Čo sú to manévre s gravitačnou pomocou. Gravitačný asistent pre vesmírne lode Gravitačný asistent okolo slnka

Na začiatku 20. storočia, keď je hlavná uskutočniteľnosť lety do vesmíru bol vedecky podložený, objavili sa prvé úvahy o ich možných trajektóriách. Priamy let zo Zeme na inú planétu je energeticky mimoriadne nevýhodný. V roku 1925 nemecký inžinier Walter Hohmann ukázal, že minimálna spotreba energie na let medzi dvoma kruhovými dráhami sa dosiahne, keď je trajektória „polovicou“ elipsy dotýkajúcej sa obežných dráh zdroja a cieľa. V tomto prípade musí motor kozmickej lode vydať iba dva impulzy: v perigeu a apogee (ak hovoríme o blízkom zemskom priestore) prechodovej elipsy. Táto schéma je široko používaná napríklad pri štarte na geostacionárnu dráhu. Pri medziplanetárnych letoch je úloha trochu komplikovaná potrebou vziať do úvahy príťažlivosť Zeme a cieľovej planéty v počiatočných a koncových častiach trajektórie. Napriek tomu sa lety na Venušu a Mars vykonávajú na obežných dráhach blízko Gomanovej.

Bielliptické trajektórie môžu možno slúžiť ako prvý príklad komplexnejšej kozmonavigačnej techniky. Ako dokázal jeden z prvých teoretikov, astronauti Ari Abramovič Sternfeld, sú optimálne na prenos satelitu medzi kruhovými dráhami s rôznym sklonom. Zmena roviny obežnej dráhy je jednou z najdrahších operácií v astronautike. Napríklad na to, aby sa vozidlo otočilo o 60 stupňov, musí pridať rovnakú rýchlosť, s ktorou sa už pohybuje na obežnej dráhe. Môžete však konať inak: najskôr vydajte zrýchľujúci impulz, pomocou ktorého sa vesmírna loď prenesie na vysoko predĺženú obežnú dráhu s vysokým apogeom. Na vrchole bude rýchlosť veľmi nízka a smer pohybu sa zmení za cenu relatívne nízkej spotreby paliva. Súčasne môžete tiež opraviť výšku perigeu miernou zmenou rýchlosti. Nakoniec je v najnižšom bode predĺženej elipsy vydaný brzdný impulz, ktorý prenáša vozidlo na novú kruhovú dráhu.
Tento manéver, nazývaný interpebitálny let s vysokým apogeom, je obzvlášť dôležitý pre vypúšťanie geostacionárnych satelitov, ktoré sú na začiatku vypustené na nízku obežnú dráhu so sklonom k ​​rovníku rovnajúcim sa zemepisnej šírke miesta štartu a potom prenesené na geostacionárnu dráhu ( s nulovým sklonom). Použitie bielliptickej trajektórie umožňuje výrazné úspory paliva.

Gravitačné manévre

Mnoho medziplanetárnych misií s modernými technickými schopnosťami jednoducho nie je možné uskutočniť bez toho, aby ste sa uchýlili k exotickým navigačným technikám. Faktom je, že rýchlosť odtoku pracovnej tekutiny z chemických raketových motorov je asi 3 km / s. Podľa Tsiolkovského vzorca zároveň každé 3 km / s dodatočného zrýchlenia strojnásobí hmotnosť štartu vesmírneho systému. Na cestu z nízkej obežnej dráhy Zeme (rýchlosť 8 km / s) na Mars po Homanovej trajektórii musíte dosiahnuť približne 3,5 km / s, na Jupiter - 6 km / s, na Pluto - 8-9 km / s . Ukazuje sa, že užitočné zaťaženie pri lete na vzdialené planéty predstavuje iba niekoľko percent hmotnosti vypustenej na obežnú dráhu, a to je zasa len niekoľko percent hmotnosti štartu rakety. Preto 700-kilogramovú Voyager odpálila k Jupiteru 600-tonová raketa Titan IIIE. A ak je cieľom vstúpiť na obežnú dráhu okolo planéty, bude potrebné vziať si so sebou zásobu paliva na spomalenie a počiatočná hmotnosť sa ešte zvýši.

Balistika sa však nevzdáva - aby ušetrili palivo, prispôsobili sa samotnej gravitácii, na prekonanie ktorej sa na začiatku vynaloží značná časť energie. Gravitačné, alebo odborne povedané, poruchové manévre prakticky nevyžadujú spotrebu paliva. Stačí prítomnosť nebeského telesa v blízkosti dráhy letu, ktoré má dostatočne silnú gravitáciu a polohu vhodnú na účely misie. Keď sa kozmická loď blíži k nebeskému telesu, pôsobením svojho gravitačného poľa je zrýchlená alebo spomalená. Tu si pozorný čitateľ môže všimnúť, že prístroj, ktorý bol zrýchlený gravitáciou planéty, ho spomaľuje aj po priblížení sa k nebeskému telu, a že v dôsledku toho nedôjde k žiadnemu zrýchleniu. Rýchlosť vzhľadom na planétu používanú ako „gravitačný záves“ sa v absolútnych hodnotách skutočne nezmení. Ale ona zmení smer! A v heliocentrickom referenčnom rámci (spojenom so Slnkom) sa ukazuje, že rýchlosť sa mení nielen v smere, ale aj vo veľkosti, pretože pozostáva z rýchlosti zariadenia vzhľadom na planétu a aspoň čiastočne z rýchlosť samotnej planéty vzhľadom na Slnko. Týmto spôsobom je možné zmeniť kinetickú energiu medziplanetárnej stanice bez spotreby paliva. Pri lete na vzdialené, vonkajšie planéty Slnečná sústava gravitačná pomoc sa používa na zrýchlenie a pri misiách na vnútorné planéty naopak na tlmenie heliocentrickej rýchlosti.

PORUCHY A OPRAVY

Na obrázkoch vyzerajú trajektórie medziplanetárnych letov veľmi jednoducho: zo Zeme sa stanica pohybuje pozdĺž oblúka elipsy, ktorej vzdialený koniec spočíva na planéte. Eliptickosť dráhy okolo Slnka je daná prvým Keplerovým zákonom. Dokáže to vypočítať aj školák, ale ak sa cez neho spustí skutočná vesmírna loď, cieľ minie o mnoho tisíc kilometrov. Faktom je, že okrem Slnka je pohyb aparátu ovplyvnený aj gravitáciou planét, ktoré sa okolo neho otáčajú. Preto je možné presne vypočítať, kde bude zariadenie po mesiacoch alebo dokonca rokoch letu, iba pomocou komplexného numerického modelovania. Počiatočná poloha a rýchlosť zariadenia sú nastavené, určuje sa, ako sa planéty voči nemu nachádzajú a aké sily pôsobia z ich strany. Používajú sa na výpočet, kde bude zariadenie po krátkom čase, povedzme o hodinu neskôr, a ako sa zmení jeho rýchlosť. Potom sa cyklus výpočtov zopakuje, a tak sa krok po kroku vypočíta celá trajektória. S najväčšou pravdepodobnosťou to nepôjde úplne tam, kde by malo byť. Potom sa počiatočné podmienky mierne zmenia a výpočet sa opakuje, kým sa nedosiahne požadovaný výsledok. Ale bez ohľadu na to, ako starostlivo je vypočítaná trajektória, raketa k nej nedokáže dokonale presne priviesť aparát. Preto sa od samého začiatku vypočítava celý rad mierne sa odlišujúcich trajektórií - zakrivený kužeľ, vo vnútri ktorého by malo byť vozidlo po štarte. Napríklad pri lete na Venušu bude mať odchýlka počiatočnej rýchlosti od vypočítanej iba o 1 m / s za následok zmeškanie 10 000 kilometrov na cieľ - viac ako je veľkosť planéty. Preto sú už počas letu parametre pohybu zariadenia špecifikované podľa telemetrických údajov (rýchlosť, napríklad až do milimetrov za sekundu), a potom vo vypočítanom momente sú motory zapnuté a obežné dráhy sú opravené . Opravy tiež nie sú nekonečne presné, po každej z nich zariadenie vstúpi do nového kužeľa trajektórií, ale v cieľovom bode sa natoľko nelíšia, pretože časť cesty už bola prejdená. Ak má cieľ gravitačný asistenčný manéver, zvyšujú sa tým požiadavky na presnosť navigácie. Napríklad pri lete 10 000 kilometrov od tej istej Venuše povedie chyba v navigácii 1 000 kilometrov k tomu, že po manévri sa stanica asi o stupeň vypne. Opravné motory s najväčšou pravdepodobnosťou nebudú schopné napraviť takúto odchýlku. Pri použití aerodynamického brzdenia v atmosfére sú požiadavky na presnosť navigácie ešte prísnejšie. Koridor je široký iba 10-20 kilometrov. Prejdite prístrojom nižšie - a zhorí v atmosfére, a vyššie - jeho odpor nebude stačiť na uhasenie medziplanetárnej rýchlosti na orbitálnu dráhu. Výpočet takýchto manévrov navyše závisí od stavu atmosféry, ktorý je ovplyvnený slnečnou aktivitou. Neschopnosť porozumieť fyzike mimozemskej atmosféry môže byť pre vesmírnu loď tiež osudná. Obrázok: 1. Rozdielny kužeľ trajektórií je dôsledkom nepresností pri štarte kozmickej lode. 2. Dôsledky chyby asistenta gravitácie

Prvýkrát myšlienku gravitačného manévru vyjadrili Friedrich Arturovich Tsander a Jurij Vasilievič Kondratyuk už v 20. až 30. rokoch minulého storočia. Oficiálne sa verí, že prvýkrát taký manéver vykonala v roku 1974 americká stanica Mariner 10, ktorá po prelete v blízkosti Venuše zamierila k Merkúru. Prvenstvo Američanov však spochybňujú ruskí historici z oblasti astronautiky, ktorí pokladajú za prvý gravitačný manéver, ktorý letel okolo Mesiaca, ktorý v roku 1959 vykonala sovietska stanica „Luna-3“, ktorá najskôr odfotila rubovú stranu nášho prírodný satelit.

Jupiter nám pomôže

Mnoho medziplanetárnych sond používalo na zrýchlenie gravitáciu Jupitera. Prvými boli Pioneer 10 a Pioneer, za nimi Voyager 1 a Voyager 2. V roku 1992 Jupiter pomohol z roviny ekliptiky „Ulysses“ (Ulysses) - sonda, ktorá skúma polárne oblasti Slnka, okolo ktorých sa otáča na obežnej dráhe takmer kolmej na Zem. Je úplne nemožné dostať kozmickú loď na takú obežnú dráhu iným spôsobom, vzhľadom na súčasnú úroveň rozvoja vesmírnych technológií. Vykonal poruchový manéver v blízkosti Jupitera a sondu New Horizons, ktorú Spojené štáty vypustili na Pluto 19. januára 2006. Zvýšením rýchlosti o 4 km / s a ​​o 2,5 stupňa odchyľujúcich sa od roviny ekliptiky bude môcť doraziť na cieľ v roku 2015, skôr ako začne atmosféra na Plute (ktoré sa v tomto storočí vzdiali od Slnka). zmraziť, čím sa zníži hodnota budúceho výskumu ....
Na to, aby bolo možné vykonávať gravitačné asistenčné manévre, musí byť dátum uvedenia na trh veľmi presný. Balisti používajú koncept „štartovacieho okna“ - to je časový interval, v ktorom je účinnosť plánovaných manévrov s gravitačnou pomocou maximálna. Bližšie k okrajom „okna“ sa efekt zníži a potreba paliva - viac. Ak prekročíte jeho hranice, dopravca jednoducho nebude schopný umiestniť zariadenie na požadovanú obežnú dráhu, čo povedie k narušeniu letu alebo k neprijateľnému predĺženiu jeho trvania. Spustenie New Horizons bolo napríklad opakovane odkladané z poveternostných a technických dôvodov. Ak by sa štart oneskoril o niekoľko dní, sonda by šla na let bez toho, aby sa spoliehala na „gravitačnú pomoc“ Jupitera a s menšou šancou na úspech. Manévre okolo obrovských planét sú najpohodlnejšie. Vzhľadom na ich veľkú hmotnosť je možné ich otáčať po širokom hladkom oblúku a požiadavky na presnosť navigácie zostávajú dosť mäkké. Venuša, Zem, Mars a dokonca aj Mesiac sa však často používajú ako „záves“. Tu je už nemožné robiť chyby, inak zariadenie opustí planétu úplne iným smerom, ako bolo plánované.

