Avaruusalusten lennot kuluttavat v altavasti energiaa. Esimerkiksi laukaisualustalla seisova ja laukaisuvalmiin Sojuz-kantoraketti painaa 307 tonnia, josta yli 270 tonnia on polttoainetta, eli leijonanosa. Tarve kuluttaa hullu määrä energiaa liikkumiseen ulkoavaruudessa liittyy suurelta osin aurinkokunnan kaukaisten ulottuvuuksien hallitsemisen vaikeuksiin.
Valitettavasti teknistä läpimurtoa tähän suuntaan ei ole vielä odotettavissa. Ponneaineen massa on edelleen yksi avaintekijöistä avaruuslentojen suunnittelussa, ja insinöörit käyttävät kaikki tilaisuudet säästääkseen polttoainetta pidentääkseen laitteen toimintaa. Gravitaatioliikkeet ovat yksi tapa säästää rahaa.
Kuinka lentää avaruudessa ja mitä on painovoima
Laitteen siirtämisen periaate tyhjiössä (ympäristössä, josta on mahdotonta työntää pois potkurilla, pyörillä tai millään muulla) on sama kaikissa maan päällä valmistetuissa raketimoottoreissa. Tämä on suihkun työntövoima. Painovoima vastustaa suihkumoottorin tehoa. Tämä taistelu fysiikan lakeja vastaan on voitettuNeuvostoliiton tiedemiehet vuonna 1957. Ensimmäistä kertaa historiassa ihmiskäden tekemästä laitteesta, joka saavutti ensimmäisen kosmisen nopeuden (noin 8 km/s), tuli Maan keinotekoinen satelliitti.
Käti noin 170 tonnia rautaa, elektroniikkaa, puhdistettua kerosiinia ja nestemäistä happea hieman yli 80 kg painavan laitteen laukaisemiseen matalalle Maan kiertoradalle.
Kaikista maailmankaikkeuden laeista ja periaatteista painovoima on ehkä yksi tärkeimmistä. Se hallitsee kaikkea alkaen alkuainehiukkasten, atomien, molekyylien järjestelystä galaksien liikkeisiin. Se on myös este avaruustutkimukselle.
Ei vain polttoainetta
Jo ennen ensimmäisen keinotekoisen maasatelliitin laukaisua tiedemiehet ymmärsivät selvästi, että rakettien koon ja niiden moottoreiden tehon lisääminen ei voinut olla menestyksen avain. Tutkijoita innostivat etsimään tällaisia temppuja laskelmien ja käytännön testien tuloksista, jotka osoittivat, kuinka polttoainetta kuluttavat lennot maan ilmakehän ulkopuolella ovat. Neuvostoliiton suunnittelijoiden ensimmäinen tällainen päätös oli kosmodromin rakennuspaikan valinta.
Selitetään. Jotta raketista tulisi Maan keinotekoinen satelliitti, sen on kiihdytettävä 8 km/s. Mutta planeettamme itse on jatkuvassa liikkeessä. Mikä tahansa päiväntasaajalla sijaitseva piste pyörii nopeudella yli 460 metriä sekunnissa. Siten raketti, joka laukaistiin ilmattomaan avaruuteen nollarinteen alueella, on sinänsäon ilmaista lähes puoli kilometriä sekunnissa.
Siksi Neuvostoliiton laajoilta alueilta valittiin paikka etelään (päiväkiertonopeus Baikonurissa on noin 280 m/s). Vielä kunnianhimoisempi hanke, jonka tarkoituksena oli vähentää painovoiman vaikutusta kantorakettuun, ilmestyi vuonna 1964. Se oli ensimmäinen meren kosmodromi "San Marco", jonka italialaiset kokosivat kahdelta porausalust alta ja joka sijaitsi päiväntasaajalla. Myöhemmin tämä periaate muodosti perustan kansainväliselle Sea Launch -projektille, joka laukaisee kaupallisia satelliitteja menestyksekkäästi tähän päivään asti.
Kuka oli ensimmäinen
Entä syväavaruustehtävät? Neuvostoliiton tutkijat olivat edelläkävijöitä kosmisten kappaleiden painovoiman käyttämisessä lentoradan muuttamiseen. Kuten tiedätte, luonnollisen satelliittimme kääntöpuolen valokuvasi ensimmäisenä Neuvostoliiton Luna-1-laite. Oli tärkeää, että kuun ympärilennon jälkeen laite ehti palata Maahan, jotta pohjoinen pallonpuolisko kääntäisi sen siihen. Tieto (vastaanotetut valokuvakuvat) oli kuitenkin välitettävä ihmisille, ja seurantaasemat, radioantennilautaset sijaitsivat juuri pohjoisella pallonpuoliskolla.
Yhdysv altalaiset tutkijat onnistuivat yhtä onnistuneesti käyttämään painovoimaharjoituksia avaruusaluksen liikeradan muuttamiseksi. Planeettojen välinen automaattinen avaruusalus "Mariner 10" joutui ohilentonsa jälkeen Venuksen lähellä vähentämään nopeutta päästäkseen alemmalle aurinkoradalle jatutkia Merkuriusta. Sen sijaan, että tähän toimenpiteeseen olisi käytetty moottoreiden suihkuvoimaa, Venuksen painovoimakenttä hidasti ajoneuvon nopeutta.
Kuinka se toimii
Isaac Newtonin löytämän ja kokeellisesti vahvistaman universaalin gravitaatiolain mukaan kaikki massalliset kappaleet vetävät puoleensa toisiaan. Tämän vetovoiman voimakkuus on helppo mitata ja laskea. Se riippuu sekä molempien kappaleiden massasta että niiden välisestä etäisyydestä. Mitä lähempänä, sen vahvempi. Lisäksi kun kappaleet lähestyvät toisiaan, vetovoima kasvaa eksponentiaalisesti.
