• У дома
  • статии
  • Gravity Assist: The Simple Physics Trick, който позволява на човечеството да изследва дълбокото пространство
публикувано на 28-09-2019

Gravity Assist: The Simple Physics Trick, който позволява на човечеството да изследва дълбокото пространство

Как космическият апарат НАСА Вояджър избяга от Слънчевата система

Представяне на художник от космическия апарат Voyager, приближаващ се до Сатурн, използвайки гравитационна помощ от Юпитер. Кредит: НАСА JPL
Тази статия първоначално е публикувана за The Wire. Това е огледало на същото.

Пътуването на огромните разстояния в космоса не е евтино. Това струва на космическия кораб време, гориво и пари. За щастие, природата предлага безплатна помощ по пътя и дизайнерите на мисии винаги го поемат.

Те се наричат ​​асистенции на гравитацията.

При тези маневри космически кораб обменя своя импулс при близка среща с планета, за да набере скорост. Гравитационните асистенти са били използвани в многобройни междупланетни мисии за придвижване на космически кораби към техните дестинации.

Гравитационните асистенции също са полезни, тъй като не е практично просто да добавяте повече гориво за захранване на космически кораб. Добавянето на повече гориво го прави да тежи повече. Това означава, че в ракетата трябва да се добави повече гориво, за да се изстрелят сега по-тежките космически кораби. Тъй като включването на допълнително гориво също увеличава масата на ракетата, за пренасянето на това гориво е необходимо повече гориво и т.н.

Като правило, изискването за гориво се увеличава експоненциално с повече маса, добавена към космическия кораб. По-тежките космически кораби може да изискват изграждане на по-сложна ракета, която да отговори на нуждите. Такива увеличения на разходите и технологичната сложност могат да бъдат спестени с помощта на гравитачни асисти.

Те също ни позволяват да правим неща, които са извън нашите сегашни способности. През 70-те години на миналия век са изстреляни едни от най-амбициозните космически кораби в историята: Voyager 1 и 2, и двете от НАСА. Те ще продължат да избягат от гравитацията на Слънцето и да излязат от Слънчевата система. Voyager 1 влезе в междузвездното пространство през 2013 г., а Voyager 2 се очаква да направи същото скоро. И не би било възможно без асистенции на гравитацията.

След изстрелването, близнаците Вояджърс нямаха достатъчно скорост, за да избягат направо от гравитацията на Слънцето. За нас беше и остава невъзможно да изградим достатъчно мощна ракета, за да постигнем това. Ракетите „Титан III“, които изстреляха „Вояджърс“ (10 дни един от друг), им оставиха достатъчно енергия, само за да стигнат до Юпитер.

За да преодолеят този проблем, Вояджърите бяха накарани да се завъртат около газовия гигант, за да получат увеличаване на скоростта, необходимо за избягване на Слънцето. С наближаването на всеки космически кораб към Юпитер гравитацията на планетата го ускори. Такава близка гравитационна среща с планета се нарича летене.

Траектории Voyager 1 и 2, показващи гравитационни подпомагащи маневри при Юпитер и Сатурн, за да избягат от Слънчевата система. Кредит: НАСА

Допълнителната скорост идва от самата планета. Струва си да се помни, че космическият кораб също има известна маса, дори и незначителен в сравнение с Юпитер. Гравитацията работи и в двете посоки: космическият апарат се дърпа върху Юпитер - дори когато Юпитер дърпа космическия кораб - забавя го все така леко в орбитата си около Слънцето.

Тъй като общия импулс, продукт на маса и скорост, винаги се запазва във взаимодействие, импулсът, загубен от Юпитер, се получава от космическия кораб. Загубата на скоростта за Юпитер в тази схема е толкова пренебрежима, че е маловажна. Но скоростта, получена от космическия кораб само в едно такова взаимодействие, е доста значителна, както в случая с Вояджърс.

Voyager 2 имаше скорост от ~ 10 км / с, когато се приближи до Юпитер. След асистенцията на гравитацията скоростта се увеличи до ~ 25 км / с.

Скоростта на космическия кораб Voyager 2 като разстояние от функция от Слънцето в сравнение със скоростта на бягство на Слънчевата система. Кредит: НАСА

След мисиите на Voyager, гравитационните асистенции се използват за навлизане навсякъде в Слънчевата система. Сондата НАСА Касини към системата Сатурн тежеше над 5000 кг при изстрелване - от по-тежката страна за междупланетни мисии. Двамата Voyager тежаха по-малко от 900 кг всеки. Ракетата, която изстреля Cassini, Titan IV, не беше значително по-мощна от Titan III. Тъй като сондата беше тежка, нито една гравитационна помощ от Юпитер няма да я прекъсне. И така Касини полетя първо към Слънцето, преди да отлети: за да достигне Сатурн, бяха необходими две асистенции от Венера, една от Земята и една от Юпитер.

