Es ist schwer vorstellbar, wie viel Brennstoffraumfahrzeuge Gravitationsmanöver eingespart haben. Sie helfen, die Nähe der Riesenplaneten zu erreichen und sogar für immer über das Sonnensystem hinauszugehen. Auch für die Untersuchung uns relativ naher Kometen und Asteroiden lässt sich die wirtschaftlichste Flugbahn mit Hilfe von Gravitationsmanövern berechnen. Wann entstand die Idee der „Kosmischen Schleuder“? Und wann wurde es erstmals umgesetzt?

Das Gravitationsmanöver als natürliches Phänomen wurde zuerst von Astronomen der Vergangenheit entdeckt, die erkannten, dass signifikante Änderungen in den Umlaufbahnen von Kometen, ihrer Periode (und folglich ihrer Umlaufgeschwindigkeit) unter dem Gravitationseinfluss der Planeten auftreten. Nach dem Übergang kurzperiodischer Kometen vom Kuipergürtel in den inneren Teil des Sonnensystems erfolgt also eine signifikante Veränderung ihrer Umlaufbahnen genau unter dem Gravitationseinfluss massiver Planeten, während des Austauschs von Drehimpuls mit ihnen, ohne jeglichen Energiekosten.

Die eigentliche Idee, Gravitationsmanöver zu nutzen, um das Ziel der Raumfahrt zu erreichen, wurde von Michael Minovich in den 60er Jahren entwickelt, als er als Student ein Praktikum am Jet Propulsion Laboratory der NASA absolvierte. Erstmals wurde die Idee eines Gravitationsmanövers in der Flugbahn der automatischen interplanetaren Station "Mariner-10" verwirklicht, als das Gravitationsfeld der Venus genutzt wurde, um Merkur zu erreichen.

Bei einem "reinen" Gravitationsmanöver wird die Gleichheitsregel des Geschwindigkeitsmoduls vor und nach Annäherung an einen Himmelskörper strikt eingehalten. Der Gewinn wird offensichtlich, wenn wir von planetozentrischen zu heliozentrischen Koordinaten übergehen. Dies ist deutlich in dem hier gezeigten Schema zu sehen, das von V. I. Levantovskys Buch "Space Flight Mechanics" übernommen wurde. Links ist die Flugbahn des Fahrzeugs dargestellt, wie sie von einem Beobachter auf dem Planeten R gesehen wird. Die Geschwindigkeit v in bei "lokal unendlich" ist betragsmäßig gleich v out. Alles, was der Beobachter bemerken wird, ist eine Richtungsänderung des Apparats. Ein Beobachter, der sich in heliozentrischen Koordinaten befindet, wird jedoch eine signifikante Änderung der Geschwindigkeit des Geräts feststellen. Da nur der Modul der Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs relativ zum Planeten erhalten bleibt und mit dem Modul der Umlaufgeschwindigkeit des Planeten selbst vergleichbar ist, kann die resultierende Vektorsumme der Geschwindigkeiten sowohl größer als auch kleiner als die Geschwindigkeit des Fahrzeugs werden vor Annäherung. Rechts ist ein Vektordiagramm eines solchen Drehimpulsaustauschs. V in und v out bezeichnen gleiche Eintritts- und Austrittsgeschwindigkeiten des Raumfahrzeugs relativ zum Planeten, und V sbl , V remote und V pl bezeichnen die Annäherungs- und Entfernungsgeschwindigkeit des Raumfahrzeugs und die Umlaufgeschwindigkeit des Planeten in heliozentrischen Koordinaten. Das ΔV-Inkrement ist der Geschwindigkeitsimpuls, den der Planet an den Apparat gemeldet hat. Natürlich ist der Moment, den der Apparat selbst an den Planeten sendet, vernachlässigbar.

So kann man durch geeignete Wahl des Rendezvouspfades nicht nur die Richtung ändern, sondern auch die Geschwindigkeit des Gerätes ohne Aufwand seiner Energiequellen deutlich erhöhen.

