Gravitacioni manevar

Iz Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu

Gravitacijski manevar , rjeđe manevar perturbacije, je svrsishodna promjena putanje leta svemirske letjelice pod utjecajem gravitacijskih polja nebeskih tijela .

Prvi put ga je uspješno izvela 1959. godine sovjetska automatska međuplanetarna stanica (AMS) Luna-3 . Često se koristi za ubrzanje automatskih međuplanetarnih stanica koje se šalju na udaljene objekte u Sunčevom sistemu i šire, kako bi se uštedjelo gorivo i smanjilo vrijeme leta. U takvoj aplikaciji poznat je i kao "gravitaciona praćka" (od engleskog. Gravitational slingshot). Može se koristiti i za usporavanje svemirske letjelice [⇨] , a u nekim slučajevima najvažnije je promijeniti smjer njegovog kretanja [⇨] . Najefikasniji gravitacijski manevri su u blizini džinovskih planeta , ali se često koriste manevri u blizini Venere , Zemlje , Marsa, pa čak i Mjeseca .

Princip pravljenja manevra

Gravitacijski manevar podrazumijeva približavanje svemirske letjelice u orbiti s dovoljno masivnim nebeskim tijelom (planetom ili satelitom planete) koje se okreće oko istog centra mase (zvijezde, odnosno planete). Na primjer, u blizini Zemlje moguće je izvesti gravitacijski manevar približavanjem Mjesecu, a tokom letova unutar Sunčevog sistema mogući su gravitacijski manevri oko planeta koje kruže oko Sunca[1] .

Šema pomoći gravitaciji: 1) trokut brzine na ulazu, 2) trokut brzine na izlazu, 3) ∆V - promjena heliocentrične brzine kao rezultat pomoći gravitacije.

U pojednostavljenoj notaciji [Comm. 1] gravitacioni manevar u blizini jedne od planeta Sunčevog sistema izgleda ovako: letelica ulazi u sferu delovanja planete [Comm. 2] , koji ima brzinu v u u odnosu na planetu. Ova brzina je određena razlikom [Comm. 3] brzine aparata V in i planete V pl u odnosu na Sunce (vidi trougao 1 na ilustraciji). U planetocentričnom koordinatnom sistemu, letelica leti oko planete hiperboličnom putanjom i napušta njenu sferu delovanja brzinom v out . U ovom slučaju, brzine v in i v out jednake su po veličini , ali imaju drugačiji smjer, koji se razlikuje za ugao φ . Nakon što vozilo napusti sferu djelovanja planete, njegova heliocentrična brzina V out je zbir brzina V pl i v out (vidi trougao 2). Označena kao Δ V, razlika između brzina V out i V in (vidi sliku 3) naziva se prirast brzine [Comm. 4] i rezultat je pomoći gravitacije.

Povećanje brzine ne zavisi od brzine orbitalnog kretanja planete, već od relativne brzine približavanja v in , mase planete i dometa cilja [Comm. 5] b - što je putanja letjelice bliže planeti, to je veći ugao otklona φ i veći je prirast brzine. Minimalna udaljenost je ograničena potrebom da se izbjegne kontakt letjelice sa planetom (uključujući njegovu atmosferu, ako postoji).

Iz zakona nebeske mehanike slijedi da se postigne najveći mogući povećanje brzine kada vu jednaka kružna orbitalna brzina u trenutku najbliži pristup na planetu. Ugao otklona φ se tako dobija jednak 60°. Maksimalni mogući modul vektora povećanja brzine pri izvođenju gravitacijskih pomoćnih manevara u blizini nekih tijela Sunčevog sistema prikazan je u tabeli (vrijednosti u km/s):

Merkur Venera zemlja mjesec mars Jupiter Saturn Uran Neptun Pluton
3.005 7.328 7,910 1,680 3.555 42.73 25.62 15.18 16.73 1.09

U praksi, dostižni prirast brzine zavisi od svrhe manevra koji se izvodi [6] .