Sonda ISEE-3 / ICE štyri roky (1978-1982) skúmala Slnko z obežnej dráhy okolo bodu Lagrange L1 a potom pomocou zložitých gravitačných manévrov v blízkosti Zeme a Mesiaca bola vyslaná na stretnutie s kométami Jacobini-Zinner. (1985) a Halley (1986) ... V roku 2012 sa sonda vráti na Zem. Ryža. NASA

Štartovacie okno je časový interval, v ktorom je účinnosť plánovaných manévrov s gravitačnou pomocou maximálna.

Ak sa neuchýlite ku gravitačným manévrom, sú Homanove elipsy vzhľadom na obežnú dráhu Zeme a cieľovú planétu najekonomickejšími medziplanetárnymi trajektóriami. Let na Mars na obežnej dráhe Romana trvá asi 240 - 280 dní, na Venušu - asi 150 dní.

Vesmírny gravsurfing

Najťažšie - ale najzaujímavejšie! - trajektórie s poruchovými manévrami nie pre jedno, ale pre niekoľko nebeských telies. Napríklad stanica „Galileo“ (Galileo), aby sa dostala k Jupiteru, vykonala gravitačný manéver v gravitačnom poli Venuše a potom ďalšie dva v blízkosti Zeme. Takéto lety nie sú vždy možné, ale iba s určitým usporiadaním planét. Najslávnejšie takéto „veľké turné“ uskutočnil Voyager 2, ktorý postupne preletel blízko Jupitera, Saturnu, Uránu a Neptúna. Podobnou cestou by sa mohlo vydať aj jeho dvojča Voyager 1, vedci sa však radšej bližšie pozreli na záhadný satelit Saturnu Titan a jeho gravitácia nevratne odklonila trajektóriu stanice od Uránu. Bolo to ťažké, ale správne rozhodnutie. Práve údaje z sondy Voyager 2 umožnili sonde Huygens pristáť na Titane o 24 rokov neskôr.
V dnešnej dobe ešte ťažší let vykonáva stanica MESSENGER. Jeho hlavnou úlohou je vstúpiť na obežnú dráhu okolo Merkúra kvôli podrobnému štúdiu jeho charakteristík. Misia, navrhnutá na sedem rokov cestovania, v januári 2008 vstúpila Konečná fáza... Zariadenie už vykonalo štyri gravitačné manévre: jeden v blízkosti Zeme, dva v blízkosti Venuše a jeden v blízkosti samotnej Merkúra a medzi nimi boli motory manévrované tak, aby zakaždým správne vstúpili do gravitačného „lievika“ planéty. „Messenger“ musí urobiť ešte päť manévrov (dva gravitačné a tri - trysky), než sa stane satelitom planéty najbližšie k Slnku. Za tento čas „namotá“ okolo Slnka 8 miliárd kilometrov - viac ako k Plutu! Ak však trajektória nie je taká komplikovaná, ak stav techniky raketová a vesmírna technológia tento let sa vôbec nemohol uskutočniť.

ZÁVESNÉ SCHODY

Napriek korekciám a asistenčným manévrom gravitácie sú obežné dráhy väčšiny medziplanetárnych staníc stále blízko klasických oblúkov elipsy a hyperboly. V poslednej dobe však astronavigátori stále častejšie používajú oveľa sofistikovanejšie trajektórie v tých oblastiach vesmíru, kde je potrebné brať do úvahy rovnakú príťažlivosť dvoch nebeských telies. Zoberme si napríklad obežnú dráhu Zeme okolo Slnka. Je takmer kruhový s polomerom 150 miliónov kilometrov a obežnou dobou rovnajúcou sa jednému roku. Vzťah medzi polomerom a bodkou je určený silou gravitácie slnka, ktorá núti Zem pohybovať sa po zakrivenej trajektórii. Na väčšiu vzdialenosť bude príťažlivosť Slnka slabšia a zodpovedajúca obežná rýchlosť je nižšia. Kozmická loď na takejto obežnej dráhe zaostáva za Zemou (a predbehne ju na obežnej dráhe s menším polomerom). Matematicky to vyjadruje tretí Keplerov zákon. Existuje však výnimka z tohto pravidla. Predpokladajme, že sme spustili stanicu tak, aby sa dostala do určitého bodu umiestneného na pokračovaní zemského tieňa a v striktne definovanej vzdialenosti od Zeme (asi jeden a pol milióna kilometrov). Potom sa príťažlivosť našej planéty, pridaná k slnečnej, ukáže byť taká, že obdobie revolúcie na rozšírenej obežnej dráhe bude presne rovnaké ako rok. Ukazuje sa, že stanica sa akoby stále skrývala pred Slnkom za Zemou. Podobná trajektória je aj na obežnej dráhe Zeme, kde gravitácia planéty naopak oslabuje slnko natoľko, že na kratšej obežnej dráhe sa obežná doba rovná roku. Na takýchto dráhach sa stanice budú otáčať okolo Slnka a zostanú nehybné vzhľadom na Zem v smere k Slnku a mimo neho. Ide o takzvané Lagrangeove body L1 a L2, kde môže vesmírna loď nehybne visieť bez spotreby paliva. To sa už používa: solárne observatórium SOHO funguje v L1 a astrofyzikálna sonda WMAP v L2. Plánuje sa tam priniesť aj 6-metrový teleskop Jamesa Webba, ktorý je postavený tak, aby nahradil starnúci Hubbleov teleskop. Ale lietanie v bodoch Lagrange nie je bez ťažkostí. Faktom je, že rovnováha v nich je nestabilná. Hneď ako sa prístroj mierne odchýli v dôsledku porúch z iných planét alebo chýb navigácie, začne popisovať pomaly sa rozbiehajúce slučky okolo bodu Lagrange. Ak obežnú dráhu neopravíte včas, zariadenie môže byť vyhodené do vesmíru alebo dokonca spadnúť na Zem. Je veľmi ťažké vypočítať pohyb po takejto trajektórii: veľmi „krúti chvostom“ - pri najmenšej chybe v počiatočné podmienky sa môže otáčať opačným smerom. A napriek tomu sa NASA už podarilo využiť takú zložitú obežnú dráhu na misiu na zber vzoriek slnečného vetra. Kozmická loď Genesis bola vypustená po jemne upravenej trajektórii, ktorá ju po niekoľkých obehoch okolo bodu L1 vrátila na Zem, a tak kapsula so vzorkami tangenciálne vstúpila do atmosféry a pristála (bohužiaľ tuhá kvôli zlyhaniu padákového systému) ). Navigátorom medzitým dozrievajú nové plány. Medzi odvíjajúcimi sa trajektóriami odletu z bodu L1 existujú tie, ktoré dočasne vynesú vozidlo na obežnú dráhu okolo L2 (a naopak). Navyše to nevyžaduje vážne náklady na palivo. Zem z toho má malý úžitok. Systém Jupiter je iná vec, kde každý z jeho štyroch veľkých satelitov - Io, Europa, Ganymede a Callisto - má pár Lagrangeových bodov. Vnútorné satelity sa pohybujú po planéte a predbiehajú tie vonkajšie, a ak správne hádate, potom za cenu veľmi nízkych nákladov na palivo môže zariadenie vyskočiť z nestabilnej obežnej dráhy okolo bodu L2, povedzme, satelit Io na rovnakú obežnú dráhu okolo bodu L1 Európy. Potom, čo sa tam točíte a robíte pozorovania, môžete vyliezť ešte na jeden krok „rebríka“ - na bod L2 Európy a odtiaľ v pravý čas skočiť na L1 Ganymede a tam je to čo by kameňom dohodil na Callisto . Zostup po tomto „Lagrangeovom rebríku“ tiež nie je zakázaný. Takýto letový plán je navrhnutý pre veľkú výskumnú stanicu JIMO, ktorú NASA pripravuje na štúdium galilejských mesiacov Jupitera. Doteraz boli satelity Jupitera študované iba z trajektórií preletov. „Lagrangeov rebrík“ umožní stanici dlho sa vznášať nad satelitom - študovať jeho povrch a sledovať procesy, ktoré na ňom prebiehajú.

Nízka chuť na malé telá

Gravitačný asistent však nie je jediným spôsobom, ako ušetriť palivo. V 30. rokoch minulého storočia jeden z priekopníkov domáceho raketového motora Valentin Petrovič Glushko navrhol používať elektrické raketové motory (ERE). V porovnaní s tradičnými raketovými motormi na kvapalné palivo (LPRE) je prietok pracovnej tekutiny rádovo vyšší, čo znamená, že paliva je potrebné stokrát menej. Ťah elektrického hnacieho motora je bohužiaľ vypočítaný v rádoch niekoľkých gramových síl, takže nie sú vhodné na vynášanie vozidiel na obežnú dráhu. Sú to „rakety do hlbokého vesmíru“ navrhnuté na pomalé, ale nepretržité zrýchľovanie trvajúce mesiace a pri medziplanetárnych letoch roky. Misie s nízkym ťahom sa stali populárnymi až vtedy, keď elektronika v obrovskom skoku vpred umožnila vesmírnym plavidlám vydržať niekoľko mesiacov až niekoľko rokov, ak nie desaťročia.
Dráha letu s nízkym ťahom vôbec nie je ako klasická elipsa, je to pomaly sa rozvíjajúca Archimedova špirála. Prechod z nízkej obežnej dráhy na geostacionárny po takejto trajektórii sa oneskoruje o šesť mesiacov. To je pre majiteľa satelitu, ktorý predáva vesmírne komunikačné služby, skutočne mučenie: každý deň čakania stojí desiatky tisíc dolárov. Je potrebné vziať do úvahy takú nepríjemnú okolnosť, ako sú viacnásobné lety cez radiačné pásy Zeme. Tenká elektronika nemá veľmi rada kozmické žiarenie. Ale na druhej strane, satelit vybavený elektrickým pohonným motorom je možné vypustiť na geostacionárnu dráhu pomocou rakety Sojuz (300 ton) a zariadenie s konvenčným raketovým motorom už potrebuje silný Proton (700 ton). Rozdiel v nákladoch na uvedenie na trh je dva až trikrát. Zákazník kozmickej lode si teda láme hlavu: akú možnosť si vybrať? Obvykle sa však zastavia pri tom, čo je rýchlejšie: moderné komunikačné satelity začnú „odbíjať“ peniaze vynaložené na ich vypustenie do niekoľkých týždňov po štarte na cieľovú obežnú dráhu. V blízkosti zeme sa teda motory s nízkym ťahom používajú hlavne na korekcie malých obežných dráh.
Lety na, povedzme, asteroidy, sú ďalšou záležitosťou. EJE relatívne ľahko presunú medziplanetárnu stanicu z jedného objektu na druhý a nielen preletia, ale pri každom z nich sa dlho zdržia. Vďaka svojej nevýznamnej hmotnosti (v porovnaní s planétami) majú asteroidy malú gravitáciu. Ich let sa nepodobá na obvyklý orbitálny pohyb okolo veľkých planét. Orbitálne rýchlosti sa tu merajú v centimetroch za sekundu a periódy sa merajú mnoho dní. Ak chcete lietať okolo asteroidu rýchlejšie, musíte takmer neustále „pracovať ako motory“. Stojí za to ich vypnúť a zariadenie jednoducho odletí z planetoidu. Ale na druhej strane, takmer úplná absencia gravitácie vám umožňuje pristáť na povrchu asteroidu a vzlietnuť z neho s minimálnou spotrebou paliva.
Slovo „pristátie“ tu možno vo všeobecnosti použiť iba podmienečne: ukotvenie medziplanetárnej sondy k asteroidu je skôr ako pristátie dvoch vesmírne lode než klasické pristátie na povrchu planéty. Tento trik urobili Japonci so svojou sondou Hayabusa, ktorá dvakrát zostúpila a vystúpila z povrchu asteroidu Itokawa. Mimochodom, ten istý let ukázal, aké ťažké je ovládať zariadenie v blízkosti povrchu asteroidu. Výmena signálov so zariadením trvá desiatky minút, takže je nemožné napriek nízkym rýchlostiam dávať mu príkazy v reálnom čase. Preto bol vývoj autonómnej navigácie v blízkosti nerovného povrchu asteroidu jednou z hlavných úloh Hayabusa.
Americká sonda Dawn, vypustená v septembri 2007 na asteroidy Ceres a Vesta, je vybavená iónovými motormi s ťahom menším ako jedna desatina Newtona (hmotnosť 10-stranného závažia). Za deň prevádzky zrýchlia vozidlo s hmotnosťou asi tonu o 25 km / h. Nie je to tak málo, ako by sa mohlo zdať: za rok môžete podobným tempom získať 2,5 km / s. Plná ponuka paliva na palube (425 kilogramov) stačí na zmenu rýchlosti vozidla o 10 km / s - to nemá k dispozícii žiadne medziplanetárne vozidlo s chemickými motormi.