Dieses Diagramm zeigt nicht, dass die Drehzahl zunächst stark ansteigt und dann auf einen Endwert abfällt. Ballistiker kümmern sich normalerweise nicht darum, sie nehmen den Drehimpulsaustausch als "Gravitationseinschlag" des Planeten wahr, dessen Dauer im Vergleich zur Gesamtdauer des Fluges vernachlässigbar ist.

Entscheidend für das Gravitationsmanöver sind die Masse des Planeten M, die Zielentfernung d und die Geschwindigkeit v in. Interessanterweise ist das Geschwindigkeitsinkrement ΔV maximal, wenn v in gleich der Kreisgeschwindigkeit nahe der Planetenoberfläche ist.

Daher sind die Manöver der Riesenplaneten am vorteilhaftesten und verkürzen die Flugdauer merklich. Es werden auch Manöver in der Nähe der Erde und der Venus verwendet, was jedoch die Dauer der Raumfahrt erheblich verlängert.

Seit dem Erfolg der Mariner 10-Mission wurden Gravitationsunterstützungsmanöver in vielen Weltraummissionen verwendet. Außergewöhnlich erfolgreich war beispielsweise die Mission der Raumsonde Voyager, mit deren Hilfe Untersuchungen der Riesenplaneten und ihrer Satelliten durchgeführt wurden. Die Fahrzeuge wurden im Herbst 1977 in den USA gestartet und erreichten 1979 das erste Ziel der Mission, den Planeten Jupiter. Nach Abschluss des Forschungsprogramms um Jupiter und der Erkundung seiner Satelliten führten die Fahrzeuge ein Gravitationsmanöver durch (unter Verwendung des Gravitationsfeldes von Jupiter), das es ihnen ermöglichte, auf leicht unterschiedlichen Flugbahnen zum Saturn geschickt zu werden, den sie 1980 bzw. 1981 erreichten. Als nächstes führte Voyager 1 ein komplexes Manöver durch, um den Saturnmond Titan bis auf 5.000 km zu passieren, und landete dann auf einer Austrittsbahn aus dem Sonnensystem.

Voyager 2 führte auch ein weiteres Gravitationsmanöver durch und wurde trotz einiger technischer Probleme auf den siebten Planeten Uranus gerichtet, der Anfang 1986 angetroffen wurde. Nach der Annäherung an Uranus wurde ein weiteres Gravitationsmanöver in seinem Feld durchgeführt, und Voyager 2 steuerte auf Neptun zu. Hier ermöglichte das Gravitationsmanöver dem Gerät, nahe genug an Neptuns Trabanten Triton heranzukommen.

1986 ermöglichte ein Gravitationsmanöver in der Nähe der Venus den sowjetischen Raumfahrzeugen VEGA-1 und VEGA-2, auf den Halleyschen Kometen zu treffen.

Ganz Ende 1995 wurde Jupiter von einem neuen Apparat, Galileo, erreicht, dessen Flugbahn als Kette von Gravitationsmanövern in den Gravitationsfeldern der Erde und der Venus gewählt wurde. Dies ermöglichte es dem Gerät, den Asteroidengürtel zweimal in 6 Jahren zu besuchen und sich den ziemlich großen Körpern Gaspra und Ida zu nähern und sogar zweimal zur Erde zurückzukehren. Nach dem Start in den USA im Herbst 1989 wurde die Raumsonde zur Venus geschickt, der sie sich im Februar 1990 näherte, und kehrte dann im Dezember 1990 zur Erde zurück. Wieder wurde ein Gravitationsmanöver durchgeführt, und das Gerät ging in den inneren Teil des Asteroidengürtels. Um den Jupiter zu erreichen, kehrte Galileo im Dezember 1992 wieder zur Erde zurück und nahm schließlich einen Flugkurs zum Jupiter auf.