Uloga gravitacije pomaže manevrima u istraživanju svemira

Prije praktičnog razvoja gravitacijskih asistencijalnih manevara, proučavanje većeg dijela Sunčevog sistema ostalo je problematično. Brzina odlaska sa Zemlje, dostižna uz pomoć hemijskih raketa , omogućila je letenje sa veštačkim satelitom odredišne ​​planete u orbiti samo do planeta najbližih Zemlji: Venere i Marsa. Za Merkur, Jupiter i Saturn to je teoretski bilo moguće samo za kratku posetu okolini planete. Istraživanje udaljenijih regiona Sunčevog sistema i izlazak iz njega uz pomoć hemijskih raketa smatralo se nemogućim ili nepraktičnim zbog predugih vremena leta duž energetski efikasnih eliptičnih ( Homanova ) putanja. Dakle, proučavanje regiona Sunčevog sistema udaljenih od Zemlje krajem 50-ih - početkom 60-ih godina XX veka naučnicima se činilo problemom u dalekoj budućnosti, koji je prvo zahtevao razvoj efikasnijih mlaznih motora (npr. nuklearni ili električni ) [7] .

Gravitacijski manevar u blizini masivnog nebeskog tijela u orbiti - planete ili velikog prirodnog satelita planete - omogućava vam da promijenite kinetičku energiju svemirske letjelice bez trošenja goriva. Zapravo, govorimo o preraspodjeli kinetičke energije nebeskog tijela i svemirske letjelice. Koliko se kinetička energija aparata mijenja, tako se u suprotnom smjeru mijenja i kinetička energija kretanja nebeskog tijela duž njegove orbite. Budući da je masa umjetne svemirske letjelice potpuno mala u poređenju s masom bilo kojeg nebeskog tijela pogodnog za gravitacijski manevar (uključujući satelite planeta), promjena orbite ovog tijela je zanemarljiva [Comm. 6] . Dakle, pomoć gravitacije je „besplatan“ i efikasan način da se ubrza, uspori ili promijeni smjer kretanja svemirskih letjelica kako bi se istražio cijeli Sunčev sistem i prevazišao ga sa postojećim raketnim tehnologijama.

istorija

Već prije nekoliko stotina godina, astronomi su bili svjesni promjena u putanjama i kinetičkoj energiji kometa kada su se približavali masivnim tijelima, na primjer, sa Jupiterom [9] . Ideju o namjernom korištenju privlačnosti velikih nebeskih tijela za promjenu smjera i brzine leta svemirskih letjelica iznijeli su u XX vijeku razni autori, često neovisno jedan o drugom.

Godine 1938., jedan od osnivača kosmonautike, Yu. V. Kondratyuk, predao je istoričaru avijacije BN Vorobjovu rukopis „Za one koji će čitati da bi gradili“ [10] . Izražava ideju korištenja gravitacije planetarnih satelita tokom međuplanetarnog prijenosa za dodatno ubrzanje letjelice na početku i njeno usporavanje na kraju putanje [11] . Sam Kondratjuk datira rukopis u 1918-19, ali prema TM Melkumovu [Comm. 7] ovo datiranje je sumnjivo [13] .

FA Zander je detaljno opisao principe promjene smjera i brzine svemirske letjelice prilikom letenja oko planeta i njihovih satelita u članku "Letovi na druge planete (teorija međuplanetarnog putovanja)", datiranom 1924-25. i objavljenom 1961. [14] .

Od 1930-ih, pomoć gravitacije se koristi u naučnoj fantastici. Jedan primjer je kratka priča Lestera del Reja “Navika”, prvi put objavljena 1939. Junak priče pobjeđuje u svemirskoj utrci koristeći gravitaciju Jupitera da okrene svoj brod bez gubitka brzine.

Godine 1954., član Britanskog interplanetarnog društva, matematičar Derek Louden [en] je primijetio da brojni autori predlažu smanjenje potrošnje goriva tokom letova na druge planete koristeći privlačenje različitih tijela u Sunčevom sistemu, ali metode za izračunavanje takvih manevri nisu dobro shvaćeni [9] .

