Leti vesoljskih plovil vključujejo veliko porabo energije. Na primer, nosilna raketa Soyuz, ki stoji na izstrelitvi in je pripravljena za izstrelitev, tehta 307 ton, od tega več kot 270 ton goriva, torej levji delež. Potreba po porabi nore količine energije za gibanje v vesolju je v veliki meri povezana s težavami obvladovanja daljnih dosegov sončnega sistema.
Tehničnega preboja v tej smeri žal še ni pričakovati. Masa pogonskega goriva ostaja eden ključnih dejavnikov pri načrtovanju vesoljskih misij in inženirji izkoristijo vsako priložnost za varčevanje z gorivom, da bi podaljšali delovanje naprave. Gravitacijski manevri so eden od načinov za prihranek denarja.
Kako leteti v vesolju in kaj je gravitacija
Načelo premikanja naprave v vakuumu (okolje, iz katerega se ni mogoče odriniti niti s propelerjem, niti s kolesi ali s čim drugim) je enak za vse vrste raketnih motorjev, izdelanih na Zemlji. To je reaktivni potisk. Gravitacija nasprotuje moči reaktivnega motorja. Ta boj proti zakoni fizike je bil dobljenSovjetski znanstveniki leta 1957. Prvič v zgodovini je aparat, ki ga izdelajo človeške roke, ki je dosegel prvo kozmično hitrost (približno 8 km/s), postal umetni satelit planeta Zemlje.
Potrebovalo je približno 170 ton železa, elektronike, prečiščenega kerozina in tekočega kisika, da smo v nizko zemeljsko orbito izstrelili napravo, ki tehta nekaj več kot 80 kg.
Med vsemi zakoni in načeli vesolja je gravitacija morda eden glavnih. Upravlja vse, začenši z razporeditvijo elementarnih delcev, atomov, molekul in konča s gibanjem galaksij. Je tudi ovira za raziskovanje vesolja.
Ne samo gorivo
Še pred izstrelitvijo prvega umetnega zemeljskega satelita so znanstveniki jasno razumeli, da je lahko ključ do uspeha ne le povečanje velikosti raket in moči njihovih motorjev. Raziskovalce so k iskanju tovrstnih trikov spodbudili rezultati izračunov in praktičnih testov, ki so pokazali, kako požarni leti so leti izven zemeljskega ozračja. Prva taka odločitev sovjetskih oblikovalcev je bila izbira mesta za gradnjo kozmodroma.
Pojasnimo. Da bi postala umetni satelit Zemlje, mora raketa pospešiti do 8 km/s. Toda naš planet je v nenehnem gibanju. Vsaka točka, ki se nahaja na ekvatorju, se vrti s hitrostjo več kot 460 metrov na sekundo. Tako bo raketa, izstreljena v brezzračni prostor v območju ničelnega vzporednika, sama po sebiimeti prostega skoraj pol kilometra na sekundo.
Zato je bil v širokih prostranstvih ZSSR izbran kraj proti jugu (hitrost dnevnega vrtenja v Bajkonurju je približno 280 m/s). Še bolj ambiciozen projekt, katerega cilj je zmanjšati učinek gravitacije na nosilno raketo, se je pojavil leta 1964. To je bil prvi morski kozmodrom "San Marco", ki so ga Italijani sestavili iz dveh vrtalnih ploščadi in se nahajajo na ekvatorju. Kasneje je to načelo postalo osnova mednarodnega projekta Sea Launch, ki do danes uspešno izstreljuje komercialne satelite.
Kdo je bil prvi
Kaj pa misije v globoki vesolj? Znanstveniki iz ZSSR so bili pionirji pri uporabi gravitacije kozmičnih teles za spreminjanje poti leta. Kot veste, je hrbtno stran našega naravnega satelita prvič fotografiral sovjetski aparat Luna-1. Pomembno je bilo, da se je naprava po letenju okoli lune imela čas, da se vrne na Zemljo, da bi jo severna polobla obrnila k njej. Navsezadnje je bilo treba informacije (prejete fotografske slike) posredovati ljudem, sledilne postaje, radijske antenske antene pa so se nahajale prav na severni polobli.
Nič manj uspešno so ameriški znanstveniki uspeli uporabiti gravitacijske manevre za spremembo poti vesoljskega plovila. Medplanetarno avtomatsko vesoljsko plovilo "Mariner 10" je moralo po preletu blizu Venere zmanjšati hitrost, da bi šlo v nižjo okrogsončno orbito inraziskati Merkur. Namesto da bi za ta manever uporabili reaktivni potisk motorjev, je hitrost vozila upočasnilo gravitacijsko polje Venere.
Kako deluje
Po zakonu univerzalne gravitacije, ki ga je eksperimentalno odkril in potrdil Isaac Newton, se vsa telesa z maso med seboj privlačijo. Moč te privlačnosti je enostavno izmeriti in izračunati. Odvisno je tako od mase obeh teles kot od razdalje med njima. Čim bližje, tem močnejši. Poleg tega, ko se telesa približujejo drug drugemu, sila privlačnosti raste eksponentno.
