Vluchten met ruimtevaartuigen brengen een enorm energieverbruik met zich mee. Het Sojoez-lanceervoertuig bijvoorbeeld, dat op het lanceerplatform staat en klaar is om te lanceren, weegt 307 ton, waarvan meer dan 270 ton brandstof, dat wil zeggen het leeuwendeel. De noodzaak om waanzinnig veel energie te besteden aan beweging in de ruimte hangt grotendeels samen met de moeilijkheden om de verre uithoeken van het zonnestelsel te beheersen.
Een technische doorbraak in deze richting wordt helaas nog niet verwacht. De massa drijfgas blijft een van de belangrijkste factoren bij het plannen van ruimtemissies, en ingenieurs grijpen elke gelegenheid aan om brandstof te besparen om de werking van het apparaat te verlengen. Zwaartekrachtmanoeuvres zijn een manier om geld te besparen.
Hoe te vliegen in de ruimte en wat is zwaartekracht
Het principe van het verplaatsen van het apparaat in een vacuüm (een omgeving van waaruit het onmogelijk is om weg te duwen met een propeller, wielen of iets anders) is hetzelfde voor alle soorten raketmotoren die op aarde zijn gemaakt. Dit is jetstuwkracht. Zwaartekracht verzet zich tegen de kracht van een straalmotor. Deze strijd tegen de wetten van de fysica is gewonnenSovjet-wetenschappers in 1957. Voor het eerst in de geschiedenis werd een door mensenhanden gemaakt apparaat, dat de eerste kosmische snelheid had bereikt (ongeveer 8 km / s), een kunstmatige satelliet van de planeet Aarde.
Er was ongeveer 170 ton ijzer, elektronica, gezuiverde kerosine en vloeibare zuurstof nodig om een apparaat van iets meer dan 80 kg in een lage baan om de aarde te lanceren.
Van alle wetten en principes van het universum is zwaartekracht misschien wel een van de belangrijkste. Het regelt alles, te beginnen met de rangschikking van elementaire deeltjes, atomen, moleculen en eindigend met de beweging van sterrenstelsels. Het is ook een obstakel voor verkenning van de ruimte.
Niet alleen brandstof
Zelfs vóór de lancering van de eerste kunstmatige aardsatelliet begrepen wetenschappers duidelijk dat niet alleen het vergroten van de raketten en het vermogen van hun motoren de sleutel tot succes zou kunnen zijn. De onderzoekers werden ertoe aangezet om naar dergelijke trucs te zoeken door de resultaten van berekeningen en praktijktests, waaruit bleek hoe brandstofverbruikende vluchten buiten de atmosfeer van de aarde zijn. De eerste dergelijke beslissing voor Sovjetontwerpers was de keuze van de locatie voor de bouw van de kosmodrome.
Laten we het uitleggen. Om een kunstmatige satelliet van de aarde te worden, moet de raket versnellen tot 8 km/s. Maar onze planeet zelf is constant in beweging. Elk punt op de evenaar roteert met een snelheid van meer dan 460 meter per seconde. Dus een raket die in de luchtloze ruimte in het gebied van de nulparallel wordt gelanceerd, zal op zichzelf zijnheb bijna een halve kilometer per seconde vrij.
Daarom werd in de uitgestrekte USSR een plaats naar het zuiden gekozen (de snelheid van dagelijkse rotatie in Baikonoer is ongeveer 280 m/s). Een nog ambitieuzer project gericht op het verminderen van het effect van de zwaartekracht op het draagraket verscheen in 1964. Het was de eerste mariene cosmodrome "San Marco", door de Italianen samengesteld vanaf twee boorplatforms en gelegen op de evenaar. Later vormde dit principe de basis van het internationale Sea Launch-project, dat tot op de dag van vandaag met succes commerciële satellieten lanceert.
Wie was de eerste
Hoe zit het met diepe ruimtemissies? Wetenschappers uit de USSR waren pioniers in het gebruik van de zwaartekracht van kosmische lichamen om de vliegroute te veranderen. De achterkant van onze natuurlijke satelliet werd, zoals u weet, voor het eerst gefotografeerd door het Sovjet Luna-1-apparaat. Het was belangrijk dat het apparaat, nadat het rond de maan was gevlogen, tijd had om terug te keren naar de aarde, zodat het door het noordelijk halfrond ernaartoe zou worden gekeerd. De informatie (de ontvangen fotografische beelden) moest immers aan mensen worden doorgegeven en de volgstations, radioantenneschotels bevonden zich precies op het noordelijk halfrond.
Het is Amerikaanse wetenschappers niet minder gelukt om zwaartekrachtmanoeuvres te gebruiken om de baan van het ruimtevaartuig te veranderen. Het interplanetaire automatische ruimtevaartuig "Mariner 10" moest na een flyby bij Venus de snelheid verminderen om in een lagere omloopbaan te gaan enMercurius verkennen. In plaats van de jetstuwkracht van de motoren te gebruiken voor deze manoeuvre, werd de snelheid van het voertuig afgeremd door het zwaartekrachtsveld van Venus.
Hoe het werkt
Volgens de wet van universele zwaartekracht, ontdekt en experimenteel bevestigd door Isaac Newton, trekken alle lichamen met massa elkaar aan. De kracht van deze attractie is eenvoudig te meten en te berekenen. Het hangt zowel af van de massa van beide lichamen als van de afstand ertussen. Hoe dichterbij, hoe sterker. Bovendien, als lichamen elkaar naderen, groeit de aantrekkingskracht exponentieel.