Godine 1956., na Sedmom međunarodnom astronautičkom kongresu, talijanski naučnik Gaetano Crocco predložio je plan za neprekidni let s posadom duž putanje Zemlja-Mars-Venera-Zemlja, izračunat tako da otklon letjelice gravitacijom Venere bi nadoknadilo skretanje izazvano privlačenjem Marsa kada je preleteo na kratku udaljenost. Plan leta predviđao je samo jedno ubrzanje letjelice sa mlaznim motorom, a vrijeme putovanja bilo je tačno godinu dana, što ga je povoljno razlikovalo od leta na Mars Gomanovim putanjama . Postalo je poznato kao " Croccoovo veliko putovanje [it] " [15] .

Godine 1957, diplomirani student Odsjeka za primijenjenu matematiku Matematičkog instituta Akademije nauka SSSR-a (PKO MIAN) VA Egorov objavio je članak „O nekim problemima dinamike leta Mjeseca“, koji je priznat širom svijeta [ 16] . Ovaj rad je uključivao proučavanje gravitacijskih pomoćnih manevara oko Mjeseca za ubrzavanje ili usporavanje svemirske letjelice. Ispostavilo se da su Egorovljevi zaključci bliski onima Zandera [17] .

U praksi je pomoć gravitacije prvi put izvela 1959. godine sovjetska svemirska stanica Luna-3 , koja je snimila dalju stranu Mjeseca . Promjena orbite letjelice pod utjecajem Mjesečeve gravitacije izračunata je tako da trajektorija njenog povratka na Zemlju leži iznad sjeverne hemisfere , u kojoj su bile koncentrisane sovjetske posmatračke stanice [18] [19] . Proračun manevra baziran je na studiji Matematičkog instituta OPM Steklova pod nadzorom MV Keldysha , u kojoj su korišteni rezultati rada Egorova [20] .

Godine 1961. Michael Minovich , diplomirani student na Univerzitetu Kalifornije u Los Angelesu , koji je bio pripravnik u NASA-inoj laboratoriji za mlazni pogon (JPL), počeo je proučavati pitanje korištenja gravitacijskih manevara u međuplanetarnim letovima. Za numeričko rješenje problema tri tijela koristio je računar IBM 7090 s rekordnom brzinom u to vrijeme [21] . Godine 1963. objavio je Određivanje i karakteristike balističkih međuplanetarnih putanja pod uticajem više planetarnih atrakcija, u kojem se ispituje upotreba gravitacionih pomoćnih manevara u međuplanetarnim letovima, uključujući nekoliko puta tokom jedne misije [22] .

Minovichevo istraživanje nije odmah dobilo priznanje od strane JPL kolega. Njegov program i rezultati proračuna nisu direktno korišteni, ali su 1964. godine poslužili kao povod da se istraži izvodljivost leta do Merkura pomoću gravitacionog manevra u blizini Venere [9] . Iste godine su privukli pažnju drugog pripravnika JPL-a, Garyja Flandryja [en] , koji je proučavao mogućnost korištenja gravitacijske pomoći za uštedu goriva i vremena u izvođenju letova robotskih sondi na vanjske planete Sunčevog sistema. Prije nego poznanstvo sa radom Minovich on oslanjao na radove Homan i Crocco, kao i objavljeni u 1962. knjizi Erika Krafft [hr] «Space Flight», koji je uključivao opis koncepta gravitacije pomoći.

Flendro je počeo samostalno izračunavati "realistične profile misije" koji bi omogućili korištenje gravitacijske asistencije u blizini Jupitera za dostizanje udaljenih planeta s poznatim vrijednostima nosivosti i zagarantovanim vremenom rada svemirske letjelice. Računajući "prozore za lansiranje", nezavisno od Minovicha, otkrio je da će početkom 1980-ih postojati mogućnost letenja oko Jupitera, Saturna, Urana i Neptuna sa jednom svemirskom letelicom, zbog retkog (jednom u 176 godina) približavanja ovih planete u orbitama. Da bi iskoristila ovu priliku, letjelica je morala da se lansira sa Zemlje kasnih 1970-ih. Flendro je predstavio rezultate svog istraživanja u internom JPL izdanju 1965. godine, a 1966. godine objavio je članak "Brze izviđačke misije u vanjski solarni sistem koristeći energiju dobivenu iz gravitacijskog polja Jupitera" [22] .