Planetárne motory

Skúsme fantazírovať a predstaviť si, že bolo konečne rozhodnuté poslať posádku ľudí, povedzme, do systému Saturn. Môžete si vybrať rýchly let s vysokým ťahom: zostavte medziplanetárnu kozmickú loď na obežnej dráhe blízko Zeme, vydajte silný akceleračný impulz pomocou raketového motora na kvapalné palivo a vyrazte na výlet s použitím hyperboly. Let bude stále trvať dlho - niekoľko rokov. Je potrebné obrovské množstvo paliva. To znamená, že na vybavenie obrovskej lode bude potrebných viac ako tucet superťažkých rakiet. Zásoby kyslíka, vody, jedla a všetkého, čo je potrebné pri medziplanetárnom lete, sa strácajú na pozadí obrovského množstva paliva, ktoré je nevyhnutné nielen na zrýchlenie zo Zeme, ale aj na brzdenie v cieli cesty a za návrat na domovskú planétu ...
Čo keď vyskúšate nízky mŕtvy ťah? Šialené množstvo paliva sa výrazne zníži a cestovný čas, napodiv, môže zostať rovnaký! Koniec koncov, lodné motory budú pracovať celú cestu - na polovicu zrýchlenie a na polovicu spomalenie. Je pravda, že ťah elektrických prúdových motorov bude musieť byť stonásobne zvýšený v porovnaní s ťahom na sondu Zarya. Ale za prvé, taký vývoj už prebieha, a za druhé, motorov môže byť veľa.
Na pohon elektrickej pohonnej jednotky je potrebných niekoľko megawattov energie. V blízkosti Zeme sa dal získať zadarmo - z obrovských solárnych panelov s rozlohou tisíc, ak nie desaťtisíc metrov štvorcových. Ale so vzdialenosťou od Slnka ich účinnosť rýchlo klesá: pre Mars - o 60%, pre Jupiter - 30 -krát. Na lety na obrie planéty teda budete musieť použiť jadrový reaktor. A napriek tomu bude s najväčšou pravdepodobnosťou raketový motor na kvapalné palivo stále potrebný na rýchly prechod nebezpečných radiačných pásov v blízkosti Zeme. Zdá sa, že práve kombinované pohonné systémy budú použité v medziplanetárnych misiách s posádkou budúcnosti.

Nielen gravitácia

Hlboký vesmír je plný mnohých záhad. Zdá sa, čo by mohlo byť presnejšie ako balistické výpočty založené na zákonoch nebeskej mechaniky? Nebolo to tak! Na vesmírnu sondu pôsobí mnoho síl, ktoré je vopred ťažké vziať do úvahy. Tlak slnečného žiarenia a slnečný vietor, magnetické polia planéty a odtok plynu zo samotného aparátu - to všetko ovplyvňuje rýchlosť jeho pohybu. Aj tepelné žiarenie zo sondy a rádiový signál odoslaný späť na Zem vysoko smerovou anténou spôsobujú spätný ráz, ktorý je potrebné vziať do úvahy pri presnej navigácii. A to, čo sa stalo už spomínaným „priekopníkom“, zatiaľ nedostalo poriadne vysvetlenie. Ruský astrofyzik Vyacheslav Turyshev z NASA asi pred 10 rokmi zistil, že sondy zažívajú veľmi malé anomálne spomalenie. Za 20 rokov letu anomália „priekopníkov“ viedla k tomu, že kozmické lode letiace až k hraniciam slnečnej sústavy sa odchýlili od vypočítanej polohy o 400 tisíc kilometrov! Čo len hypotézy neboli predložené na vysvetlenie anomálie. Od už spomínaných magnetických polí a odparovania zvyškov paliva z palivových potrubí až po prítomnosť masívnych neviditeľných predmetov na hraniciach slnečnej sústavy. Niektorí fyzici považujú anomáliu za údaj o nepresnosti modernej teórie gravitácie, iní ju považujú za prejav kozmologických faktorov, ako je temná hmota a temná energia. Vyčerpávajúce vysvetlenie zatiaľ nie je k dispozícii, ale Turyshevova skupina pokračuje v spracovaní údajov o lete Pionierov. Nech je to akokoľvek, pri navrhovaní nových trajektórií pre medziplanetárne lety bude potrebné vziať do úvahy možnosť takýchto neočakávaných javov.

Práca vesmírnej balistiky sa vo všeobecnosti pohybuje na hranici umenia a tvrdých vied. Vždy musí vyriešiť problém s mnohými neznámymi, zhoršený túžbou zákazníka urobiť všetko „rýchlejšie a lacnejšie“ bez toho, aby prekročil fyzikálne zákony... Nepochybne teda budeme stále svedkami zrodu mnohých nových netriviálnych kozmických trajektórií.

Existuje aj ďalší spôsob, ako zrýchliť objekt na rýchlosť blízku rýchlosti svetla - využiť „efekt závesu“. Pri odosielaní vesmírnych sond na iné planéty ich NASA niekedy núti manévrovať okolo susednej planéty, aby využila „ efekt praku “na ďalšie urýchlenie zariadenia. Takto NASA konzervuje cenné raketové palivo. Takto sa kozmickej lodi Voyager 2 podarilo dostať k Neptúnu, ktorého dráha leží na samom okraji slnečnej sústavy.

Freeman Dyson, fyzik z Princetonu, má zaujímavý návrh. Ak sa niekedy v ďalekej budúcnosti podarí ľudstvu detekovať vo vesmíre dve neutrónové hviezdy, ktoré sa otáčajú okolo spoločného centra vysokou rýchlosťou, potom pozemská loď, ktorá letí veľmi blízko k jednej z týchto hviezd, môže vďaka gravitačnému manévru získať rýchlosť rovná sa takmer tretine rýchlosti svetla. V dôsledku toho by bola loď v dôsledku gravitácie zrýchlená na rýchlosti blízke svetlu. Teoreticky sa to môže stať.

Ale v skutočnosti tento spôsob zrýchľovania pomocou gravitácie nebude fungovať. (Zákon zachovania energie hovorí, že vozík na horskej dráhe, ktorý pri zostupe zrýchľuje a pri stúpaní spomaľuje, končí na vrchole presne rovnakou rýchlosťou ako na úplnom začiatku - nedochádza k prírastku energie. Rovnakým spôsobom , otáčaním sa okolo nehybného slnka, skončíme presne rovnakou rýchlosťou, ako sme začali s manévrom.) Dysonova metóda dvoch neutrónových hviezd mohla v princípe fungovať, ale iba preto, že neutrónové hviezdy sa pohybujú rýchlo. Vesmírna loď využívajúca gravitačný asistent získava energiu z pohybu planéty alebo hviezdy. Ak sú nehybní, takýto manéver nič neurobí.

A Dysonov návrh, aj keď môže fungovať, dnešným vedcom na Zemi nijako nepomôže - koniec koncov, na to, aby ste mohli navštíviť rýchlo rotujúce neutrónové hviezdy, budete najskôr musieť postaviť hviezdnu loď.

Od dela k nebesám

Ďalším šikovným spôsobom, ako vypustiť loď do vesmíru a zrýchliť na fantastické rýchlosti, je vystreliť z koľajnicového elektromagnetického „dela“, ktoré vo svojich dielach popísal Arthur Clarke a ďalší autori sci -fi. Tento projekt je v súčasnosti vážne považovaný za možnú súčasť protiraketového štítu programu Hviezdne vojny.

Metóda spočíva v použití energie elektromagnetizmu na urýchlenie rakety na vysokú rýchlosť namiesto hnacieho plynu alebo strelného prachu.

V najjednoduchšom prípade sú železničnými pištoľami dva rovnobežné drôty alebo koľajnice; raketa alebo raketa sedí na oboch koľajniciach v tvare U. Dokonca aj Michael Faraday vedel, že sila pôsobí na rám s elektrickým prúdom v magnetickom poli. (Všeobecne povedané, všetky elektromotory fungujú na tomto princípe.) Ak prejdete cez koľajnice a projektil elektrina silou miliónov ampérov vznikne okolo celého systému extrémne silné magnetické pole, ktoré zasa bude poháňať projektil po koľajniciach, zrýchľovať ho na obrovskú rýchlosť a vrhať ho do vesmíru z konca železničného systému .

Počas testov elektromagnetické železničné delá úspešne strieľali z kovových predmetov obrovskou rýchlosťou a zrýchľovali ich na veľmi krátku vzdialenosť. Čo je pozoruhodné, teoreticky je konvenčné železničné delo schopné odpaľovať kovový projektil rýchlosťou 8 km / s; to stačí na to, aby sa dostal na obežnú dráhu Zeme. V zásade by celú raketovú flotilu NASA mohli nahradiť železničné delá, ktoré by strieľali užitočné zaťaženie priamo z povrchu Zeme na obežnú dráhu.

Železničný kanón má významné výhody oproti chemickým delám a raketám. Keď strieľate zo zbrane, maximálna rýchlosť, ktorou môžu rozpínajúce sa plyny vytlačiť guľku z hlavne, je obmedzená rýchlosťou šírenia rázovej vlny. Jules Berne v klasickom románe „Zo Zeme na Mesiac“ vypálil projektil s astronautmi na Mesiac so strelným prachom, ale v skutočnosti je ľahké vypočítať, že maximálna rýchlosť, ktorou môže prachová náplň poskytnúť projektil, je mnohonásobne nižšia ako rýchlosť potrebná na let na Mesiac ... Železničné delo nevyužíva výbušnú expanziu plynov, a preto nie je nijako závislé od rýchlosti šírenia rázovej vlny.

Železničný kanón má však svoje vlastné problémy. Objekty na ňom sa zrýchľujú tak rýchlo, že majú tendenciu sa zrútiť v dôsledku zrážky ... so vzduchom. Užitočné zaťaženie sa ukáže ako veľmi zdeformované počas „výstrelu“ z papule koľajnicového dela, pretože keď strela dopadne do vzduchu, je to ako náraz do tehlovej steny. Okrem toho počas zrýchlenia projektil zažije obrovské zrýchlenie, ktoré je samo osebe schopné vážne deformovať zaťaženie. Koľajnice je potrebné pravidelne vymieňať, pretože projektil ich pri pohybe tiež deformuje. Okrem toho je preťaženie železničnou zbraňou smrteľné pre ľudí; ľudské kosti také zrýchlenie a kolaps jednoducho nevydržia.

Jedným z riešení je namontovať na mesiac železničnú zbraň. Tam, mimo zemskú atmosféru, bude strela schopná neobmedzene sa zrýchľovať vo vákuu vesmíru. Ale aj na Mesiaci projektil počas zrýchlenia zažije obrovské preťaženie, ktoré môže poškodiť a zdeformovať užitočné zaťaženie. V istom zmysle je železničná pištoľ protipólom laserovej plachty, ktorá v priebehu času postupne naberá rýchlosť. Obmedzenia železničného dela sú určené práve tým, že prenáša do tela obrovskú energiu na krátku vzdialenosť a v krátkom čase.