De afbeelding laat zien hoe ruimtevaartuigen, die in de buurt van een groot kosmisch lichaam (een planeet) vliegen, hun baan veranderen. Bovendien verandert het bewegingsverloop van het apparaat onder nummer 1, dat het verst van het massieve object vliegt, zeer licht. Wat kan er niet gezegd worden over het apparaat nummer 6. De planetoïde verandert zijn vliegrichting dramatisch.
Wat is een zwaartekrachtslinger. Hoe het werkt
Het gebruik van zwaartekrachtmanoeuvres maakt het niet alleen mogelijk om de richting van het ruimtevaartuig te veranderen, maar ook om zijn snelheid aan te passen.
De afbeelding toont de baan van een ruimtevaartuig, dat gewoonlijk wordt gebruikt om het te versnellen. Het werkingsprincipe van een dergelijke manoeuvre is eenvoudig: in het rood gemarkeerde gedeelte van het traject lijkt het apparaat de planeet in te halen die ervan wegrent. Een veel massiever lichaam trekt met zijn zwaartekracht een kleiner lichaam aan en verspreidt het.
Trouwens, niet alleen ruimteschepen worden op deze manier versneld. Het is bekend dat hemellichamen die niet aan de sterren zijn gebonden met macht door de melkweg zwerven. Dit kunnen zowel relatief kleine asteroïden zijn (waarvan er nu trouwens één het zonnestelsel bezoekt), als planetoïden van behoorlijke omvang. Astronomen geloven dat het de zwaartekrachtsslinger is, d.w.z. de impact van een groter kosmisch lichaam, die minder massieve objecten uit hun systemen gooit, waardoor ze gedoemd zijn tot eeuwige omzwervingen in de ijzige kou van de lege ruimte.
Hoe te vertragen
Maar door de zwaartekrachtmanoeuvres van ruimtevaartuigen te gebruiken, kun je hun beweging niet alleen versnellen, maar ook vertragen. Het schema van dergelijk remmen wordt getoond in de figuur.
Op het rood gemarkeerde gedeelte van het traject zal de aantrekkingskracht van de planeet, in tegenstelling tot de variant met een zwaartekrachtslinger, de beweging van het apparaat vertragen. De vector van de zwaartekracht en de vliegrichting van het schip zijn immers tegengesteld.
Wanneer wordt het gebruikt? Voornamelijk voor het lanceren van automatische interplanetaire stations in de banen van de bestudeerde planeten, maar ook voor het bestuderen van nabije zonnegebieden. Het feit is dat wanneer je naar de zon gaat of bijvoorbeeld naar de planeet Mercurius die het dichtst bij de ster staat, elk apparaat, als je geen maatregelen neemt om te remmen, willekeurig versnelt. Onze ster heeft een ongelooflijke massa en een enorme aantrekkingskracht. Een ruimtevaartuig dat een te hoge snelheid heeft gekregen, zal niet in de baan van Mercurius, de kleinste planeet van de zonnefamilie, kunnen komen. Het schip zal er gewoon doorheen glippendoor, kleine Mercurius kan het niet hard genoeg trekken. Voor het remmen kunnen motoren worden gebruikt. Maar een zwaartekrachttraject naar de zon, bijvoorbeeld naar de maan en dan naar Venus, zou het gebruik van raketvoortstuwing tot een minimum beperken. Dit betekent dat er minder brandstof nodig is en het vrijgekomen gewicht kan worden gebruikt om extra onderzoeksapparatuur te huisvesten.
Krijg in het oog van een naald
Terwijl vroege zwaartekrachtmanoeuvres schuchter en aarzelend werden uitgevoerd, worden de routes van de nieuwste interplanetaire ruimtemissies bijna altijd gepland met zwaartekrachtaanpassingen. Het punt is dat astrofysici, dankzij de ontwikkeling van computertechnologie en de beschikbaarheid van de meest nauwkeurige gegevens over de lichamen van het zonnestelsel, voornamelijk hun massa en dichtheid, nauwkeurigere berekeningen beschikbaar hebben. En het is noodzakelijk om de zwaartekrachtmanoeuvre uiterst nauwkeurig te berekenen.
Dus het leggen van een traject verder van de planeet dan nodig is beladen met het feit dat dure apparatuur helemaal niet zal vliegen waar het was gepland. En onderschatting van de massa kan zelfs de aanvaring van het schip met het oppervlak bedreigen.
Kampioen in manoeuvres
Dit kan natuurlijk worden beschouwd als het tweede ruimtevaartuig van de Voyager-missie. Het apparaat, gelanceerd in 1977, verlaat momenteel zijn eigen sterrenstelsel en trekt zich terug in het onbekende.
Tijdens zijn werking bezocht het apparaat Saturnus, Jupiter, Uranus en Neptunus. Tijdens de vlucht werkte de aantrekkingskracht van de zon erop, van waaruit het schip geleidelijk wegliep. Maar dankzij goed berekende zwaartekrachtmanoeuvres, voor elk van de planeten, nam de snelheid niet af, maar groeide. Voor elke onderzochte planeet werd de route gebouwd volgens het principe van een zwaartekrachtslinger. Zonder de toepassing van zwaartekrachtcorrectie zou Voyager het niet zo ver hebben kunnen sturen.
Naast de Voyagers zijn zwaartekrachtmanoeuvres gebruikt om bekende missies als Rosetta of New Horizons te lanceren. Dus, Rosetta maakte, voordat ze op zoek ging naar de komeet Churyumov-Gerasimenko, maar liefst 4 versnellende zwaartekrachtmanoeuvres in de buurt van de aarde en Mars.