Godine 1965., dok je sarađivao sa Stenlijem Kjubrikom na filmu 2001: Odiseja u svemiru , engleski pisac naučne fantastike Artur Klark predložio je da se prikaže gravitacioni manevar svemirske letelice Discovery 1 u Jupiterovom gravitacionom polju kao sredstvo za dostizanje Saturna. Ova ideja nije realizovana u filmu zbog složenosti specijalnih efekata potrebnih za realističan prikaz Saturna, ali je uključena u Clarkov roman istog imena , objavljen 1968. [23] .

Godine 1969. NASA je razvila projekat za veliki svemirski program za istraživanje vanjskih planeta. Projekat je baziran na Flendrovom djelu, a naziv " Grand Tour " posuđen je od Crocca. Zbog visoke cijene, projekat je tek djelimično realizovan 1977. godine u obliku svemirskog programa Voyager .Ali čak i prije lansiranja Voyagera, u misiji Mariner 10 , koja je lansirana 1973. godine, uspješno je izveden manevar gravitacijskog kočenja u gravitacijskom polju Venere kako bi stigao do Merkura [22] .

Kasnije su se gravitacijski manevri naširoko koristili u međuplanetarnim misijama raznih svemirskih agencija.

Aubertov efekat

Gravitacijski manevar se ponekad shvata kao kombinovana metoda ubrzanja svemirskih letelica pomoću "Aubertovog efekta". Suština ove metode leži u činjenici da prilikom izvođenja gravitacionog manevra aparat uključuje motor u blizini pericentra putanje koja obavija planetu kako bi energiju goriva maksimalno iskoristila za povećanje kinetičke energije aparata.

Primjeri korištenja

Luna-3 putanja i pomoć gravitacije
Međuplanetarna putanja sonde "Cassini"

Gravitacijski manevar je prvi put uspješno izveden 1959. godine od strane automatske međuplanetarne stanice (AMS) Luna-3 . Od tada, manevri za pomoć gravitaciji se široko koriste u međuplanetarnim letovima. Na primjer, 1974. godine AMS Mariner-10 je koristio pomoć gravitacije - napravljen je randevu sa Venerom, nakon čega je aparat krenuo prema Merkuru .

AMS Voyager 1 i Voyager 2 koristili su gravitacijske manevre u blizini Jupitera i Saturna, zahvaljujući kojima su postigli rekordne brzine odlaska iz Sunčevog sistema. Lansiran 2006. godine, AMS New Horizons je napravio samo jedan gravitacijski manevar u blizini Jupitera, zbog čega gubi od Voyagera u brzini odlaska, uprkos većoj brzini lansiranja [24] .

Složenu kombinaciju gravitacionih manevara koristio je AMC Cassini (za ubrzanje aparat je koristio gravitaciono polje tri planete - Venere (dva puta), Zemlje i Jupitera) i Rozete (četiri gravitaciona manevra u blizini Zemlje i Marsa).

Godine 1998. razvijen je i implementiran program leta za žrtvu nesreće u fazi lansiranja komunikacionog satelita PAS-22 , u kojem je, zahvaljujući dvama gravitacijskim asistirajućim manevrima u blizini Mjeseca, bilo moguće uz ograničenu zalihu goriva prenijeti satelit iz neplanirane izdužene eliptične geosinhrone orbite za prijenos u geosinkronu orbitu s parametrima pogodnim za komercijalnu eksploataciju. Teorija prelaska na geostacionarnu orbitu pomoću lunarnog gravitacionog polja je prethodno razvijena na Institutu za primenjenu matematiku. M.V. Keldysh RAS . Upravo su ove studije bile osnova satelitskog spasilačkog programa [25] .