Im Oktober 1997 wurde ebenfalls in den USA die Raumsonde Cassini zum Saturn gestartet. Das Programm seines Fluges sieht 4 Gravitationsmanöver vor: zwei in der Nähe der Venus und je eines in der Nähe von Erde und Jupiter. Nach dem ersten Venus-Rendezvous-Manöver (im April 1998) ging das Raumschiff in die Umlaufbahn des Mars und kehrte (ohne Beteiligung des Mars) wieder zur Venus zurück. Das zweite Venus-Manöver (Juni 1999) brachte Cassini zur Erde zurück, wo auch ein Manöver zur Unterstützung der Schwerkraft durchgeführt wurde (August 1999). Damit hat die Raumsonde ausreichend Geschwindigkeit für einen schnellen Flug zum Jupiter gewonnen, wo Ende Dezember 2000 ihr letztes Manöver auf dem Weg zum Saturn durchgeführt wird. Das Gerät soll die Ziele im Juli 2004 erreichen.

L. V. Ksanfomality, Doktor der Phys.-Math. Sci., Leiter des Labors des Instituts für Weltraumforschung.

konventionelle Ansicht

Es gibt spezielle Körper im Sonnensystem - Kometen.
Ein Komet ist ein kleiner Körper von mehreren Kilometern Größe. Im Gegensatz zu einem gewöhnlichen Asteroiden enthält der Komet verschiedene Eisarten: Wasser, Kohlendioxid, Methan und andere. Wenn der Komet in die Jupiterbahn eintritt, beginnen diese Eise schnell zu verdampfen, verlassen zusammen mit Staub die Oberfläche des Kometen und bilden die sogenannte Koma – eine Gas- und Staubwolke, die den festen Kern umgibt. Diese Wolke erstreckt sich Hunderttausende von Kilometern vom Kern entfernt. Dank des reflektierten Sonnenlichts wird der Komet (nicht er selbst, sondern nur eine Wolke) sichtbar. Und durch leichten Druck wird ein Teil der Wolke in den sogenannten Schweif gezogen, der sich vom Kometen über viele Millionen Kilometer erstreckt (siehe Foto 2). Aufgrund der sehr schwachen Schwerkraft geht die gesamte Substanz der Koma und des Schweifs unwiederbringlich verloren. Daher kann ein Komet, wenn er in der Nähe der Sonne fliegt, mehrere Prozent seiner Masse und manchmal mehr verlieren. Die Zeit ihres Lebens ist nach astronomischen Maßstäben vernachlässigbar.
Woher kommen neue Kometen?

Nach traditioneller Kosmogonie stammen sie aus der sogenannten Oortschen Wolke. Es ist allgemein anerkannt, dass es in einer Entfernung von hunderttausend astronomischen Einheiten von der Sonne (der halben Entfernung zum nächsten Stern) ein riesiges Reservoir an Kometen gibt. Die nächsten Sterne stören dieses Reservoir regelmäßig, und dann ändern sich die Umlaufbahnen einiger Kometen so, dass sich ihr Perihel in der Nähe der Sonne befindet, die Gase auf ihrer Oberfläche beginnen zu verdampfen und eine riesige Koma und einen Schweif bilden, und der Komet wird durch ein Teleskop sichtbar. und manchmal sogar mit bloßem Auge. Abgebildet ist der berühmte Große Komet Hale-Bopp im Jahr 1997.

Wie ist die Oortsche Wolke entstanden? Die allgemein akzeptierte Antwort ist diese. Ganz am Anfang der Entstehung des Sonnensystems im Bereich der Riesenplaneten entstanden viele Eiskörper mit einem Durchmesser von zehn und mehr Kilometern. Einige von ihnen wurden Teil der Riesenplaneten und ihrer Satelliten, andere wurden an die Peripherie des Sonnensystems geschleudert. Jupiter spielte dabei die Hauptrolle, aber auch Saturn, Uranus und Neptun wandten ihre Gravitationsfelder darauf an. Ganz allgemein sah dieser Vorgang so aus: Ein Komet fliegt in die Nähe des mächtigen Gravitationsfeldes des Jupiters und ändert seine Geschwindigkeit so, dass er an der Peripherie des Sonnensystems landet.

