Lety vesmírných lodí vyžadují obrovskou spotřebu energie. Například nosná raketa Sojuz, stojící na startovací rampě a připravená ke startu, váží 307 tun, z toho více než 270 tun je palivo, tedy lví podíl. Potřeba vynaložit šílené množství energie na pohyb ve vesmíru do značné míry souvisí s obtížemi při zvládnutí vzdálených končin sluneční soustavy.
Technický průlom v tomto směru se bohužel zatím neočekává. Hmotnost pohonné hmoty zůstává jedním z klíčových faktorů při plánování vesmírných misí a inženýři využívají každé příležitosti k úspoře paliva, aby prodloužili provoz zařízení. Gravitační manévry jsou jedním ze způsobů, jak ušetřit peníze.
Jak létat ve vesmíru a co je gravitace
Princip pohybu zařízení ve vakuu (prostředí, ze kterého se nelze odrazit ani vrtulí, ani koly, ani čímkoli jiným) je stejný pro všechny typy raketových motorů vyrobených na Zemi. Toto je proudový tah. Gravitace je proti síle proudového motoru. Tato bitva proti fyzikálním zákonům byla vyhránaSovětští vědci v roce 1957. Poprvé v historii se přístroj vyrobený lidskou rukou, který dosáhl první kosmické rychlosti (asi 8 km/s), stal umělým satelitem planety Země.
K vypuštění zařízení o hmotnosti něco málo přes 80 kg na nízkou oběžnou dráhu Země bylo zapotřebí asi 170 tun železa, elektroniky, čištěného petroleje a kapalného kyslíku.
Ze všech zákonů a principů vesmíru je gravitace možná jedním z hlavních. Řídí vše, počínaje uspořádáním elementárních částic, atomů, molekul a konče pohybem galaxií. Je to také překážka pro průzkum vesmíru.
Nejen palivo
Ještě před vypuštěním první umělé družice Země vědci jasně chápali, že klíčem k úspěchu může být nejen zvětšení velikosti raket a výkonu jejich motorů. K hledání takových triků vědce přiměly výsledky výpočtů a praktických testů, které ukázaly, jak moc jsou lety mimo zemskou atmosféru náročné na palivo. Prvním takovým rozhodnutím pro sovětské konstruktéry byla volba místa pro stavbu kosmodromu.
Pojďme to vysvětlit. Aby se raketa stala umělým satelitem Země, musí zrychlit na 8 km/s. Ale naše planeta samotná je v neustálém pohybu. Jakýkoli bod umístěný na rovníku se otáčí rychlostí více než 460 metrů za sekundu. Raketa vypuštěná do bezvzduchového prostoru v oblasti nulové rovnoběžky tedy bude sama o soběmít zdarma téměř půl kilometru za sekundu.
Proto bylo v širokých oblastech SSSR vybráno místo na jih (rychlost denní rotace na Bajkonuru je asi 280 m/s). Ještě ambicióznější projekt zaměřený na snížení vlivu gravitace na nosnou raketu se objevil v roce 1964. Byl to první mořský kosmodrom „San Marco“, který Italové sestavili ze dvou vrtných plošin a nacházel se na rovníku. Později tento princip vytvořil základ mezinárodního projektu Sea Launch, který úspěšně vypouští komerční družice dodnes.
Kdo byl první
A co mise do hlubokého vesmíru? Vědci ze SSSR byli průkopníky ve využívání gravitace vesmírných těles ke změně dráhy letu. Zadní stranu naší přirozené družice, jak víte, poprvé vyfotografoval sovětský přístroj Luna-1. Důležité bylo, aby se zařízení po průletu kolem Měsíce stihlo vrátit na Zemi, aby k ní bylo otočeno severní polokoulí. Koneckonců, informace (přijaté fotografické snímky) musely být předány lidem a sledovací stanice, antény rádiových antén byly umístěny přesně na severní polokouli.
Neméně úspěšně se americkým vědcům podařilo pomocí gravitačních manévrů změnit trajektorii kosmické lodi. Meziplanetární automatická kosmická loď „Mariner 10“po průletu poblíž Venuše musela snížit rychlost, aby se dostala na nižší cirkumsolární dráhu aprozkoumat Merkur. Místo použití proudového tahu motorů pro tento manévr byla rychlost vozidla zpomalena gravitačním polem Venuše.
Jak to funguje
Podle zákona o univerzální gravitaci, který objevil a experimentálně potvrdil Isaac Newton, se všechna tělesa s hmotností navzájem přitahují. Síla této přitažlivosti se snadno změří a spočítá. Záleží jak na hmotnosti obou těles, tak na vzdálenosti mezi nimi. Čím blíž, tím silnější. Navíc, jak se tělesa k sobě přibližují, síla přitažlivosti roste exponenciálně.
