Гравитационный манёвр

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Гравитационный манёвр для ускорения объекта (гравитационная праща)
Гравитационный манёвр для замедления объекта

Гравитационный манёвр — разгон, замедление или изменение направления полёта космического аппарата под действием гравитационных полей небесных тел. Обычно используется для экономии топлива и дополнительного разгона автоматических межпланетных станций при полётах к дальним планетам Солнечной системы.

Наиболее выгодны гравитационные манёвры у планет-гигантов, но нередко используются манёвры у Венеры, Земли, Марса и даже Луны.

Физическая суть процесса[править | править код]

Рассмотрим траекторию космического аппарата, пролетающего вблизи какого-нибудь большого небесного тела, например, Юпитера. В начальном приближении мы можем пренебречь действием на космический аппарат гравитационных сил от других небесных тел.

В системе отсчёта, связанной с Юпитером, космический аппарат разгоняется, проходит точку с минимальным расстоянием до планеты, а потом замедляется. Общая траектория космического аппарата представляет собой гиперболу, причём скорости до и после манёвра совпадают — с точки зрения наблюдателя, находящегося на Юпитере, никакого приращения скорости КА не происходит, только изменение направления его движения.

Теперь посмотрим на ту же ситуацию в системе отсчёта, связанной с Солнцем. В этой системе отсчёта планета движется по орбите (в случае Юпитера со скоростью более 13 км/с), поэтому скорость космического аппарата относительно Солнца может измениться. Юпитер увлекает КА за собой в своём движении по орбите, добавляя ему часть скорости своего орбитального движения. Чем больше масса планеты, тем бо́льшая часть скорости орбитального движения может быть передана КА. Именно поэтому гравитационные манёвры у Юпитера гораздо выгоднее, чем таковые у Марса, хотя скорость орбитального движения Марса почти вдвое выше, чем у Юпитера. Поскольку при этом происходит также и изменение направления движения КА, то модуль вектора приращения скорости может значительно превосходить орбитальную скорость движения планеты.

Максимально возможный модуль вектора приращения скорости, км/с:

Меркурий Венера Земля Луна Марс Юпитер Сатурн Уран Нептун Плутон
3,005 7,328 7,910 1,680 3,555 42,073 25,62 15,18 16,73 1,09

Таким образом, без затрат топлива можно изменить кинетическую энергию космического аппарата. Фактически, следует говорить о перераспределении кинетической энергии движения планеты и космического аппарата. Насколько возрастает (убывает) кинетическая энергия аппарата, настолько же падает (возрастает) кинетическая энергия движения планеты по её орбите. Поскольку масса искусственного космического аппарата исчезающе мала в сравнении с массой планеты (даже Луны), то изменения параметров орбиты планеты при этом оказываются исчезающе малыми, и ими можно полностью пренебречь. Например, если аппарат массой 1000 кг получает в поле тяготения Луны изменение скорости своего движения на 1 км/с, то скорость движения Луны по орбите вокруг Земли изменится лишь на несколько миллиардных долей ангстрема в секунду (то есть несколько миллиардных долей поперечника атома водорода). Другие тела Солнечной системы на движение Луны влияют на несколько порядков сильнее.

История[править | править код]

В 1938 году один из основоположников космонавтики Ю. В. Кондратюк передал Б. Н. Воробьёву рукопись «Тем кто будет читать, чтобы строить», датированную 1918—19 годами[К 1]. В ней он выдвинул идею об использовании при перелёте между планетами тяготения спутников этих планет для дополнительного ускорения космического аппарата в начале и замедления его в конце пути. В 1964 году работа Кондратюка была включена в сборник «Пионеры ракетной техники» под редакцией Т. М. Мелькумова[2]. Ф. А. Цандер независимо от Кондратюка описал принципы изменения направления и скорости космического аппарата при облёте планет и их спутников в статье «Полёты на другие планеты (теория межпланетных путешествий)», датируемой 1924—25 годами и опубликованной в 1961 году[3]. В 1964—65 годах вышеупомянутые работы Кондратюка и Цандера были переведены на английский язык NASA[4][5][значимость факта?].

В 1957 году аспирант Отделения прикладной математики Математического института имени В. А. Стеклова АН СССР (ОПМ МИАН) В. А. Егоров опубликовал статью «О некоторых задачах динамики полета к Луне», которая получила мировое признание[6]. В состав этой работы входило исследование гравитационных манёвров около Луны для разгона или торможения космического аппарата. Выводы Егорова оказались близкими к выводам Цандера[7].

На практике гравитационный манёвр был впервые осуществлён в 1959 году советской космической станцией Луна-3, которая сделала снимки обратной стороны Луны. Изменение орбиты было рассчитано так, чтобы аппарат при возвращении к Земле снова пролетел над Северным полушарием, где были расположены советские наблюдательные станции[8][9]. Расчёт манёвра основывался на исследовании ОПМ МИАН под руководством Келдыша, в котором использовались расчёты Егорова[10].

В дальнейшем данный манёвр широко использовался в межпланетных миссиях различных космических агентств.

Эффект Оберта[править | править код]

Под гравитационным манёвром иногда понимается комбинированный способ ускорения космических аппаратов с использованием «эффекта Оберта». Суть данного способа заключается в том, что при выполнении гравитационного манёвра аппарат включает двигатель в окрестностях перицентра огибающей планету траектории, чтобы с максимальной эффективностью использовать энергию топлива для повышения кинетической энергии аппарата.

Примеры использования[править | править код]

Траектория «Луны-3» и гравитационный манёвр

Гравитационный манёвр впервые был успешно осуществлён в 1959 году автоматической межпланетной станцией (АМС) Луна-3. С тех пор гравитационные манёвры широко используются в межпланетных полётах. Например, в 1974 году гравитационный манёвр использовала АМС Маринер-10 — было произведено сближение с Венерой, после которого аппарат направился к Меркурию.

Межпланетная траектория зонда «Кассини»

АМС Вояджер-1 и Вояджер-2 использовали гравитационные манёвры у Юпитера и Сатурна, благодаря чему приобрели рекордные скорости отлёта из Солнечной системы. Запущенная в 2006 году АМС Новые горизонты проигрывает им в скорости отлёта, несмотря на более высокую стартовую скорость[11].

Сложную комбинацию гравитационных манёвров использовали АМС Кассини (для разгона аппарат использовал гравитационное поле трёх планет — Венеры (дважды), Земли и Юпитера) и Розетта (четыре гравитационных манёвра около Земли и Марса).

См. также[править | править код]

Комментарии[править | править код]

  1. В 1938, когда Кондратюк представил эту работу для публикации, он датировал её 1918—19 годами, хотя было очевидно, что в неё вносились изменения в разное время[1].

Примечания[править | править код]

  1. NASA TT F-9285, 1965, p. 49.
  2. Мелькумов, 1964.
  3. Цандер, 1961, с. 285, 333—348.
  4. NASA TT F-9285, 1965, p. 15—56.
  5. NASA TT F-147, 1964, p. 290—292.
  6. Ивашкин, 2010, с. 74.
  7. Цандер, 1961, с. 19.
  8. Детская энциклопедия, 1965.
  9. Энеев и Аким, 2007.
  10. Ивашкин, 2010, с. 87—97.
  11. Scharf, Caleb A. The Fastest Spacecraft Ever? (англ.), Scientific American Blog Network (25 February 2013). Проверено 30 декабря 2017.
  12. Michael Martin Nieto, John D. Anderson Earth Flyby Anomalies // arxiv.org, 7 Oct 2009

Источники[править | править код]

Литература[править | править код]

Ссылки[править | править код]