Es stimmt, das ist nicht genug. Befindet sich das Perihel des Kometen innerhalb der Umlaufbahn des Jupiters und das Aphel irgendwo an der Peripherie, dann beträgt seine Periode, wie leicht zu berechnen ist, mehrere Millionen Jahre. Während der Existenz des Sonnensystems wird ein solcher Komet fast tausend Mal Zeit haben, sich der Sonne zu nähern, und sein gesamtes Gas, das verdunsten kann, wird verdunsten. Daher wird angenommen, dass, wenn sich der Komet in der Peripherie befindet, die Störungen von den nächsten Sternen seine Umlaufbahn so ändern, dass das Perihel auch sehr weit von der Sonne entfernt sein wird.

Es gibt also einen vierstufigen Prozess. 1. Jupiter wirft ein Stück Eis an die Peripherie des Sonnensystems. 2. Der nächste Stern ändert seine Umlaufbahn so, dass auch das Perihel der Umlaufbahn weit von der Sonne entfernt ist. 3. In einer solchen Umlaufbahn bleibt ein Stück Eis für fast mehrere Milliarden Jahre sicher und gesund. 4. Ein weiterer vorbeifliegender Stern stört erneut seine Umlaufbahn, so dass das Perihel in der Nähe der Sonne ist. Dadurch fliegt uns ein Stück Eis entgegen. Und wir sehen es wie einen neuen Kometen.

All dies erscheint modernen Kosmogonisten ziemlich plausibel. Aber ist es? Schauen wir uns alle vier Schritte genauer an.

Schwerkraftmanöver

Erstes Treffen

Ich habe das Gravitationsmanöver zum ersten Mal in der 9. Klasse bei der Landesolympiade in Physik kennengelernt. Die Aufgabe war diese.
Eine Rakete wird von der Erde mit einer Geschwindigkeit V gestartet (ausreichend, um aus dem Gravitationsfeld herauszufliegen). Die Rakete hat einen Motor mit Schub F, der für eine Zeit t betrieben werden kann. Zu welchem ​​Zeitpunkt muss der Motor eingeschaltet werden, damit die Endgeschwindigkeit der Rakete maximal ist? Luftwiderstand ignorieren.

Zuerst schien es mir egal, wann man den Motor einschaltet. Schließlich muss die Endgeschwindigkeit der Rakete aufgrund des Energieerhaltungssatzes in jedem Fall gleich sein. Es blieb in zwei Fällen, die Endgeschwindigkeit der Rakete zu berechnen: 1. Wir schalten den Motor zu Beginn ein, 2. Wir schalten den Motor ein, nachdem wir das Schwerefeld der Erde verlassen haben. Vergleichen Sie dann die Ergebnisse und vergewissern Sie sich, dass die Endgeschwindigkeit der Rakete in beiden Fällen gleich ist. Aber dann erinnerte ich mich, dass Leistung gleich ist: Zugkraft mal Geschwindigkeit. Daher ist die Leistung des Raketenmotors maximal, wenn der Motor sofort beim Start eingeschaltet wird, wenn die Raketengeschwindigkeit maximal ist. Die richtige Antwort lautet also: Wir schalten den Motor sofort ein, dann ist die Endgeschwindigkeit der Rakete maximal.

Und obwohl ich das Problem richtig gelöst habe, blieb das Problem bestehen. Die Endgeschwindigkeit und damit die Energie der Rakete HÄNGT davon ab, zu welchem ​​Zeitpunkt der Motor eingeschaltet wird. Es scheint ein klarer Verstoß gegen den Energieerhaltungssatz zu sein. Oder nicht? Was ist hier los? Energie muss gespart werden! All diese Fragen habe ich nach der Olympiade versucht zu beantworten.