Kuvassa näkyy, kuinka suuren kosmisen kappaleen (jonkin planeetan) lähellä lentävät avaruusalukset muuttavat lentorataa. Lisäksi numeron 1 alla olevan laitteen liikerata, lentää kauimpana massiivisesta esineestä, muuttuu hyvin vähän. Mitä ei voida sanoa laitteesta numero 6. Planetoidi muuttaa lentosuuntaansa dramaattisesti.
Mikä on painovoimahihna. Kuinka se toimii
Painovoimaharjoitusten käyttö mahdollistaa avaruusaluksen suunnan muuttamisen lisäksi myös sen nopeuden säätämisen.
Kuva esittää avaruusaluksen liikeradan, jota käytetään yleensä sen kiihdyttämiseen. Tällaisen liikkeen toimintaperiaate on yksinkertainen: punaisella korostetussa lentoradan osassa laite näyttää ottavan kiinni siitä karkuun juoksevan planeetan. Paljon massiivisempi kappale vetää pienempää kappaletta painovoimallaan ja hajottaa sen.
Muuten, ei vain avaruusaluksia kiihdytetä tällä tavalla. Tiedetään, että taivaankappaleet, jotka eivät ole sidottu tähtiin, vaeltavat galaksissa voimalla. Nämä voivat olla sekä suhteellisen pieniä asteroideja (joista yksi muuten vierailee nyt aurinkokunnassa) että kunnollisen kokoisia planetoideja. Tähtitieteilijät uskovat, että gravitaatiohihna, eli suuremman kosmisen kappaleen isku, heittää vähemmän massiivisia esineitä ulos järjestelmistään ja tuomitsee ne ikuiseen vaeltamaan tyhjän avaruuden jääkylmässä.
Kuinka hidastaa
Mutta käyttämällä avaruusalusten painovoimaharjoituksia et voi vain kiihdyttää, vaan myös hidastaa niiden liikettä. Tällaisen jarrutuksen kaavio on esitetty kuvassa.
Punaisella korostetulla lentoradan osuudella planeetan vetovoima, toisin kuin gravitaatiohihnalla varustetussa versiossa, hidastaa laitteen liikettä. Onhan painovoiman vektori ja aluksen lentosuunta vastakkaiset.
Milloin sitä käytetään? Pääasiassa automaattisten planeettojenvälisten asemien laukaisemiseen tutkittujen planeettojen kiertoradalle sekä aurinkoa lähellä olevien alueiden tutkimiseen. Tosiasia on, että liikuttaessa kohti Aurinkoa tai esimerkiksi kohti tähteä lähimpänä olevaa Merkurius-planeettaa, mikä tahansa laite kiihtyy tahallaan, jos et käytä jarrutustoimenpiteitä. Tähdellämme on uskomaton massa ja v altava vetovoima. Liiallisen nopeuden saavuttanut avaruusalus ei pääse kiertoradalle Merkuriuksen, aurinkoperheen pienimmän planeetan, kiertoradalle. Laiva vain lipsahtaa läpipikku Mercury ei voi vetää sitä tarpeeksi lujaa. Moottoreita voidaan käyttää jarrutukseen. Mutta gravitaatiorata Aurinkoon, esimerkiksi Kuuhun ja sitten Venukseen, minimoi raketin työntövoiman käytön. Tämä tarkoittaa, että polttoainetta tarvitaan vähemmän, ja vapautunutta painoa voidaan käyttää lisätutkimuslaitteiden sijoittamiseen.
Pääse neulansilmään
Vaikka varhaiset gravitaatioliikkeet suoritettiin arasti ja epäröivästi, viimeisimpien planeettojenvälisten avaruuslentojen reitit suunnitellaan lähes aina painovoimasäädöllä. Asia on, että nyt astrofyysikoilla on tietokonetekniikan kehityksen sekä aurinkokunnan kappaleiden tarkimpien tietojen, pääasiassa niiden massan ja tiheyden, saatavuuden ansiosta saatavilla tarkempia laskelmia. Ja painovoimaliike on laskettava erittäin tarkasti.
Joten lentoradan asettaminen kauemmas planeet alta kuin on tarpeen, on täynnä sitä tosiasiaa, että kalliit laitteet eivät lennä ollenkaan sinne, missä se oli suunniteltu. Ja massan aliarvioiminen voi jopa uhata laivan törmäystä pintaan.
Liikkeiden mestari
Tätä voidaan tietysti pitää Voyager-tehtävän toisena avaruusaluksena. Vuonna 1977 lanseerattu laite on tällä hetkellä jättämässä alkuperäistä tähtijärjestelmää ja vetäytyy tuntemattomaan.
Laite vieraili toimintansa aikana Saturnuksessa, Jupiterissa, Uranuksessa ja Neptunuksessa. Koko lennon ajan Auringon vetovoima vaikutti siihen, josta alus siirtyi vähitellen pois. Mutta kiitos hyvin lasketun painovoimanliikkeitä, kunkin planeetan nopeus ei laskenut, vaan kasvoi. Jokaiselle tutkittavalle planeetalle reitti rakennettiin gravitaatiohihnan periaatteella. Ilman gravitaatiokorjausta Voyager ei olisi voinut lähettää sitä näin pitkälle.
Voyagereiden lisäksi painovoimaharjoituksia on käytetty sellaisten tunnettujen lentojen käynnistämiseen kuin Rosetta tai New Horizons. Joten Rosetta, ennen kuin lähti etsimään Churyumov-Gerasimenko-komeetta, teki jopa 4 kiihdyttävää gravitaatioliikettä lähellä Maata ja Marsia.