vidi takođe

Комментарии

  1. Данное описание не учитывает действие на космический аппарат тяготения иных тел кроме планеты, изменение направления движения планеты за время выполнения манёвра[2] и другие усложняющие факторы.
  2. Сфера действия планеты — условная область, в которой траекторию космического аппарата можно рассматривать как кеплеровскую орбиту вокруг этой планеты[3] .
  3. Здесь и далее имеются в виду векторные разности и суммы скоростей.
  4. Следует понимать, что приращение скорости в результате гравитационного манёвра является векторной величиной и само по себе не означает разгона или торможения космического аппарата. Изменение модуля гелиоцентрической скорости аппарата в результате манёвра зависит не только от величины приращения скорости , но и от его направления относительно исходной скорости движения[4] .
  5. Прицельной дальностью в космической механике называется расстояние между асимптотой гиперболической траектории облёта планеты и её фокусом , совпадающим с центром планеты [5] .
  6. Например, изменение скорости Юпитера, за счёт которого «Вояджер» получил дополнительный разгон более чем на 64 000 км/ч , составляет 0,2 мм/млрд лет [8] .
  7. Т. М. Мелькумов — автор вступительной статьи сборника «Пионеры ракетной техники», в котором впервые опубликована рукопись Кондратюка «Тем кто будет читать, чтобы строить» [12] .

Примечания

  1. Левантовский, 1980 , с. 230, 325.
  2. Левантовский, 1980 , с. 325.
  3. Левантовский, 1980 , с. 68—72.
  4. Левантовский, 1980 , с. 328.
  5. Мирер С. А. Механика космического полета. Орбитальное движение . — Институт прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН, 2013. — С. 38. — 106 с.
  6. Левантовский, 1980 , с. 325—329.
  7. Dowling et al., 2007 , The Impossibility of Exploring Most of the Solar System With the Classical Theory of Space Travel, pp. 343—346.
  8. Саган Карл . Глава 6. Триумф «Вояджера» // Голубая точка. Космическое будущее человечества / пер. с англ.: Олег Сивченко. — М. : АНФ, 2016. — 404 с. — ISBN 978-5-91671-573-6 .
  9. 1 2 3 Tony Reichhardt. Gravity's overdrive (англ.) // Air & Space Smithsonian : журнал. — 1994. — Февраль/март ( vol. 8 ). — P. 72—78 . — ISSN 0886-2257 .
  10. «Пионеры ракетной техники», 1964 , с. 624.
  11. «Пионеры ракетной техники», 1964 , с. 533—534.
  12. «Пионеры ракетной техники», 1964 , с. 9.
  13. «Пионеры ракетной техники», 1964 , с. 8.
  14. Цандер, 1961 , с. 285, 333—348.
  15. Luisa Spairani. The Gaetano A. Crocco's grand tour goes on (англ.) . Tecnologie di Frontiera (30 October 2016). Дата обращения: 16 августа 2018.
  16. Ивашкин, 2010 , с. 74.
  17. Цандер, 1961 , с. 19.
  18. Детская энциклопедия, 1965 .
  19. Энеев и Аким, 2007 .
  20. Ивашкин, 2010 , с. 87—97.
  21. Christopher Riley and Dallas Campbell . The maths that made Voyager possible (англ.) , BBC News (23 October 2012). Дата обращения 16 августа 2018.
  22. 1 2 3 Stephen J. Pyne. The Grand Tour conceived // Voyager: Exploration, Space, and the Third Great Age of Discovery. — Penguin, 2010. — 343 с. — ISBN 978-1-101-19029-6 .
  23. Stephanie Schwam. The Making of 2001: A Space Odyssey . — Random House Publishing Group, 2010-07-21. — 415 с. — ISBN 9780307757609 .
  24. Scharf, Caleb A . The Fastest Spacecraft Ever? (англ.) , Scientific American Blog Network (25 February 2013). Дата обращения 30 декабря 2017.
  25. В. Агапов. HGS-1: долгая дорога на геостационарную орбиту // Новости космонавтики : журнал. — ФГУП ЦНИИмаш , 1998. — Т. 8 , № 14 (181) . — С. 18—20 .
  26. Michael Martin Nieto, John D. Anderson Earth Flyby Anomalies // arxiv.org, 7 Oct 2009

Источники

Литература

Ссылки