Как при помощи гравитации «Вояджеры» покинули Солнечную систему
Путешествие на огромные расстояния в космосе для корабля обходится не дешево. Это не дешево по времени, не дешево в затратах топлива и, в конечном итоге, не дешево в деньгах. И если природа предлагает нам какую-то бесплатную помощь для достижения нашей цели, мы должны ее принять.
Гравитационные силы помогают космическим кораблям экономить на всех этих факторах, используя простой физический закон. Космические корабли NASA «Вояджер-1» и «Вояджер-2» (Voyager 1&2) прославились тем, что с помощью гравитации Юпитера и Сатурна ускорились, чтобы преодолеть притяжение Солнца и начать исследование межзвездного пространства.
Зачем использовать гравитацию?
Вместо того, чтобы использовать гравитацию, чтобы двигаться к месту назначения, космический корабль может просто нести больше топлива для двигателей. Но тогда космический корабль будет иметь большую массу. Увеличение массы означает, что для запуска корабля потребуется больше топлива в ракете-носителе. Поскольку большее количество топлива увеличивает вес самой ракеты, нам нужно больше топлива и для перевозки этого топлива. Затраты растут.
Когда масса космического корабля увеличивается, требования к топливу, таким образом, возрастают экспоненциально. Это увеличивает как себестоимость, так и технологическую сложность всей миссии. Но, можно сэкономить с помощью гравитационного ускорения, к тому же и уменьшив время экспедиции.
Как это сделали «Вояджеры»
При запуске у «Вояджеров» не было достаточной скорости, чтобы самостоятельно преодолеть гравитацию Солнца. Это было и остается за рамками наших технологических возможностей. И поэтому их траектория была спланирована так, чтобы использовать «гравитационные катапульты» Юпитера и Сатурна, чтобы получить дополнительную скорость, которая позволила бы выйти за пределы Солнечной системы. Как это работает легко понять в терминах векторов. В отличие от скаляряров (например, скорости), которые имеют только величину, векторы (например, той же скорости) имеют как величину, так и направление. Изменение направления подразумевает изменение скорости, что было весьма полезно для «Вояджеров». Посмотрим, каким образом.
Рассмотрим космический корабль, приближающийся к планете с траекторией, как показано на диаграмме ниже. Пусть скорость планеты вокруг Солнца равна V. Скорость космического корабля при приближении к планете равна V(in), а при удалении от планеты — V(out), как показано в случаях 1 и 2 соответственно:
V(in) можно вычислить по теореме Пифагора (квадратный корень из суммы квадратов «компонента горизонтальной скорости» космического корабля V и «компонента вертикальной скорости» U). V(out) можно выразить просто как сумму V и U, как вы можете увидеть на картинке выше. Ниже приведены расчеты скорости для каждого случая:
Из этого простого вычисления видно, что
V(out)–V(in) = 2V–1,4V = 0,6V
Т.е. космический аппарат получил 60% от скорости планеты после того, как добавилась её гравитационная помощь. Вы можете ясно видеть, что изменение направления вызывает увеличение скорости. Скорость космического корабля, таким образом, немного увеличивается и это достигается с использованием только силы тяжести планеты.
«Вояджеры» сделали это дважды, — первый раз с Юпитером, а затем с Сатурном, чтобы достичь достаточной скорости для того, чтобы преодолеть гравитацию нашего Солнца и выйти в межзвездное пространство.
Понимание энергетической загадки
Такая же ситуация выглядит совершенно иначе, если вы смотрите с точки зрения планеты. По отношению к планете скорость космического аппарата постепенно увеличивается при приближении к ней за счет гравитации. Точно так же скорость постепенно уменьшается таким же образом, когда он удаляется от нее. Таким образом, скорость аппарата по отношению к планете до и после встречи с ней одинакова. Это фактически сохранение энергии.
Но, если смотреть с точки зрения Солнца, космический корабль получает дополнительную скорость из ниоткуда, по-видимому, нарушая сохранение энергии. Так откуда же получается дополнительная скорость?
Дополнительная скорость исходит от самой планеты. Стоит вспомнить, что у космического корабля тоже есть масса, даже если она незначительна по сравнению с планетой. Поскольку гравитация работает в обоих направлениях, космический корабль немного притягивает планету и замедляет ее движение по своей орбите вокруг Солнца. Из-за сохранения энергии потерянная энергия планеты — это энергия, получаемая космическим аппаратом. Потери скорости для планеты из-за этого незначительны, но скорость, получаемая космическим аппаратом, весьма значительна, как мы можем видеть в наших расчетах выше.
Гравитация может также замедлить движение космического корабля
Кроме того, гравитационные силы могут использоваться для замедления движения космического корабля вместо ускорения его. В примере выше рассмотрим, что космический корабль приближается к планете в направлении, противоположном её движению по орбите вокруг Солнца. Таким образом, математика будет работать так, что скорость космического корабля уменьшается после сближения с планетой. Космический аппарат NASA Messenger использовал гравитацию Земли и Венеры, чтобы замедлить свое движение таким образом, что он мог быть захвачен Меркурием и остался на его орбите.
В научно-фантастическом романе «Свидание с Рамой» Артур Кларк описывает инопланетную цивилизацию, чей межзвездный космический корабль использует гравитацию нашего Солнца для выполнения своего межзвездного маневра, заставляя людей волноваться и думать об этом процессе.
Источник: Gravity assists explained simply — How the Voyagers escaped the Solar System