Železničné delo schopné vystreliť zariadenie smerom k blízkym hviezdam by bolo veľmi nákladnou stavbou. Jeden z projektov teda počíta s výstavbou železničného dela vo vesmíre v dvoch tretinách vzdialenosti od Zeme k Slnku. Táto pištoľ bude musieť uložiť slnečnú energiu a potom ju minúť naraz, pričom zrýchli desaťtonové užitočné zaťaženie na rýchlosť rovnajúcu sa tretine rýchlosti svetla. V tomto prípade „projektil“ zažije preťaženie 5 000 g. Takéto spustenie budú môcť „prežiť“ samozrejme iba najtrvalejšie robotické lode.

Ak raketa letí blízko planéty, jej rýchlosť sa zmení. Buď sa zníži, alebo sa zvýši. To závisí od toho, z ktorej strany planéty poletí.

Keď americká vesmírna loď Voyager uskutočnila svoju slávnu veľkú prehliadku vonkajšej slnečnej sústavy, vykonala niekoľko takzvaných gravitačných asistenčných manévrov v blízkosti obrovských planét.
Najväčším šťastím bol Voyager 2, ktorý preletel okolo všetkých štyroch veľkých planét. Graf rýchlosti nájdete na obrázku:

Graf ukazuje, že po každom priblížení sa k planéte (okrem Neptúna) sa rýchlosť sondy zvýšila o niekoľko kilometrov za sekundu.

Na prvý pohľad sa to môže zdať zvláštne: predmet vletí do gravitačného poľa a zrýchli, potom vyletí z poľa a spomalí. Rýchlosť príchodu by mala byť rovnaká ako rýchlosť odchodu. Odkiaľ pochádza extra energia?
Dodatočná energia sa objavuje, pretože existuje tretie telo - Slnko. Keď letí blízko planéty, kozmická loď si s ňou vymieňa hybnosť a energiu. Ak pri takejto výmene gravitačná energia planéty v poli Slnka klesá, potom sa kinetická energia kozmickej lode (SC) zvyšuje a naopak.

Ako by mala kozmická loď preletieť okolo planéty, aby sa zvýšila jej rýchlosť? Na túto otázku nie je ťažké odpovedať. Nechajte vesmírnu loď prejsť po obežnej dráhe planéty priamo pred sebou. V tomto prípade, keď dostane ďalší impulz v smere planéty, dodá mu ďalší impulz v opačnom smere, to znamená v smere jeho pohybu. V dôsledku toho sa planéta presunie na mierne vyššiu obežnú dráhu a jej energia sa zvýši. V takom prípade sa energia kozmickej lode zodpovedajúcim spôsobom zníži. Ak kozmická loď prekročí obežnú dráhu za planétou, potom mierne spomalí pohyb a prenesie planétu na nižšiu obežnú dráhu. V tomto prípade sa rýchlosť kozmickej lode zvýši.

Hmotnosť kozmickej lode je samozrejme neúmerná hmotnosti planéty. Preto je zmena orbitálnych parametrov planéty počas gravitačného manévru nekonečne malou veličinou, ktorú nemožno zmerať. Napriek tomu sa energia planéty mení a môžeme sa o tom presvedčiť vykonaním gravitačného manévru a vidieť, že sa rýchlosť kozmickej lode mení. Tu je napríklad príklad, ako Voyager 2 preletel neďaleko Jupitera 9. júla 1979 (pozri obr.). Keď sa blížila k Jupiteru, rýchlosť sondy bola 10 km / s. V momente najbližšieho priblíženia sa zvýšil na 28 km / s. A potom, čo Voyager 2 vyletel z gravitačného poľa plynového obra, klesol na 20 km / s. V dôsledku gravitačnej pomoci sa teda rýchlosť kozmickej lode zdvojnásobila a stala sa hyperbolickou. To znamená, že prekročila rýchlosť potrebnú na opustenie slnečnej sústavy. Na obežnej dráhe Jupitera je rýchlosť odchodu zo slnečnej sústavy asi 18 km / s.

Tento príklad ukazuje, že Jupiter (alebo iná planéta) môže zrýchliť akékoľvek telo na hyperbolickú rýchlosť. To znamená, že môže toto teleso „vyhodiť“ zo slnečnej sústavy. Možno majú moderní kozmogonisti pravdu? Obrovské planéty možno skutočne odhodili ľadové bloky na vzdialené okraje slnečnej sústavy a vytvorili tak oblak Oortovej kométy.
Pred zodpovedaním tejto otázky sa pozrime, aké gravitačné manévre sú planéty schopné?

2. Princípy gravitačnej asistencie

Prvýkrát som sa s gravitačnou pomocou zoznámil v 9. ročníku na regionálnej olympiáde z fyziky. Úloha bola nasledovná. Raketa štartuje zo Zeme rýchlosťouV.(stačí vyletieť z poľa príťažlivosti). Raketa má ťahový motor F to môže bežať t... V ktorom časovom okamihu musíte zapnúť motor, aby bola konečná rýchlosť rakety na svojom maxime? Zanedbajte odpor vzduchu.

Najprv sa mi zdalo, že je jedno, kedy zapnem motor. Vzhľadom na zákon zachovania energie musí byť konečná rýchlosť rakety v každom prípade rovnaká. Zostalo vypočítať konečnú rýchlosť rakety v dvoch prípadoch: 1. zapnite motor na začiatku, 2. zapnite motor po opustení gravitačného poľa Zeme. Potom porovnajte výsledky a uistite sa, že konečná rýchlosť rakety je v oboch prípadoch rovnaká. Potom som si však spomenul, že sila je rovnaká: ťah krát rýchlosť. Preto bude výkon raketového motora maximálny, ak je motor zapnutý ihneď pri štarte, keď sú otáčky rakety na svojich maximách. Správna odpoveď: Okamžite zapneme motor, potom bude konečná rýchlosť rakety maximálna.

A hoci som problém vyriešil správne, problém zostal. Konečná rýchlosť, a teda aj energia rakety, ZÁVISÍ od momentu, v ktorom je motor zapnutý. Zdá sa, že ide o jasné porušenie zákona o zachovaní energie. Alebo nie? O čo tu ide? Energiu je potrebné šetriť! Na všetky tieto otázky som sa pokúsil odpovedať po olympiáde.

Majme raketu hmotnosti M s motorom, ktorý silou vytvára ťah F... Umiestnite túto raketu do prázdneho priestoru (mimo hviezd a planét) a zapnite motor. S akým zrýchlením sa raketa pohne? Odpoveď poznáme z druhého Newtonovho zákona: zrýchlenie a rovná sa:

a=F / M

Prejdime teraz k inému zotrvačnému referenčnému rámcu, v ktorom sa raketa pohybuje vysokou rýchlosťou, povedzme 100 km / s. Aké je zrýchlenie rakety v tomto referenčnom rámci?
Zrýchlenie NEZÁVISÍ na voľbe zotrvačného referenčného systému, takže bude ROVNAKÝ:

a=F / M

Hmotnosť rakety sa tiež nemení (100 km / s zatiaľ nie je relativistický prípad), preto je ťahová sila F bude ROVNAKÝ. A preto sila rakety závisí od jej rýchlosti. Napokon, sila sa rovná sile vynásobenej rýchlosťou. Ukazuje sa, že ak sa raketa pohybuje rýchlosťou 100 km / s, potom je výkon jej motora 100 -krát silnejší než PRESNE ten istý motor na rakete pohybujúcej sa rýchlosťou 1 km / s.

Na prvý pohľad sa to môže zdať zvláštne a dokonca paradoxné. Kde sa berie tá obrovská extra sila? Energiu je potrebné šetriť!

Pozrime sa na tento problém.

Raketa sa vždy pohybuje na prúdovom pohone: vysokou rýchlosťou vrhá do vesmíru rôzne plyny. Pre istotu predpokladajme, že rýchlosť emisií plynov je 10 km / s. Ak sa raketa pohybuje rýchlosťou 1 km / s, jej motor nezrýchľuje hlavne raketu, ale pohonnú látku. Sila motora na zrýchlenie rakety preto nie je vysoká. Ak sa však raketa pohybuje rýchlosťou 10 km / s, vysunuté palivo ZOSTÁVA vzhľadom na externého pozorovateľa, to znamená, že všetok výkon motora sa vynaloží na zrýchlenie rakety. A ak sa raketa pohybuje rýchlosťou 100 km / s? V takom prípade sa vysunuté palivo bude pohybovať rýchlosťou 90 km / s. To znamená, že rýchlosť paliva sa ZNÍŽI z 100 na 90 km / s. A VŠETKÝ rozdiel v kinetickej energii paliva na základe zákona o zachovaní energie sa prenesie do rakety. Preto sa výkon raketového motora pri takýchto otáčkach výrazne zvýši.

Jednoducho povedané, v rýchlo sa pohybujúcej rakete má jej pohonná látka obrovskú kinetickú energiu. A z tejto energie sa čerpá dodatočná energia na urýchlenie rakety. Teraz zostáva zistiť, ako je možné túto vlastnosť rakety využiť v praxi.

3. Praktická aplikácia

Predpokladajme, že v blízkej budúcnosti letíte v rakete do systému Saturn na Titane:

skúmať anaeróbne formy života.

Vyletel na obežnú dráhu Jupitera a ukázalo sa, že rýchlosť rakety klesla takmer na nulu. Dráha letu nebola správne vypočítaná alebo sa ukázalo, že palivo je falošné. Alebo mohol meteorit zasiahnuť palivový priestor a takmer všetko palivo bolo stratené. Čo robiť?

Raketa má motor a zostala jej malá zásoba paliva. Ale maximum, ktoré je motor schopný, je zvýšiť rýchlosť rakety o 1 km / s. Na let na Saturn to evidentne nestačí. A teraz pilot ponúka túto možnosť.

"Vstupujeme do gravitačného poľa Jupitera a padáme naň." Výsledkom je, že Jupiter zrýchlil raketu na obrovskú rýchlosť - asi 60 km / s. Keď raketa dosiahne túto rýchlosť, zapnite motor. Výkon motora pri tejto rýchlosti sa mnohonásobne zvýši. Potom vyletíme z gravitačného poľa Jupitera. V dôsledku takéhoto gravitačného manévru sa rýchlosť rakety nezvyšuje o 1 km / s, ale oveľa viac. A môžeme letieť k Saturnu. “

Ale niekto namieta.

"Áno, sila rakety v blízkosti Jupitera sa zvýši." Raketa dostane ďalšiu energiu. Keď však vyletíme z gravitačného poľa Jupitera, stratíme všetku túto dodatočnú energiu. Energia musí zostať v potenciálnej jame Jupitera, inak bude niečo ako stroj na večný pohyb, čo je nemožné. Preto gravitačná pomoc nebude mať žiadny prospech. Ale budeme strácať čas. “

Čo si o tom myslíš?

Raketa teda nie je ďaleko od Jupitera a je voči nemu takmer nehybná. Raketa má motor s dostatkom paliva na zvýšenie rýchlosti rakety iba o 1 km / s. Aby sa zlepšila účinnosť motora, navrhuje sa vykonať gravitačný asistent: „zhodiť“ raketu na Jupiter. V jeho poli príťažlivosti sa bude pohybovať v parabole (viď foto). A v najnižšom bode trajektórie (na fotografii je označený červeným krížikom) zapnite motor. Rýchlosť rakety v blízkosti Jupitera bude 60 km / s. Potom, čo ho motor ďalej akceleruje, sa rýchlosť rakety zvýši na 61 km / s. Akú rýchlosť bude mať raketa, keď vyletí z gravitačného poľa Jupitera?