Raketenschub HÄNGT von seiner Geschwindigkeit ab. Das ist ein wichtiger und diskussionswürdiger Punkt.
Angenommen, wir haben eine Rakete der Masse M mit einem Triebwerk, das einen Schub mit der Kraft F erzeugt. Lassen Sie uns diese Rakete im leeren Raum platzieren (abseits von Sternen und Planeten) und das Triebwerk einschalten. Wie schnell bewegt sich die Rakete? Wir kennen die Antwort aus dem zweiten Newtonschen Gesetz: Die Beschleunigung A ist gleich:
A = F/M

Kommen wir nun zu einem anderen Trägheitsbezugssystem, in dem sich die Rakete mit hoher Geschwindigkeit bewegt, sagen wir 100 km/s. Wie groß ist die Beschleunigung der Rakete in diesem Bezugssystem?
Die Beschleunigung HÄNGT NICHT von der Wahl des Trägheitsbezugssystems ab, daher ist sie gleich:
A = F/M
Die Masse der Rakete ändert sich auch nicht (100 km / s ist noch kein relativistischer Fall), daher wird die Schubkraft F die GLEICHE sein.
Und deshalb HÄNGT die Kraft der Rakete von ihrer Geschwindigkeit ab. Leistung ist schließlich Kraft mal Geschwindigkeit. Es stellt sich heraus, dass, wenn sich eine Rakete mit einer Geschwindigkeit von 100 km / s bewegt, die Leistung ihres Motors 100-mal stärker ist als GENAU DER GLEICHE Motor, der sich auf einer Rakete befindet, die sich mit einer Geschwindigkeit von 1 km / s bewegt.

Auf den ersten Blick mag dies seltsam und sogar paradox erscheinen. Woher kommt die enorme Mehrleistung? Energie muss gespart werden!
Sehen wir uns dieses Problem an.
Eine Rakete bewegt sich immer mit Strahlschub: Sie schleudert verschiedene Gase mit hoher Geschwindigkeit ins All. Zur Sicherheit nehmen wir an, dass die Geschwindigkeit der Gasemission 10 km/sec beträgt. Bewegt sich eine Rakete mit einer Geschwindigkeit von 1 km/sec, dann beschleunigt ihr Triebwerk hauptsächlich nicht die Rakete, sondern den Treibstoff. Daher ist die Motorleistung zum Beschleunigen der Rakete nicht hoch. Wenn sich die Rakete jedoch mit einer Geschwindigkeit von 10 km / s bewegt, ruht der ausgestoßene Kraftstoff relativ zum externen Beobachter, dh die gesamte Motorleistung wird für die Raketenbeschleunigung aufgewendet. Und wenn sich die Rakete mit einer Geschwindigkeit von 100 km / s bewegt? In diesem Fall bewegt sich der ausgestoßene Kraftstoff mit einer Geschwindigkeit von 90 km/s. Das heißt, die Geschwindigkeit des Kraftstoffs WIRD von 100 auf 90 km/s VERRINGERN. Und der ALL-Unterschied in der kinetischen Energie des Kraftstoffs wird aufgrund des Energieerhaltungsgesetzes auf die Rakete übertragen. Daher wird die Leistung des Raketentriebwerks bei solchen Geschwindigkeiten erheblich zunehmen.

Einfach ausgedrückt, eine sich schnell bewegende Rakete hat viel kinetische Energie in ihrem Treibmittel. Und aus dieser Energie wird zusätzliche Leistung gezogen, um die Rakete zu beschleunigen.

Nun bleibt herauszufinden, wie diese Eigenschaft der Rakete in der Praxis genutzt werden kann.

Ein Versuch der praktischen Anwendung

Angenommen, Sie fliegen in naher Zukunft mit einer Rakete zum Saturnsystem auf Titan (siehe Fotos 1-3), um anaerobe Lebensformen zu untersuchen. Sie flogen in die Umlaufbahn des Jupiter und es stellte sich heraus, dass die Geschwindigkeit der Rakete auf fast Null gesunken war. Die Flugbahn wurde nicht richtig berechnet oder der Treibstoff stellte sich als gefälscht heraus :) . Oder vielleicht ist ein Meteorit in die Tankbucht eingeschlagen, und fast der gesamte Treibstoff ist verloren gegangen. Was zu tun ist?

