πλοίο απομακρύνθηκε σταδιακά. Αλλά, χάρη στην καλά υπολογισμένη βαρυτική δύναμηελιγμών, για κάθε έναν από τους πλανήτες, η ταχύτητά του δεν μειώθηκε, αλλά αυξήθηκε. Για κάθε πλανήτη που εξερευνήθηκε, η διαδρομή χτίστηκε με βάση την αρχή της βαρυτικής σφεντόνας. Χωρίς την εφαρμογή της βαρυτικής διόρθωσης, το Voyager δεν θα μπορούσε να το στείλει ως εδώ.
Εκτός από τα Voyagers, έχουν χρησιμοποιηθεί ελιγμοί βαρύτητας για την εκτόξευση γνωστών αποστολών όπως η Rosetta ή οι New Horizons. Έτσι, η Rosetta, προτού αναζητήσει τον κομήτη Churyumov-Gerasimenko, έκανε έως και 4 επιταχυντικούς ελιγμούς βαρύτητας κοντά στη Γη και τον Άρη.