Túto úlohu má stredoškolák, ak samozrejme dobre pozná fyziku. Najprv musíte napísať vzorec pre súčet potenciálnych a kinetických energií. Potom si zapamätajte vzorec potenciálnej energie v gravitačnom poli lopty. V príručke vyhľadajte, čomu sa rovná gravitačná konštanta, ako aj hmotnosť Jupitera a jeho polomer. Pomocou zákona zachovania energie a vykonávania algebraických transformácií získajte všeobecný konečný vzorec. A nakoniec, nahradením všetkých čísel do vzorca a vykonaním výpočtov získate odpoveď. Chápem, že nikto (takmer nikto) sa nechce ponoriť do žiadnych vzorcov, a preto sa pokúsim bez toho, aby som vás namáhal akýmikoľvek rovnicami, vysvetliť riešenie tohto problému „na prstoch“. Dúfam, že to funguje!

Ak je raketa nehybná, jej kinetická energia je nulová. A ak sa raketa pohybuje rýchlosťou 1 km / s, budeme predpokladať, že jej energia je 1 jednotka. Ak sa teda raketa pohybuje rýchlosťou 2 km / s, potom je jej energia 4 jednotky, ak 10 km / s, potom 100 jednotiek atď. To je jasné. Polovicu problému sme už vyriešili.

V bode označenom krížikom:

rýchlosť rakety je 60 km / s a ​​energia je 3 600 jednotiek. 3600 jednotiek stačí na to, aby vyleteli z gravitačného poľa Jupitera. Potom, čo raketa zrýchlila, jej rýchlosť dosiahla 61 km / s, respektíve energia 61 na druhú (vezmite si kalkulačku) 3721 jednotiek. Keď raketa opustí gravitačné pole Jupitera, minie iba 3600 jednotiek. Zostáva 121 jednotiek. To zodpovedá rýchlosti (odmocnina) 11 km / s. Problém je vyriešený. Toto nie je približná, ale PRESNÁ odpoveď.

Vidíme, že gravitačnú pomoc je možné použiť na získanie ďalšej energie. Namiesto zrýchlenia rakety na 1 km / s sa dá zrýchliť na 11 km / s (energia 121 -krát viac, účinnosť - 12 -tisíc percent!) Ak je v blízkosti nejaké masívne teleso ako Jupiter.

Ako sme dosiahli OBROVSKÝ energetický zisk? Dôvodom je, že vyhorené palivo nenechali v prázdnom priestore v blízkosti rakety, ale v hlbokej potenciálnej diere vytvorenej Jupiterom. Spotrebované palivo dostalo veľkú potenciálnu energiu so znamienkom MÍNUS. Raketa preto dostala veľkú kinetickú energiu so znamienkom PLUS.

4. Rotácia vektora rýchlosti v blízkosti planéty

Predpokladajme, že letíme s raketou blízko Jupitera a chceme zvýšiť jeho rýchlosť. Ale nemáme ŽIADNE palivo. Povedzme, že máme nejaké palivo na opravu nášho kurzu. Na citeľné zrýchlenie rakety to však zjavne nestačí. Môžeme pomocou gravitačnej asistencie citeľne zvýšiť rýchlosť rakety?

Vo veľmi všeobecný pohľad táto úloha vyzerá takto. Nejakou rýchlosťou letíme do gravitačného poľa Jupitera. Potom vyletíme z poľa. Zmení sa naša rýchlosť? A ako veľmi sa to môže zmeniť? Vyriešime tento problém.

Z pohľadu pozorovateľa, ktorý je na Jupiteri (alebo skôr nehybne vzhľadom na jeho ťažisko), náš manéver vyzerá takto. Raketa je najskôr vo veľkej vzdialenosti od Jupitera a pohybuje sa k nej rýchlosťou V.... Potom sa blíži k Jupiteru a zrýchľuje. V tomto prípade je trajektória rakety zakrivená a, ako je známe, v najbežnejšej forme je hyperbola. Maximálna rýchlosť rakety bude pri najbližšom priblížení. Hlavnou vecou tu nie je naraziť do Jupitera, ale letieť vedľa neho. Po najbližšom priblížení sa raketa začne vzďaľovať od Jupitera a jej rýchlosť sa zníži. Nakoniec raketa vyletí z gravitačného poľa Jupitera. Aku rychlost to bude mat Presne to isté, čo bolo po príchode. Raketa vletela do gravitačného poľa Jupitera rýchlosťou V. a vyletel z neho úplne rovnakou rýchlosťou V.... Nič sa nezmenilo? Nie, zmenilo sa to. SMER rýchlosti sa zmenil. To je dôležité. Vďaka tomu môžeme vytvoriť gravitačný asistent.

Skutočne pre nás predsa nie je dôležitá rýchlosť rakety vzhľadom na Jupiter, ale jej rýchlosť vzhľadom na Slnko. Ide o takzvanú heliocentrickú rýchlosť. Touto rýchlosťou sa raketa pohybuje slnečnou sústavou. Slnečnou sústavou sa pohybuje aj Jupiter. Vektor heliocentrickej rýchlosti rakety je možné rozložiť na súčet dvoch vektorov: obežnej rýchlosti Jupitera (približne 13 km / s) a rýchlosti rakety RELATÍVNE na Jupiter. Nie je tu nič ťažké! Toto je obvyklé pravidlo trojuholníka pre pridávanie vektorov, ktoré sa vyučuje v 7. ročníku. A tomuto pravidlu stačí DOSTATOK na pochopenie podstaty gravitačnej pomoci.

Máme štyri rýchlosti. V. 1 je rýchlosť našej rakety vzhľadom na Slnko PRED gravitačným asistentom. U 1 je rýchlosť rakety vzhľadom na Jupiter PRED gravitačným asistentom. U 2 je rýchlosť rakety vzhľadom na Jupiter PO gravitačnom asistenti. Najväčší U 1 a U 2 ROVNAKÉ, ale v smere sú INÉ. V. 2 je rýchlosť rakety vzhľadom na Slnko PO gravitačnom asistenti. Ak chcete vidieť, ako všetky tieto štyri rýchlosti spolu súvisia, pozrite sa na obrázok:

Zelená šípka AO je rýchlosť, ktorou sa Jupiter pohybuje po svojej obežnej dráhe. Červená šípka AB je V. 1: Rýchlosť našej rakety vzhľadom na Slnko PRED gravitačným asistentom. Žltá šípka OV je rýchlosť našej rakety vzhľadom na Jupiter PRED gravitačným manévrom. Žltá šípka OS je rýchlosť rakety vzhľadom na Jupiter PO gravitačnom asistenti. Táto rýchlosť MUSÍ ležať niekde na žltom kruhu polomeru OB. Pretože vo svojom súradnicovom systéme Jupiter NEMÔŽE zmeniť hodnotu rýchlosti rakety, ale dokáže ju otočiť iba o určitý uhol (alfa). A nakoniec, AC je to, čo potrebujeme: raketová rýchlosť V. 2 PO gravitačnom asistenti.

Pozrite sa, aké je to jednoduché. Rýchlosť rakety PO gravitačnom asistenti sa rovná rýchlosti rakety PRED gravitačným asistentom AB plus vektorom lietadla. A vektor BC je ZMENOU rýchlosti rakety v referenčnom rámci Jupitera. Pretože OS - OB = OS + VO = VO + OS = VS. Čím viac sa vektor rýchlosti rakety otočí voči Jupiteru, tým účinnejší bude gravitačný manéver.

Raketa BEZ paliva letí do gravitačného poľa Jupitera (alebo inej planéty). Veľkosť jeho rýchlosti PRED a PO manévri vzhľadom na Jupiter sa NEMENÍ. Ale v dôsledku otáčania vektora rýchlosti vzhľadom na Jupiter sa rýchlosť rakety vzhľadom na Jupiter stále mení. A vektor tejto zmeny sa jednoducho pridá k vektoru rýchlosti rakety PRED manévrom. Dúfam, že som všetko zrozumiteľne vysvetlil.

Uvažovanie o gravitácii ako o jave. Ako vždy, čisto osobný názor.

Malá informácia

Kedy presne sa ľudia dozvedeli o gravitačných silách, zostane očividne veľmi dlho záhadou. Oficiálne sa verí, že Isaac Newton sa vyrovnal s javmi univerzálnej gravitácie potom, čo pri chôdzi dostal pracovné zranenie s jablkom.

Isaac Newton zrejme v dôsledku svojho zranenia dostal od nášho Pána zjavenie, ktoré vyústilo do zodpovedajúcej rovnice:

F = G (m 1 * m 2) / r 2 (rovnica č. 1)

Kde, resp. F- požadovaná interakčná sila (gravitačná sila), m 1, m 2 - masy interagujúcich tiel, r- vzdialenosť medzi telami, G- gravitačná konštanta.

Nebudem sa dotýkať filozofie Isaaca Newtona, priameho autorstva ani niektorých ďalších vecí, ktoré nesúvisia s faktami pozorovania, ak niekoho zaujíma, môžete vidieť vyšetrovanie Vadim Lovchikov alebo niečo podobné.

A tak najskôr analyzujme, čo sa nám ponúka pod rúškom tejto jednoduchej rovnice.

najprv Na čo treba venovať pozornosť, rovnica č. 1 má radiálnu (guľovú symetriu), čo znamená, že gravitácia nemá rozlíšené smery interakcie a všetky interakcie, ktoré poskytuje, sú striktne symetrické.

Druhý Na čo by ste mali venovať pozornosť, v rovnici č. 1 nie je ani čas, ani žiadne rýchlosti, to znamená, že interakcia je zabezpečená okamžite, bez oneskorenia na akúkoľvek vzdialenosť.

Tretí, Newton poukázal na božskú podstatu gravitácie, to znamená, že všetky veci na svete na seba pôsobia z Božej vôle - gravitácia nie je výnimkou. Prečo sa interakcia uskutočňuje týmto spôsobom, je Božia vôľa, v našom chápaní nemal žiadny fyzický obraz sveta.

Ako vidíte, gravitačné princípy sú jednoduché a zrozumiteľné, sú uvedené vo všetkých školských učebniciach a sú vysielané všetkými žehličkami (s výnimkou snáď tretieho princípu), ale ako si pamätáme, Francis Bacon nás odkázal porozumieť prírode. pozorovaním (empiricky) zodpovedajú vyššie uvedené zákony tomuto pravidlu?

Niekoľko faktov

Zotrvačnosť, je prirodzený jav, ktorý sa vyskytuje, keď sa akékoľvek telo pohybuje. Napriek všeobecnému rozšíreniu tohto javu fyzici stále (ak niekto vie, nech ma opraví) nedokážu jasne povedať, s akou zotrvačnosťou je fyzicky spojená, s telom alebo s priestorom okolo neho. Newton veľmi dobre vedel o existencii tohto javu a skutočnosti, že ovplyvňuje interakčné sily gravitačných telies, ale ak sa pozriete na rovnicu č. 1, nenájdete tam stopy zotrvačnosti, v dôsledku čoho je problém „Tri telá“ neboli vyriešené dôsledne.

Všetky žehličky, všetky prúžky, ma presviedčajú, že Newton de vypočítal dráhy planét na základe svojej božskej rovnice, samozrejme im verím, pretože nedlho predtým Johannes Kepler urobil všetko empiricky, ale žiadne zo žehličiek nevysvetľuje, ako povedal Isaac. urobil vo svojich výpočtoch Newton zohľadnil zotrvačnosť, to vám nikto nepovie v žiadnej učebnici, ani univerzitnej.

Výsledkom je, že je to veľmi jednoduché, britskí vedci prispôsobili výsledky výpočtov Keplerovým prácam, rovnica č. 1 neberie do úvahy zotrvačnosť a rýchlosti telies, preto je na výpočet konkrétnych dráh nebeských telies úplne zbytočná. Nie je ani zábavné hovoriť, že Newtonova filozofia nejako fyzicky popisuje mechanizmus zotrvačnosti.

Gravitačný manéver- prírodný jav, keď sa pri interakcii gravitačných telies jedno z nich zrýchli, druhé spomalí. Ak vezmeme do úvahy dokonalú radiálnu symetriu rovnice č. 1, ako aj okamžitú rýchlosť šírenia gravitácie podľa tejto rovnice, tento fyzikálny efekt je nemožný, všetka pridaná hybnosť bude odobratá vzájomnou vzdialenosťou telies a interagujúce telá zostanú „samy“. Naučili sa pracovať s gravitačnými manévrami na základe empirických pozorovaní (lety do vesmíru), podľa Newtonovej teórie je v tomto prípade možná iba zmena smeru pohybu telies, ale nie ich hybnosť, čo je v jasnom rozpore s experimentálnymi údajmi.

