Гравитационный манёвр

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
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.

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.

Максимально возможные 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

История[править | править код]

Кондратюк в своей работе «Тем кто будет читать, чтобы строить»[1], опубликованной в 1938 году, но датированной 1918-1919,[2] предложил использовать при путешествии космического корабля между двумя планетами его ускорение в начале и в конце использованием гравитации спутников этих планет. В работе 1925 года «Проблема полета при помощи реактивных аппаратов: межпланетные полеты»[3] Цандер использовал сходную аргументацию.

Гравитационный маневр был впервые использован в 1959 году, когда советская космическая станция Луна-3 сфотографировала обратную сторону Луны. Расчёт маневра основывался на исследовании под руководством Келдыша в Математическом институте имени Стеклова.[4][5]

В книге Boris V. Rauschenbakh, Michael Yu. Ovchinnikov, and Susan M. P. McKenna-Lawlor, Essential Spaceflight Dynamics and Magnetospherics (Dordrecht, Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 2002), pages 146—147.[6] упоминается работа Егорова.

Эффект Оберта[править | править код]

Под гравитационным манёвром иногда понимается комбинированный способ ускорения космических аппаратов (эффект Оберта). Суть данного способа заключается в том, что при выполнении гравитационного манёвра в «нижней» части траектории аппарат включает двигатель и сжигает топливо, получая дополнительное ускорение и переводя таким образом энергию топлива в кинетическую энергию корабля. Кроме того, за счёт этого при «подъёме» аппарата из гравитационного колодца[en] планеты его кинетическая энергия не тратится на увеличение потенциальной энергии сожжённого топлива, что позволяет получить дополнительный выигрыш в скорости.

Примеры использования[править | править код]

Траектория «Луны-3» и гравитационный манёвр

Впервые в мире осуществлён в 1959 году во время полёта КА Луна-3 — автоматической станции, которая передала первые изображения 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[7][8].

В 1974 году гравитационный манёвр использовал космический аппарат Маринер-10 — было произведено сближение с Венерой, после которого аппарат направился к Меркурию.

Межпланетная траектория зонда «Кассини»

За счёт гравитационных манёвров скорость «Вояджера-1» (≈17 км/с) в марте 2011 года была выше, чем текущая скорость «Новых горизонтов» (≈15,9 км/с), хотя после старта с Земли скорость последнего была самой высокой для рукотворных объектов (16,21 км/с[9]).

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).

В искусстве[править | править код]

  • Художественное описание подобного манёвра можно встретить в фантастическом романе А. Кларка «2010: Одиссея 2».
  • В научно-фантастическом фильме «Интерстеллар» орбитальной станции «Эндюранс» не хватает топлива для достижения третьей планеты, находящейся рядом с чёрной дырой «Гаргантюа» (названой в честь литературного великана-обжоры). Главный герой Купер предпринимает рискованный шаг: «Эндюранс» должна пройти поблизости от горизонта событий Гаргантюа, тем самым придав станции ускорение за счёт притяжения чёрной дыры.
  • В научно-фантастическом романе «Марсианин» и одноимённом фильме, используя гравитационный манёвр вокруг Земли, команда разворачивает с ускорением корабль «Гермес» для повторного полёта на Марс.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Kondratyuk’s paper is included in the book: Mel’kumov, T. M., ed., Pionery Raketnoy Tekhniki [Pioneers of Rocketry: Selected Papers] (Moscow, U.S.S.R.: Institute for the History of Natural Science and Technology, Academy of Sciences of the USSR, 1964). An English translation of Kondratyuk’s paper was made by NASA. See: NASA Technical Translation F-9285, pages 15-56 (Nov. 1, 1965).
  2. В 1938, когда Кондратюк представил эту работу для публикации, он датировал ее 1918-1919, хотя было очевидно, что в нее вносились изменения в разное время. См. page 49 of NASA Technical Translation F-9285 (Nov. 1, 1965).
  3. Эта работа была переведена NASA («Problems of flight by jet propulsion: interplanetary flights»). См. NASA Technical Translation F-147 (1964); особенно Section 7: Flight Around a Planet’s Satellite for Accelerating or Decelerating Spaceship, pages 290—292.
  4. Mstislav Keldysh. Mechanics of the space flight (рус.). Keldysh Institute of Applied Mathematics.
  5. Egorov, Vsevolod Alexandrovich (1957) «Specific problems of a flight to the moon», Physics — Uspekhi, Vol. 63, No. 1a, pages 73-117.
  6. Essential Spaceflight Dynamics and Magnetospherics. Books.google.com (31 декабря 2002). Проверено 26 июня 2016.
  7. Детская энциклопедия. — Т. 2 «Мир небесных тел».
  8. Т.М. Энеев, Э.Л. Аким. Академик М.В. Келдыш. Механика космического полета. — Институт прикладной математики им. М. В. Келдыша.
  9. New Horizons Mission to Pluto
  10. Michael Martin Nieto, John D. Anderson Earth Flyby Anomalies // arxiv.org, 7 Oct 2009

Ссылки[править | править код]