Космическият кораб ESA Rosetta изучи кометата 67P след тежко пътуване. За да се срещне с кометата, Розета трябваше да съответства на високата скорост на кометата, включваща три мухоловки около Земята и един около Марс.

10-годишното пътуване на Розета през Слънчевата система включва множество мухоловки, включително три около Земята. Кредит: ESA

Гравитационните асистенции могат да се използват и за забавяне на космически кораб. Това работи, когато космическият апарат се приближава до планетата в посока, обратна на орбитата на планетата около Слънцето. При този сценарий космическият кораб би загубил скорост на планетата.

Но защо първо да се забавя?

Мисиите към вътрешната Слънчева система са изправени пред различни предизвикателства от тези към външната Слънчева система. Помислете за най-новата мисия до Меркурий - ESA BepiColombo - която стартира на 20 октомври 2018 г.

Меркурий лежи дълбоко в гравитационния кладенец на Слънцето. Това означава, че космически кораб, който върви към Меркурий, ще бъде постоянно ускорен поради гравитацията на Слънцето. По такава траектория BepiColombo би достигнал Меркурий със скорост, твърде висока, за да може да бъде заловена в орбита.

Един изход е ретроградната тяга: да се задействат двигателите чрез дросели, насочени в посока на полета като форма на спиране. Това обаче ще изразходва много гориво и както видяхме, това не е практично. На Меркурий също липсва значителна атмосфера като Венера, Земя или дори Марс, така че аеробакирането също не е опция.

Дизайнерите на мисията BepiColombo се обърнаха към проблема с решение за подпомагане на гравитацията. Сондата ще използва една гравитационна помощ от Земята, две от Венера и шест от самия Меркурий, за да се забави. С всеки полет сондата ще хвърли част от своята обилна орбитална скорост. След множество мухата ще е достатъчно бавно Меркурий да го улови. В момента BepiColombo планира да орбитира Меркурий през декември 2025 г., ако всичко върви по план.

Анимация, показваща траекторията на BepiColombo от изстрелването до влизането в орбитата на Меркурий. Обърнете внимание на множеството полети, използвани около Меркурий. Кредит: Phoenix777 в Wikipedia

Соларната сонда на НАСА Паркър беше пусната тази година за изследване на Слънцето, като се намира в неговата атмосфера. Както при BepiColombo, Паркър ще бъде постоянно ускорен, когато се приближава до Слънцето, което затруднява приближаването му до него. В продължение на шест години Паркър ще използва седем гравитачни асистенции от Венера, за да постигне окончателната си орбита през 2024 г. Тази орбита ще я отведе до целевата си дестинация: 6 милиона километра от повърхността на Слънцето, ~ 10 пъти по-близо от Меркурий.

Траекторията на соларната сонда Parker използва седем асистенции на гравитацията от Венера, за да постигне най-близкото си преминаване към Слънцето. Кредит: НАСА

Физиката на гравитацията помага също да се използва за промяна на наклона на орбитата.

През 1990 г. стартира мисията НАСА-ЕКА Ulysses, която първо проучва полюсите на Слънцето. За целта Улис трябваше да напусне орбиталната равнина на Слънчевата система - равнината, в която осемте планети обикалят около Слънцето, и да постигне много наклонена орбита.

През 1992 г. Улис взе гравитационна помощ от Юпитер, близо до северния му полюс. Силната гравитация на планетата огъна траекторията на космическия кораб на юг, като постави последния в орбита, която го изведе покрай северния и южния полюс на Слънцето при наклон от 80 °.

Гравитационната помощ е универсален инструмент в инструментариума на дизайнера на мисията. Бъдещите космически мисии биха могли да използват гравитационните асистенции, за да постигнат още повече - като например орбитър да използва лунния харон на Плутон, за да изследва цялата плутонова система.

Вижте също

Главният герой влиза в кухнята ми и ме задава правоОдитни социални показатели за NFTЗа по-добро потребителско изживяване, просто добавете стенописиМаратонки + Street Art: Перфектният бракСтойността на дизайна за бизнеса (докладът на McKinsey и други)Художници: Не преследвайте съвършенството, гонете вътрешната истина