Štruktúry podobné disku- väčšinu viditeľného vesmíru zaberajú diskovité štruktúry, jedná sa o galaxie a disky planetárnych systémov, planetárne prstence. Vzhľadom na úplnú symetriu rovnice č. 1 je to veľmi zvláštny fyzický fakt. Podľa tejto rovnice by drvivá väčšina štruktúr mala mať sférický symetrický tvar, astronomické pozorovania tomuto tvrdeniu priamo protirečia. Oficiálna kozmogonická teória kondenzácie planét z prachového oblaku nijako nevysvetľuje prítomnosť plochých diskov planetárnych systémov okolo hviezd. Rovnakou výnimkou sú prstence Saturnu, ktoré údajne vznikli nárazom určitých telies na obežnú dráhu Saturnu, prečo to bola plochá a nie sférická štruktúra, ktorá sa vytvorila?

Astronomické javy, ktoré pozorujeme, sú v priamom rozpore so základnými postulátmi symetrie Newtonovej gravitačnej teórie.

Prílivová aktivita- ako tvrdenia moderná veda, prílivové vlny v moriach Zeme sú tvorené spoločným gravitačným vplyvom Mesiaca a Slnka. Vplyv Mesiaca a Slnka na príliv a odliv je, samozrejme, ale práve to je podľa mňa dosť kontroverzné, rád by som videl interaktívnu simuláciu, kde by sa nachádzali aj polohy Mesiaca a Slnka ako prílivy a odlivy, by bolo superponované, niečo, čo som ešte nevidel tak dobré simulácie, čo je vzhľadom na lásku moderných vedcov k počítačovým simuláciám veľmi zvláštne.

Otázok týkajúcich sa prílivu a odlivu je oveľa viac, než odpovedí. Na začiatok aspoň sformovaním „prílivovej elipsy“ chápem, že gravitácia spôsobuje „antinódu“ vôd na strane najbližšej k Mesiacu alebo Slnku a čo spôsobuje podobný „antinód“ na zadná strana Zem, ak sa pozriete na rovnicu č. 1, toto v zásade nemôže byť.

Dobrí fyzici sa zhodli, že vedúcou hodnotou slapových síl nie je modul sily, ale jeho gradient, napríklad gradient sily Mesiaca má na príliv a odliv väčší vplyv, Slnko má menší gradient má menší vplyv na príliv a odliv, ale odpustite v rovnici č. 1 nič také neexistuje, ale Newton nikdy nič také nepovedal, ako tomu porozumieť? Očividne ako ďalší vhodný pre známy výsledok od britských „vedcov“. Keď kypiace prílivové látky dosiahli určitú úroveň, britskí „vedci“ rozhodli ešte viac zmiasť vďační poslucháči, čo z toho je pravda, nie je vôbec jasné.

Nemám názor na správny algoritmus na výpočet prílivu a odlivu, ale všetky nepriame znaky naznačujú, že ho nikto nemá.

Cavendishov experiment- stanovenie „gravitačnej konštanty“ pomocou torzného vyváženia. To je skutočná hanba modernej fyzikálnej vedy, navyše skutočnosť, že je to hanba, bola jasná už v časoch Cavendisha (1790), ale nebol by skutočným „britským“ vedcom, keby venoval pozornosť nudnému vonkajšiemu svet, škaredý experiment z fyzikálneho hľadiska vstúpil do všetkých možných učebníc fyziky a odvtedy tam stále prichádza. Len nedávno začali „svetlá“ z vedy prejavovať mierne obavy z jeho reprodukovateľnosti.

Skúsenosti sú v podmienkach Zeme v zásade nereprodukovateľné. Otázka nie je ani v "Kazimírovom efekte", ktorý bol predpovedaný dávno pred Kazimírom, nie v tepelných deformáciách štruktúry a elektromagnetickej interakcii zaťažení. Hlavným problémom sú dlhodobé prirodzené oscilácie zariadenia; nie je možné toto skreslenie v pozemských podmienkach akýmkoľvek spôsobom odstrániť.

Osobne nepredpokladám, že by som povedal, aké čísla britskí vedci zamýšľali, môžem len povedať, že v súlade s najnovšími fyzikálnymi štúdiami je to všetko svinstvo, ktoré nemá nič spoločné so skutočnými gravitačnými interakciami. Táto skúsenosť teda nemôže slúžiť na to, aby niečo dokázala alebo vyvrátila, je to len svinstvo, s ktorým sa nedá urobiť nič hodnotné, a ešte viac nie je možné zistiť hodnotu „gravitačnej konštanty“.

Trochu nadávky

Dalo by sa vymenovať mnoho ďalších faktov, ale nevidím v tom žiadny zvláštny význam, - stále to nič neovplyvňuje, „fyzici“ z gravitácie označujú čas na jednom mieste štyristo rokov, zrejme sú veľa dôležitejšie nie je to, čo sa deje v prírode, a to, čo povedal nejaký anglikánsky teológ, samozrejme, Nobelove ceny sa udeľujú iba za to.

Teraz je veľmi v móde nariekať, že mladí ľudia „ignorujú“ fyziku, nerešpektujú autority a iné hlúposti. Aký rešpekt môže existovať, ak sú manipulácie našich britských partnerov viditeľné bez kontaktných šošoviek? Fyzické údaje sú v priamom rozpore so všetkými postulátmi vedy, ale sova je stále pravidelne priťahovaná po celom svete a tejto fascinujúcej aktivite nie je koniec. Mladí ľudia vidia, ako sa naše skutky vykonávajú pred Pánom, berúc do úvahy modernú informačnú bezpečnosť, a som si istý, že vyvodia vhodné závery.

Myslím si, že najväčším tajomstvom modernej fyziky sú konkrétne hodnoty gravitačných síl v slnečnej sústave, inak prečo toľko nehôd pri pristávaní (lunárne pristátie, pristátie, pristátie) satelitov, ale každý pokračuje v čítaní mantry o „veľký vedec“ a jeho zákony očividne nechcú vydať svoje know-how zarobené potom a krvou.

Ešte nepríjemnejšia je moderná kozmológia, ľudia v podstate nemajú žiadne fakty o gravitácii, ale už vynašli temnú hmotu, temnú energiu a čierne diery a gravitačné vlny. Možno najskôr vymyslíme aspoň okolie Zeme a Slnka, spustíme testovacie sondy a zistíme, čím čím, a preto už budeme oplotiť rôzne schizofrénie, ale žiadni britskí „vedci“ takí nie sú. Výsledkom je, že máme šachtu „vedeckých“ publikácií, ktorých celková hodnota je niekde v najnižšom bode.

Potom budú namietať, samozrejme, je tu aj Einstein a jeho klika. Viete, títo milí ľudia prekonali samotného Newtona, Newton aspoň povedal, že existujú gravitačné sily, aj keď z Božej vôle, Einstein ich vyhlásil za imaginárne, telá, hovoria, lietajte, pretože to ja (Einstein) tak chcem, a nič iné, v r. štúdiá, ktoré vymyslel, stratili dokonca aj Boha. Preto nebudem ani odsudzovať tieto agnostické výstrelky chorého vedomia, jednoducho to nemôžem považovať za vedecké údaje. Toto je rozprávka, esej, filozofia, čokoľvek, ale nie empirizmus.

závery

Celá dostupná história, najmä tá najnovšia, presvedčivo dokazuje, že naši britskí partneri nedávajú nič zadarmo, a potom sa zrazu stali veľkorysými s celou teóriou gravitácie, to je prinajmenšom podozrivé.

Osobne vôbec neverím v ich dobré úmysly, všetky fyzické údaje, obzvlášť prijaté od našich partnerov, vyžadujú dôkladný centralizovaný audit, inak budeme poškriabať ego ďalších tisíc rokov so všetkými druhmi nechutných tmárok a oni budú ťahať nás do nekonečných problémov s ľudskými a materiálnymi obeťami.

Hlavným záverom článku je, že gravitácia ako jav je na rovnakej úrovni výskumu, aspoň v oblasti verejného poznania, ako pred 400 rokmi. Poďme sa konečne pustiť do skúmania skutočného sveta a nie do bozkávania britských relikvií.

Každý si však môže slobodne vytvoriť vlastný názor na základe dostupných skutočností.

Konvenčný pohľad

V slnečnej sústave existujú špeciálne telesá - kométy.
Kométa je malé teleso veľké niekoľko kilometrov. Na rozdiel od bežného asteroidu obsahuje kométa rôzny ľad: voda, oxid uhličitý, metán a ďalšie. Keď kométa vstúpi na obežnú dráhu Jupitera, tieto ľady sa začnú rýchlo odparovať, opustia povrch kométy spolu s prachom a vytvoria takzvanú kómu - oblak plynu a prachu, ktorý obklopuje pevné jadro. Tento mrak sa rozprestiera státisíce kilometrov od jadra. Vďaka odrazenému slnečnému žiareniu sa kométa (nie sama, ale iba oblak) stáva viditeľným. A vďaka ľahkému tlaku je časť oblaku natiahnutá do takzvaného chvosta, ktorý sa tiahne od kométy mnoho miliónov kilometrov (pozri fotografiu 2). Vzhľadom na veľmi slabú gravitáciu sa všetka hmota kómy a chvosta nenávratne stratí. Preto kométa letiaca blízko Slnka môže stratiť niekoľko percent svojej hmotnosti a niekedy aj viac. Čas jej života podľa astronomických štandardov je zanedbateľný.
Odkiaľ pochádzajú nové kométy?

Podľa tradičnej kozmogónie pochádzajú z takzvaného Oortovho oblaku. Všeobecne sa uznáva, že vo vzdialenosti stotisíc astronomických jednotiek od Slnka (polovica vzdialenosti k najbližšej hviezde) sa nachádza obrovský rezervoár komét. Blízke hviezdy periodicky narúšajú tento rezervoár a potom sa obežné dráhy niektorých komét zmenia tak, že sa ich perihélium nachádza v blízkosti Slnka, plyny na jeho povrchu sa začnú vyparovať, vytvárajúc obrovskú kómu a chvost a kométa je viditeľná ďalekohľadom a niekedy aj voľným okom. Na snímke slávna veľká kométa Hale-Bopp, 1997.

Ako vznikol Oortov oblak? Všeobecne akceptovaná odpoveď je táto. Na úplnom začiatku formovania slnečnej sústavy v oblasti obrovských planét vzniklo mnoho ľadových telies s priemerom desať kilometrov a viac. Niektoré z nich sa stali súčasťou obrovských planét a ich satelitov a niektoré boli vyhodené na okraj slnečnej sústavy. V tomto procese zohral hlavnú úlohu Jupiter, ale svoje gravitačné polia naň aplikovali aj Saturn, Urán a Neptún. Vo väčšine všeobecný prehľad tento proces vyzeral takto: kométa letí v blízkosti silného gravitačného poľa Jupitera a mení svoju rýchlosť tak, aby sa ocitla na okraji slnečnej sústavy.

Je pravda, že to nestačí. Ak je perihélium kométy vnútri obežnej dráhy Jupitera a afélium je niekde na periférii, potom jeho obdobie, ako sa dá ľahko vypočítať, bude niekoľko miliónov rokov. Počas existencie slnečnej sústavy bude mať takáto kométa čas priblížiť sa k Slnku takmer tisíckrát a všetok jej plyn, ktorý sa môže odpariť, sa odparí. Preto sa predpokladá, že keď je kométa na periférii, potom poruchy od najbližších hviezd zmenia jej obežnú dráhu tak, že perihélium bude tiež veľmi ďaleko od Slnka.