Slika prikazuje, kako vesoljska plovila, ki letijo v bližini velikega kozmičnega telesa (nekega planeta), spreminjajo svojo pot. Poleg tega se potek gibanja naprave pod številko 1, ki leti najbolj oddaljeno od masivnega predmeta, zelo rahlo spremeni. Česa ne moremo reči o napravi številka 6. Planetoid dramatično spremeni smer leta.
Kaj je gravitacijski trak. Kako deluje
Uporaba gravitacijskih manevrov omogoča ne samo spreminjanje smeri vesoljskega plovila, ampak tudi prilagajanje njegove hitrosti.
Slika prikazuje pot vesoljskega plovila, ki se običajno uporablja za njegovo pospeševanje. Načelo delovanja takšnega manevra je preprosto: v odseku poti, ki je označen z rdečo, se zdi, da naprava dohiteva planet, ki beži od nje. Veliko bolj masivno telo vleče manjše telo s svojo gravitacijsko silo in ga razprši.
Mimogrede, na ta način ne pospešujejo samo vesoljske ladje. Znano je, da nebesna telesa, ki niso vezana na zvezde, na vso moč tavajo po galaksiji. To so lahko sorazmerno majhni asteroidi (od katerih eden, mimogrede, zdaj obiskuje sončni sistem) in planetoidi dostojne velikosti. Astronomi verjamejo, da je gravitacijska zanka, torej udar večjega kozmičnega telesa, tista, ki iz njihovih sistemov vrže manj masivne predmete in jih obsoja na večna tavanja v ledenem mrazu praznega prostora.
Kako upočasniti
Toda z gravitacijskimi manevri vesoljskih plovil ne morete le pospešiti, ampak tudi upočasniti njihovo gibanje. Shema takega zaviranja je prikazana na sliki.
Na odseku poti, ki je označen z rdečo, bo privlačnost planeta, v nasprotju z varianto z gravitacijsko zanko, upočasnila gibanje naprave. Navsezadnje sta vektor gravitacije in smer leta ladje nasprotna.
Kdaj se uporablja? Predvsem za izstrelitev avtomatskih medplanetarnih postaj v orbite proučevanih planetov, pa tudi za preučevanje blizu sončnih območij. Dejstvo je, da pri premikanju proti Soncu ali na primer proti zvezdi najbližjem planetu Merkur, katera koli naprava, če ne uporabite ukrepov za zaviranje, hočete ali nočete pospešiti. Naša zvezda ima neverjetno maso in ogromno privlačnost. Vesoljsko plovilo, ki je pridobilo preveliko hitrost, ne bo moglo vstopiti v orbito Merkurja, najmanjšega planeta sončne družine. Ladja bo samo zdrsnilamimo, mali Mercury ga ne more potegniti dovolj močno. Motorji se lahko uporabljajo za zaviranje. Toda gravitacijska pot proti Soncu, recimo pri Luni in nato na Veneri, bi zmanjšala uporabo raketnega pogona. To pomeni, da bo potrebno manj goriva, osvobojena teža pa se lahko uporabi za namestitev dodatne raziskovalne opreme.
Zadeti v iglo
Medtem ko so se zgodnji gravitacijski manevri izvajali plaho in obotavljajoče, so poti najnovejših medplanetarnih vesoljskih misij skoraj vedno načrtovane z gravitacijskimi prilagoditvami. Stvar je v tem, da imajo zdaj astrofiziki, zahvaljujoč razvoju računalniške tehnologije, pa tudi razpoložljivosti najnatančnejših podatkov o telesih sončnega sistema, predvsem o njihovi masi in gostoti, na voljo natančnejše izračune. In potrebno je izredno natančno izračunati gravitacijski manever.
Torej, polaganje poti, dlje od planeta, kot je potrebno, je preobremenjeno z dejstvom, da draga oprema sploh ne bo letela tam, kjer je bila načrtovana. In podcenjevanje mase lahko celo ogrozi trk ladje s površjem.
Prvak v manevrih
To seveda lahko štejemo za drugo vesoljsko plovilo misije Voyager. Naprava, ki je bila predstavljena leta 1977, trenutno zapušča svoj izvorni zvezdni sistem in se umika v neznano.
Med svojim delovanjem je aparat obiskal Saturn, Jupiter, Uran in Neptun. Ves čas leta je nanjo delovala privlačnost Sonca, od katerega se je ladja postopoma odmikala. Ampak, zahvaljujoč dobro izračunani gravitacijimanevrov, za vsakega od planetov se njegova hitrost ni zmanjšala, ampak je rasla. Za vsak raziskan planet je bila pot zgrajena po principu gravitacijske zanke. Brez uporabe gravitacijske korekcije ga Voyager ne bi mogel poslati tako daleč.
Poleg Voyagerjev so bili za izstrelitev tako znanih misij, kot sta Rosetta ali New Horizons, uporabljeni gravitacijski manevri. Torej je Rosetta, preden je šla iskati komet Churyumov-Gerasimenko, naredila kar 4 pospeševalne gravitacijske manevre blizu Zemlje in Marsa.