Obrázek ukazuje, jak kosmické lodě, letící poblíž velkého kosmického tělesa (nějaké planety), mění svou trajektorii. Navíc průběh pohybu zařízení pod číslem 1, letícího nejdále od masivního objektu, se velmi mírně mění. Co nelze říci o zařízení číslo 6. Planetoida dramaticky mění směr svého letu.
Co je to gravitační smyčka. Jak to funguje
Použití gravitačních manévrů umožňuje nejen změnit směr kosmické lodi, ale také upravit její rychlost.
Obrázek ukazuje trajektorii kosmické lodi, která se obvykle používá k jejímu urychlení. Princip fungování takového manévru je jednoduchý: v úseku trajektorie zvýrazněném červeně se zdá, že zařízení dohání planetu, která před ním utíká. Mnohem masivnější těleso táhne svou gravitační silou menší těleso a rozptyluje ho.
Mimochodem, tímto způsobem se urychlují nejen vesmírné lodě. Je známo, že nebeská tělesa, která nejsou svázána s hvězdami, se potulují galaxií s velkou silou. Mohou to být jak relativně malé asteroidy (jeden z nich mimochodem nyní navštěvuje sluneční soustavu), tak planetoidy slušné velikosti. Astronomové se domnívají, že je to gravitační smyčka, tedy dopad většího kosmického tělesa, který vymršťuje méně hmotné objekty z jejich systémů a odsuzuje je k věčnému putování v ledovém chladu prázdného vesmíru.
Jak zpomalit
Pomocí gravitačních manévrů kosmických lodí však můžete jejich pohyb nejen zrychlit, ale také zpomalit. Schéma takového brzdění je znázorněno na obrázku.
Na úseku trajektorie zvýrazněném červeně bude přitažlivost planety, na rozdíl od varianty s gravitačním závěsem, zpomalovat pohyb zařízení. Vektor gravitace a směr letu lodi jsou totiž opačné.
Kdy se používá? Především pro vypouštění automatických meziplanetárních stanic na oběžné dráhy studovaných planet a také pro studium blízkých slunečních oblastí. Faktem je, že při pohybu ke Slunci nebo například k planetě Merkur nejblíže hvězdě jakékoli zařízení, pokud neuplatníte opatření pro brzdění, chtě nechtě zrychlí. Naše hvězda má neuvěřitelnou hmotnost a obrovskou přitažlivou sílu. Kosmická loď, která nabrala nadměrnou rychlost, nebude schopna vstoupit na oběžnou dráhu Merkuru, nejmenší planety sluneční rodiny. Loď jen proklouznemalý Merkur to nedokáže vytáhnout dostatečně silně. K brzdění lze použít motory. Ale gravitační trajektorie ke Slunci, řekněme na Měsíci a poté na Venuši, by minimalizovala použití raketového pohonu. To znamená, že bude potřeba méně paliva a uvolněná hmotnost může být použita k umístění dalšího výzkumného zařízení.
Dostat se do oka jehly
Zatímco rané gravitační manévry byly prováděny nesměle a váhavě, trasy nejnovějších meziplanetárních vesmírných misí jsou téměř vždy plánovány s gravitačními úpravami. Věc se má tak, že nyní mají astrofyzici díky rozvoji výpočetní techniky a také díky dostupnosti nejpřesnějších údajů o tělesech sluneční soustavy, především jejich hmotnosti a hustotě, k dispozici přesnější výpočty. A je nutné extrémně přesně vypočítat gravitační manévr.
Položení trajektorie dále od planety, než je nutné, je plné skutečnosti, že drahé vybavení vůbec nepoletí tam, kde bylo plánováno. A podcenění hmotnosti může dokonce ohrozit srážku lodi s hladinou.
Mistr v manévrech
Toto lze samozřejmě považovat za druhou kosmickou loď mise Voyager. Zařízení bylo vypuštěno v roce 1977 a v současné době opouští svůj původní hvězdný systém a stahuje se do neznáma.
Během své činnosti přístroj navštívil Saturn, Jupiter, Uran a Neptun. Po celou dobu letu na něj působila přitažlivost Slunce, od kterého se loď postupně vzdalovala. Ale díky dobře vypočítané gravitacimanévry, u každé z planet se její rychlost nesnižovala, ale rostla. Pro každou prozkoumanou planetu byla trasa postavena na principu gravitačního závěsu. Bez použití gravitační korekce by to Voyager nebyl schopen poslat tak daleko.
Kromě Voyagerů byly gravitační manévry použity k zahájení tak známých misí, jako je Rosetta nebo New Horizons. Takže, Rosetta, než se vydala hledat kometu Čurjumov-Gerasimenko, provedla až 4 zrychlující gravitační manévry poblíž Země a Marsu.