Ukazuje sa teda, že ide o štvorstupňový proces. 1. Jupiter hodí kúsok ľadu na perifériu slnečnej sústavy. 2. Najbližšia hviezda zmení svoju obežnú dráhu tak, že aj perihélium obežnej dráhy je ďaleko od Slnka. 3. Na takejto obežnej dráhe zostáva kus ľadu neporušený takmer niekoľko miliárd rokov. 4. Iná, prechádzajúca blízka hviezda, opäť narúša jej obežnú dráhu, takže perihélium je blízko Slnka. Výsledkom je, že k nám prichádza kus ľadu. A vidíme to ako novú kométu.

To všetko sa zdá moderným kozmogonistom celkom vierohodné. Ale je to tak? Pozrime sa podrobnejšie na všetky štyri kroky.

Gravitačná manéver

Prvé stretnutie

Prvýkrát som sa s gravitačnou pomocou zoznámil v 9. ročníku na regionálnej olympiáde z fyziky. Úloha bola nasledovná.
Raketa štartuje zo Zeme s rýchlosťou V (dosť na to, aby vyletela z gravitačného poľa). Raketa má ťahový motor F, ktorý môže pracovať určitý čas t. V ktorom časovom okamihu musíte zapnúť motor, aby bola konečná rýchlosť rakety na svojom maxime? Zanedbajte odpor vzduchu.

Najprv sa mi zdalo, že je jedno, kedy zapnem motor. Vzhľadom na zákon zachovania energie musí byť konečná rýchlosť rakety v každom prípade rovnaká. Zostalo vypočítať konečnú rýchlosť rakety v dvoch prípadoch: 1. zapnite motor na začiatku, 2. zapnite motor po opustení gravitačného poľa Zeme. Potom porovnajte výsledky a uistite sa, že konečná rýchlosť rakety je v oboch prípadoch rovnaká. Potom som si však spomenul, že sila je rovnaká: ťah krát rýchlosť. Preto bude výkon raketového motora maximálny, ak je motor zapnutý ihneď pri štarte, keď sú otáčky rakety na svojich maximách. Správna odpoveď: Okamžite zapneme motor, potom bude konečná rýchlosť rakety maximálna.

A hoci som problém vyriešil správne, problém zostal. Konečná rýchlosť, a teda aj energia rakety, ZÁVISÍ od momentu, v ktorom je motor zapnutý. Zdá sa, že ide o jasné porušenie zákona o zachovaní energie. Alebo nie? O čo tu ide? Energiu je potrebné šetriť! Na všetky tieto otázky som sa pokúsil odpovedať po olympiáde.

Ťah rakety ZÁVISÍ od jej rýchlosti. to dôležitý bod, a stojí za to diskutovať.
Predpokladajme, že máme raketu hmotnosti M s motorom, ktorý vytvára ťah silou F. Túto raketu umiestnime do prázdneho priestoru (ďaleko od hviezd a planét) a zapneme motor. S akým zrýchlením sa raketa pohne? Poznáme odpoveď z druhého Newtonovho zákona: zrýchlenie A sa rovná:
A = F / M

Prejdime teraz k inému zotrvačnému referenčnému rámcu, v ktorom sa raketa pohybuje vysokou rýchlosťou, povedzme 100 km / s. Aké je zrýchlenie rakety v tomto referenčnom rámci?
Zrýchlenie NEZÁVISÍ na voľbe zotrvačného referenčného systému, takže bude ROVNAKÝ:
A = F / M
Hmotnosť rakety sa tiež nemení (100 km / s zatiaľ nie je relativistický prípad), preto bude ťažná sila F rovnaká.
A preto sila rakety závisí od jej rýchlosti. Napokon, sila sa rovná sile vynásobenej rýchlosťou. Ukazuje sa, že ak sa raketa pohybuje rýchlosťou 100 km / s, potom je výkon jej motora 100 -krát silnejší než PRESNE ten istý motor na rakete pohybujúcej sa rýchlosťou 1 km / s.

Na prvý pohľad sa to môže zdať zvláštne a dokonca paradoxné. Kde sa berie tá obrovská extra sila? Energiu je potrebné šetriť!
Pozrime sa na tento problém.
Raketa sa vždy pohybuje na prúdovom pohone: vysokou rýchlosťou vrhá do vesmíru rôzne plyny. Pre istotu predpokladajme, že rýchlosť emisií plynov je 10 km / s. Ak sa raketa pohybuje rýchlosťou 1 km / s, jej motor nezrýchľuje hlavne raketu, ale pohonnú látku. Sila motora na zrýchlenie rakety preto nie je vysoká. Ak sa však raketa pohybuje rýchlosťou 10 km / s, vysunuté palivo ZOSTÁVA vzhľadom na externého pozorovateľa, to znamená, že všetok výkon motora sa vynaloží na zrýchlenie rakety. A ak sa raketa pohybuje rýchlosťou 100 km / s? V takom prípade sa vysunuté palivo bude pohybovať rýchlosťou 90 km / s. To znamená, že rýchlosť paliva sa ZNÍŽI z 100 na 90 km / s. A VŠETKÝ rozdiel v kinetickej energii paliva na základe zákona o zachovaní energie sa prenesie do rakety. Preto sa výkon raketového motora pri takýchto otáčkach výrazne zvýši.

Jednoducho povedané, v rýchlo sa pohybujúcej rakete má jej pohonná látka obrovskú kinetickú energiu. A z tejto energie sa čerpá dodatočná energia na urýchlenie rakety.

Teraz zostáva zistiť, ako je možné túto vlastnosť rakety využiť v praxi.

Pokus o praktickú aplikáciu

Predpokladajme, že v blízkej budúcnosti letíte na rakete k systému Saturn na Titane (pozri fotografiu 1-3) s cieľom študovať anaeróbne formy života. Vyletel na obežnú dráhu Jupitera a ukázalo sa, že rýchlosť rakety klesla takmer na nulu. Dráha letu nebola správne vypočítaná alebo sa ukázalo, že palivo je falošné :) ... Alebo mohol meteorit zasiahnuť palivový priestor a takmer všetko palivo bolo stratené. Čo robiť?

Raketa má motor a zostala jej malá zásoba paliva. Ale maximum, ktoré je motor schopný, je zvýšiť rýchlosť rakety o 1 km / s. Na let na Saturn to evidentne nestačí. A teraz pilot ponúka túto možnosť.
"Vstupujeme do gravitačného poľa Jupitera a padáme naň." Výsledkom je, že Jupiter zrýchlil raketu na obrovskú rýchlosť - asi 60 km / s. Keď raketa dosiahne túto rýchlosť, zapnite motor. Výkon motora pri tejto rýchlosti sa mnohonásobne zvýši. Potom vyletíme z gravitačného poľa Jupitera. V dôsledku takéhoto gravitačného manévru sa rýchlosť rakety nezvyšuje o 1 km / s, ale oveľa viac. A môžeme letieť k Saturnu. “
Ale niekto namieta.
"Áno, sila rakety v blízkosti Jupitera sa zvýši." Raketa dostane ďalšiu energiu. Keď však vyletíme z gravitačného poľa Jupitera, stratíme všetku túto dodatočnú energiu. Energia musí zostať v potenciálnej jame Jupitera, inak bude niečo ako stroj na večný pohyb, čo je nemožné. Preto gravitačná pomoc nebude mať žiadny prospech. Ale budeme strácať čas. “

Raketa teda nie je ďaleko od Jupitera a je voči nemu takmer nehybná. Raketa má motor s dostatkom paliva na zvýšenie rýchlosti rakety iba o 1 km / s. Aby sa zlepšila účinnosť motora, navrhuje sa vykonať gravitačný asistent: „zhodiť“ raketu na Jupiter. V jeho poli príťažlivosti sa bude pohybovať v parabole (viď foto). A v najnižšom bode trajektórie (na fotografii je označený červeným krížikom) sa zapne b motor. Rýchlosť rakety v blízkosti Jupitera bude 60 km / s. Potom, čo ho motor ďalej akceleruje, sa rýchlosť rakety zvýši na 61 km / s. Akú rýchlosť bude mať raketa, keď vyletí z gravitačného poľa Jupitera?

Túto úlohu má stredoškolák, ak samozrejme dobre pozná fyziku. Najprv musíte napísať vzorec pre súčet potenciálnych a kinetických energií. Potom si zapamätajte vzorec potenciálnej energie v gravitačnom poli lopty. V príručke vyhľadajte, čomu sa rovná gravitačná konštanta, ako aj hmotnosť Jupitera a jeho polomer. Pomocou zákona zachovania energie a vykonávania algebraických transformácií získajte všeobecný konečný vzorec. A nakoniec, nahradením všetkých čísel do vzorca a vykonaním výpočtov získate odpoveď. Chápem, že nikto (takmer nikto) sa nechce ponoriť do žiadnych vzorcov, a preto sa pokúsim bez toho, aby som vás namáhal akýmikoľvek rovnicami, vysvetliť riešenie tohto problému „na prstoch“. Dúfam, že to funguje! :) .

Ak je raketa nehybná, jej kinetická energia je nulová. A ak sa raketa pohybuje rýchlosťou 1 km / s, budeme predpokladať, že jej energia je 1 jednotka. Ak sa teda raketa pohybuje rýchlosťou 2 km / s, potom je jej energia 4 jednotky, ak 10 km / s, potom 100 jednotiek atď. To je jasné. Polovicu problému sme už vyriešili.
V mieste označenom krížom (pozri fotografiu) je rýchlosť rakety 60 km / s a ​​energia je 3600 jednotiek. 3600 jednotiek stačí na to, aby vyleteli z gravitačného poľa Jupitera. Potom, čo raketa zrýchlila, jej rýchlosť dosiahla 61 km / s, respektíve energia 61 na druhú (vezmite si kalkulačku) 3721 jednotiek. Keď raketa opustí gravitačné pole Jupitera, minie iba 3600 jednotiek. Zostáva 121 jednotiek. To zodpovedá rýchlosti (odmocnina) 11 km / s. Problém je vyriešený. Toto nie je približná, ale PRESNÁ odpoveď.

Vidíme, že gravitačnú pomoc je možné použiť na získanie ďalšej energie. Namiesto zrýchlenia rakety na 1 km / s sa dá zrýchliť na 11 km / s (energia 121 -krát viac, účinnosť - 12 -tisíc percent!) Ak je v blízkosti nejaké masívne teleso ako Jupiter.

Ako sme dosiahli OBROVSKÝ energetický zisk? Dôvodom je, že vyhorené palivo nenechali v prázdnom priestore v blízkosti rakety, ale v hlbokej potenciálnej diere vytvorenej Jupiterom. Spotrebované palivo dostalo veľkú potenciálnu energiu so znamienkom MÍNUS. Raketa preto dostala veľkú kinetickú energiu so znamienkom PLUS.

Otočiť vektor

Predpokladajme, že letíme s raketou blízko Jupitera a chceme zvýšiť jeho rýchlosť. Ale nemáme ŽIADNE palivo. Povedzme, že máme nejaké palivo na opravu nášho kurzu. Na citeľné zrýchlenie rakety to však zjavne nestačí. Môžeme pomocou gravitačnej asistencie citeľne zvýšiť rýchlosť rakety?
V najvšeobecnejšej podobe táto úloha vyzerá takto. Nejakou rýchlosťou letíme do gravitačného poľa Jupitera. Potom vyletíme z poľa. Zmení sa naša rýchlosť? A ako veľmi sa to môže zmeniť?
Vyriešime tento problém.

Z pohľadu pozorovateľa, ktorý je na Jupiteri (alebo skôr nehybne vzhľadom na jeho ťažisko), náš manéver vyzerá takto. Najprv je raketa vo veľkej vzdialenosti od Jupitera a pohybuje sa k nemu rýchlosťou V. Potom, keď sa blíži k Jupiteru, zrýchľuje. V tomto prípade je trajektória rakety zakrivená a, ako je známe, v najbežnejšej forme je hyperbola. Maximálna rýchlosť rakety bude pri najbližšom priblížení. Hlavnou vecou tu nie je naraziť do Jupitera, ale letieť vedľa neho. Po najbližšom priblížení sa raketa začne vzďaľovať od Jupitera a jej rýchlosť sa zníži. Nakoniec raketa vyletí z gravitačného poľa Jupitera. Aku rychlost to bude mat Presne to isté, čo bolo po príchode. Raketa vletela do gravitačného poľa Jupitera rýchlosťou V a vyletela z neho presne rovnakou rýchlosťou V. Nič sa nezmenilo? Nie, zmenilo sa to. SMER rýchlosti sa zmenil. To je dôležité. Vďaka tomu môžeme vytvoriť gravitačný asistent.