Die Rakete hat einen Motor und eine kleine Menge Treibstoff übrig. Das Maximum, zu dem der Motor in der Lage ist, besteht jedoch darin, die Geschwindigkeit der Rakete um 1 km / s zu erhöhen. Das reicht eindeutig nicht aus, um zum Saturn zu fliegen. Und jetzt bietet der Pilot eine solche Option an.
„Wir betreten das Anziehungsfeld von Jupiter und fallen darauf. Infolgedessen beschleunigt Jupiter die Rakete auf eine enorme Geschwindigkeit - etwa 60 km / s. Wenn die Rakete auf diese Geschwindigkeit beschleunigt, schalten Sie den Motor ein. Die Motorleistung bei dieser Geschwindigkeit wird um ein Vielfaches zunehmen. Dann heben wir aus dem Anziehungsfeld des Jupiter ab. Infolge eines solchen Gravitationsmanövers erhöht sich die Geschwindigkeit der Rakete nicht um 1 km / s, sondern viel mehr. Und wir können zum Saturn fliegen."
Aber jemand widerspricht.
„Ja, die Leistung der Rakete in der Nähe von Jupiter wird zunehmen. Die Rakete erhält zusätzliche Energie. Aber wenn wir aus Jupiters Anziehungsfeld fliegen, werden wir all diese zusätzliche Energie verlieren. Die Energie muss im Potentialtopf des Jupiters bleiben, sonst gibt es so etwas wie ein Perpetuum mobile, und das ist unmöglich. Daher wird es keinen Vorteil aus dem Gravitationsmanöver geben. Wir verschwenden nur unsere Zeit."

Die Rakete ist also nicht weit von Jupiter entfernt und relativ zu ihm fast bewegungslos. Die Rakete hat einen Motor mit genug Treibstoff, um die Geschwindigkeit der Rakete um nur 1 km/s zu erhöhen. Um die Effizienz des Motors zu erhöhen, wird vorgeschlagen, ein Gravitationsmanöver durchzuführen: die Rakete auf Jupiter "fallen zu lassen". Sie bewegt sich in seinem Anziehungsfeld entlang einer Parabel (siehe Foto). Und am tiefsten Punkt der Flugbahn (auf dem Foto mit einem roten Kreuz markiert) wird eingeschaltet l Motor. Die Geschwindigkeit der Rakete in der Nähe von Jupiter beträgt 60 km/s. Nachdem der Motor es weiter beschleunigt hat, erhöht sich die Geschwindigkeit der Rakete auf 61 km / s. Welche Geschwindigkeit wird die Rakete haben, wenn sie das Gravitationsfeld des Jupiter verlässt?

Diese Aufgabe liegt in der Macht eines Gymnasiasten, wenn er sich natürlich gut in Physik auskennt. Zuerst müssen Sie eine Formel für die Summe von potentieller und kinetischer Energie schreiben. Dann merken Sie sich die Formel für die potentielle Energie im Gravitationsfeld der Kugel. Schauen Sie im Nachschlagewerk nach, was die Gravitationskonstante ist, sowie die Masse des Jupiter und seinen Radius. Erhalten Sie eine allgemeine Endformel, indem Sie das Energieerhaltungsgesetz verwenden und algebraische Transformationen durchführen. Und schließlich erhalten Sie die Antwort, indem Sie alle Zahlen in die Formel einsetzen und die Berechnungen durchführen. Ich verstehe, dass niemand (fast niemand) in einige Formeln eintauchen möchte, deshalb werde ich versuchen, ohne Sie mit irgendwelchen Gleichungen zu belasten, die Lösung dieses Problems „an den Fingern“ zu erklären. Hoffe, es funktioniert! :) .

Wenn die Rakete stationär ist, ist ihre kinetische Energie Null. Und wenn sich die Rakete mit einer Geschwindigkeit von 1 km / s bewegt, nehmen wir an, dass ihre Energie 1 Einheit beträgt. Wenn sich die Rakete mit einer Geschwindigkeit von 2 km / s bewegt, beträgt ihre Energie dementsprechend 4 Einheiten, bei 10 km / s 100 Einheiten usw. Das ist klar. Wir haben bereits die Hälfte des Problems gelöst.
An der mit einem Kreuz markierten Stelle (siehe Foto) beträgt die Geschwindigkeit der Rakete 60 km / s und die Energie 3600 Einheiten. 3600 Einheiten reichen aus, um aus Jupiters Anziehungsfeld zu fliegen. Nachdem die Rakete beschleunigt hatte, betrug ihre Geschwindigkeit 61 km / s und die Energie 61 zum Quadrat (wir nehmen den Taschenrechner) 3721 Einheiten. Wenn eine Rakete aus dem Gravitationsfeld des Jupiter fliegt, verbraucht sie nur 3600 Einheiten. Es sind noch 121 Einheiten übrig. Dies entspricht einer Geschwindigkeit (die Quadratwurzel ziehen) von 11 km/sec. Problem gelöst. Dies ist keine Annäherung, sondern eine EXAKTE Antwort.