Skutočne pre nás predsa nie je dôležitá rýchlosť rakety vzhľadom na Jupiter, ale jej rýchlosť vzhľadom na Slnko. Ide o takzvanú heliocentrickú rýchlosť. Touto rýchlosťou sa raketa pohybuje slnečnou sústavou. Slnečnou sústavou sa pohybuje aj Jupiter. Vektor heliocentrickej rýchlosti rakety je možné rozložiť na súčet dvoch vektorov: obežnej rýchlosti Jupitera (približne 13 km / s) a rýchlosti rakety RELATÍVNE na Jupiter. Nie je tu nič ťažké! Toto je obvyklé pravidlo trojuholníka pre pridávanie vektorov, ktoré sa vyučuje v 7. ročníku. A tomuto pravidlu stačí DOSTATOK na pochopenie podstaty gravitačnej pomoci.

Máme štyri rýchlosti. U (1) je rýchlosť našej rakety vzhľadom na Slnko PRED gravitačným asistentom. V (1) je rýchlosť rakety vzhľadom na Jupiter PRED gravitačným asistentom. V (2) je rýchlosť rakety vzhľadom na Jupiter PO gravitačnom asistenti. V (1) a V (2) majú rovnakú veľkosť, ale v smere sú INÉ. U (2) je rýchlosť rakety vzhľadom na Slnko PO gravitačnom asistenti. Ak chcete zistiť, ako všetky tieto štyri rýchlosti spolu súvisia, pozrite sa na obrázok.

Zelená šípka AO je rýchlosť, ktorou sa Jupiter pohybuje po svojej obežnej dráhe. Červená šípka AB je U (1): rýchlosť našej rakety voči Slnku PRED gravitačným asistentom. Žltá šípka OV je rýchlosť našej rakety vzhľadom na Jupiter PRED gravitačným manévrom. Žltá šípka OS je rýchlosť rakety vzhľadom na Jupiter PO gravitačnom asistenti. Táto rýchlosť MUSÍ ležať niekde na žltom kruhu polomeru OB. Pretože vo svojom súradnicovom systéme Jupiter NEMÔŽE zmeniť hodnotu rýchlosti rakety, ale dokáže ju otočiť iba o určitý uhol (alfa). A nakoniec, AC je to, čo potrebujeme: rýchlosť rakety U (2) PO gravitačnom asistenti.

Pozrite sa, aké je to jednoduché. Rýchlosť rakety PO gravitačnom asistenti sa rovná rýchlosti rakety PRED gravitačným asistentom AB plus vektorom lietadla. A vektor BC je ZMENOU rýchlosti rakety v referenčnom rámci Jupitera. Pretože OS - OB = OS + VO = VO + OS = VS. Čím viac sa vektor rýchlosti rakety otočí voči Jupiteru, tým účinnejší bude gravitačný manéver.

Raketa BEZ paliva letí do gravitačného poľa Jupitera (alebo inej planéty). Veľkosť jeho rýchlosti PRED a PO manévri vzhľadom na Jupiter sa NEMENÍ. Ale v dôsledku otáčania vektora rýchlosti vzhľadom na Jupiter sa rýchlosť rakety vzhľadom na Jupiter stále mení. A vektor tejto zmeny sa jednoducho pridá k vektoru rýchlosti rakety PRED manévrom. Dúfam, že som všetko zrozumiteľne vysvetlil.

Aby sme lepšie pochopili podstatu gravitačnej pomoci, analyzujme ju na príklade sondy Voyager 2, ktorá letela blízko Jupitera 9. júla 1979. Ako je zrejmé z grafu (pozri fotografiu), k Jupiteru vyletel rýchlosťou 10 km / s, z jeho gravitačného poľa vyletel rýchlosťou 20 km / s. Iba dve čísla: 10 a 20.
Budete prekvapení, koľko informácií môžete z týchto čísel získať:
1. Vypočítame, akú rýchlosť mal Voyager 2, keď vyletel z gravitačného poľa Zeme.
2. Nájdeme uhol, pod ktorým sa vesmírna loď priblížila k obežnej dráhe Jupitera.
3. Vypočítajme minimálnu vzdialenosť, ktorú Voyager 2 preletel k Jupiteru.
4. Poďme zistiť, ako vyzerala jeho trajektória v porovnaní s pozorovateľom na Jupiteri.
5. Nájdeme uhol, o ktorý sa sonda odchýlila po stretnutí s Jupiterom.

Nebudeme používať zložité vzorce, ale výpočty vykonáme ako obvykle „na prstoch“, niekedy pomocou jednoduchých kresieb. Odpovede, ktoré dostaneme, však budú presné. Povedzme, že nemusia byť presné, pretože čísla 10 a 20 s najväčšou pravdepodobnosťou nie sú presné. Vyberú sa z grafu a zaokrúhlia sa. Okrem toho budú zaokrúhlené aj ďalšie čísla, ktoré budeme používať. Koniec koncov, je pre nás dôležité porozumieť gravitačnému asistentu. Preto budeme čísla 10 a 20 brať ako presné, aby bolo z čoho začať.

Vyriešme 1. problém.
Dohodnime sa s predpokladom, že energia sondy Voyager 2, pohybujúcej sa rýchlosťou 1 km / s, je 1 jednotka. Minimálna rýchlosť odchodu zo slnečnej sústavy z obežnej dráhy Jupitera je 18 km / s. Graf tejto rýchlosti je na fotografii a je umiestnený takto. Obežnú rýchlosť Jupitera (asi 13 km / s) je potrebné vynásobiť koreňom dvoch. Ak Voyager 2, keď sa blížil k Jupiteru, mal rýchlosť 18 km / s (energia 324 jednotiek), potom jeho celková energia(súčet kinetických a potenciálnych) v gravitačnom poli Slnka by sa PRESNE rovnal nule. Rýchlosť Voyageru 2 však bola iba 10 km / s a ​​energia bola 100 jednotiek. To znamená, že menej o sumu:
324-100 = 224 jednotiek.
Tento nedostatok energie si CHRÁNA, keď sa Voyager 2 presúva zo Zeme na Jupiter.
Minimálna rýchlosť odchodu zo slnečnej sústavy z obežnej dráhy Zeme je približne 42 km / s (o niečo viac). Aby ste to našli, vynásobte obežnú rýchlosť Zeme (asi 30 km / s) koreňom dvoch. Ak by sa Voyager 2 pohyboval od Zeme rýchlosťou 42 km / s, jeho kinetická energia by bola 1764 jednotiek (42 na druhú) a celková hodnota by bola NULA. Ako sme už zistili, energia sondy Voyager 2 bola menšia o 224 jednotiek, to znamená 1764 - 224 = 1540 jednotiek. Vyjmeme koreň tohto čísla a zistíme rýchlosť, ktorou Voyager 2 vyletel z gravitačného poľa Zeme: 39,3 km / s.

Keď je vesmírna loď vypustená zo Zeme do vonkajšej časti slnečnej sústavy, spravidla je vypustená pozdĺž orbitálnej rýchlosti Zeme. V tomto prípade je rýchlosť pohybu Zeme PRIDANÁ k rýchlosti vozidla, čo vedie k obrovskému zisku energie.

A ako je vyriešená otázka SMERU rýchlosti? Veľmi jednoduché. Čakajú, kým Zem dosiahne potrebnú časť svojej obežnej dráhy, aby smer jej rýchlosti bol správny. Napríklad pri vypúšťaní rakety na Mars je v čase malé „okno“, v ktorom je veľmi výhodné štartovať. Ak sa spustenie z nejakého dôvodu nepodarilo uskutočniť, potom si môžete byť istí, že ďalší pokus bude najskôr o dva roky.

Keď sa koncom 70. rokov minulého storočia zoradili obrovské planéty v určitom poradí, mnoho vedcov - špecialistov na nebeskú mechaniku navrhlo využiť výhodu náhodného usporiadania týchto planét. Bol navrhnutý projekt, ako uskutočniť Grand Tour s minimálnymi nákladmi - výlet na VŠETKY obrovské planéty naraz. Čo sa úspešne podarilo.
Ak by sme mali neobmedzené zdroje a zásoby paliva, potom by sme mohli lietať kdekoľvek a kedykoľvek by sme chceli. Pretože je však potrebné šetriť energiou, vedci vykonávajú iba energeticky účinné lety. Môžete si byť istí, že Voyager 2 bol vypustený v smere pohybu Zeme.
Ako sme už skôr vypočítali, jeho rýchlosť vzhľadom na Slnko bola 39,3 km / s. Keď Voyager 2 dosiahol Jupiter, jeho rýchlosť klesla na 10 km / s. Kam to smerovalo?
Projekciu tejto rýchlosti na obežnú rýchlosť Jupitera možno nájsť zo zákona o zachovaní momentu hybnosti. Polomer obežnej dráhy Jupitera je 5,2 -násobok obežnej dráhy Zeme. To znamená, že musíte rozdeliť 39,3 km / s na 5,2. Dostávame sa 7,5 km / s. To znamená, že kosínus uhla, ktorý potrebujeme, je 7,5 km / s (priemet Voyagerovej rýchlosti) delený 10 km / s (Voyagerova rýchlosť), dostaneme 0,75. A samotný uhol je 41 stupňov. V tomto uhle letel Voyager 2 na obežnú dráhu Jupitera.

Keď poznáme rýchlosť sondy Voyager 2 a smer jej pohybu, môžeme nakresliť geometrický diagram asistenta gravitácie. Takto sa to robí. Vyberte bod A a nakreslite z neho vektor obežnej rýchlosti Jupitera (13 km / s vo vybranej mierke). Koniec tohto vektora (zelená šípka) je označený písmenom O (pozri fotografiu 1). Potom z bodu A nakreslíme vektor rýchlosti Voyager 2 (10 km / s vo vybranej mierke) pod uhlom 41 stupňov. Koniec tohto vektora (červená šípka) je označený písmenom B.
Teraz vytvoríme kruh (žltý) so stredom v bode O a polomeru | ОВ | (pozri fotografiu 2). Koniec vektora rýchlosti pred aj po gravitačnom manévri môže ležať iba na tomto kruhu. Teraz nakreslite kruh s polomerom 20 km / s (podľa zvolenej stupnice) so stredom v bode A. Toto je rýchlosť Voyagera po gravitačnom asistenti. V určitom bode C sa pretína so žltým kruhom.

Demonštrovali sme gravitačný asistent Voyager 2 9. júla 1979. AO je vektor obežnej rýchlosti Jupitera. AB je vektor rýchlosti, pri ktorom sa Voyager 2 priblížil k Jupiteru. Uhol BAW je 41 stupňov. AC je vektor rýchlosti Voyageru 2 PO gravitačnom asistenti. Z výkresu je zrejmé, že uhol OAC je približne 20 stupňov (polovica uhla OAB). Ak je to žiaduce, tento uhol je možné vypočítať presne, pretože sú uvedené všetky trojuholníky na výkrese.
OB je vektor rýchlosti, pri ktorom sa Voyager 2 priblížil k Jupiteru, Z BODU VÝHĽADU pozorovateľa na Jupiteri. OS je vektor rýchlosti Voyageru po manévri vzhľadom na pozorovateľa na Jupiteri.

Ak by sa Jupiter neotáčal a vy by ste boli na slnečnicovej strane (Slnko je za zenitom), potom by ste videli, že Voyager 2 sa pohybuje zo západu na východ. Najprv sa objavil v západnej časti oblohy, potom sa priblížil k Zenitu a letel blízko Slnka a potom zmizol za horizontom na východe. Jeho vektor rýchlosti sa otočil, ako je zrejmé z výkresu, asi o 90 stupňov (uhol alfa).