Wir sehen, dass das Gravitationsmanöver genutzt werden kann, um zusätzliche Energie zu gewinnen. Anstatt die Rakete auf 1 km / s zu beschleunigen, kann sie auf 11 km / s beschleunigt werden (121-mal mehr Energie, Effizienz - 12.000 Prozent!), Wenn sich in der Nähe ein massiver Körper wie Jupiter befindet.

Aufgrund dessen haben wir einen RIESIGEN Energiegewinn erhalten? Aufgrund der Tatsache, dass sie den abgebrannten Brennstoff nicht im leeren Raum in der Nähe der Rakete zurückgelassen haben, sondern in einem von Jupiter geschaffenen tiefen Potenzialschacht. Der abgebrannte Brennstoff erhielt eine große potentielle Energie mit einem MINUS-Zeichen. Daher erhielt die Rakete eine große kinetische Energie mit einem PLUS-Zeichen.

Vektordrehung

Angenommen, wir fliegen eine Rakete in der Nähe von Jupiter und möchten ihre Geschwindigkeit erhöhen. Aber wir haben keinen Treibstoff. Sagen wir einfach, wir haben etwas Treibstoff, um unseren Kurs zu korrigieren. Aber es reicht eindeutig nicht aus, um die Rakete merklich zu zerstreuen. Können wir die Geschwindigkeit einer Rakete mit Hilfe der Schwerkraft merklich erhöhen?
In seiner allgemeinsten Form sieht diese Aufgabe so aus. Wir fliegen mit einiger Geschwindigkeit in das Gravitationsfeld von Jupiter. Dann fliegen wir aus dem Feld. Wird sich unsere Geschwindigkeit ändern? Und wie viel kann es ändern?
Lassen Sie uns dieses Problem lösen.

Aus der Sicht eines Beobachters, der sich auf Jupiter befindet (oder besser gesagt stationär in Bezug auf seinen Massenschwerpunkt), sieht unser Manöver so aus. Zuerst befindet sich die Rakete in großer Entfernung von Jupiter und bewegt sich mit einer Geschwindigkeit V auf ihn zu. Dann nähert sie sich Jupiter und beschleunigt sie. In diesem Fall ist die Flugbahn der Rakete gekrümmt und in ihrer allgemeinsten Form bekanntlich eine Übertreibung. Die maximale Geschwindigkeit der Rakete wird bei der minimalen Annäherung sein. Die Hauptsache hier ist, nicht mit Jupiter zu kollidieren, sondern daneben zu fliegen. Nach der minimalen Annäherung beginnt sich die Rakete vom Jupiter zu entfernen und ihre Geschwindigkeit nimmt ab. Schließlich fliegt die Rakete aus dem Gravitationsfeld des Jupiter. Wie wird ihre Geschwindigkeit sein? Genauso wie bei der Ankunft. Die Rakete flog mit einer Geschwindigkeit V in das Gravitationsfeld des Jupiters und mit genau der gleichen Geschwindigkeit V wieder heraus. Hat sich etwas geändert? Nein hat sich geändert. Die RICHTUNG der Geschwindigkeit hat sich geändert. Es ist wichtig. Dank dessen können wir ein Gravitationsmanöver durchführen.

In der Tat ist für uns nicht die Geschwindigkeit der Rakete relativ zum Jupiter wichtig, sondern ihre Geschwindigkeit relativ zur Sonne. Dies ist die sogenannte heliozentrische Geschwindigkeit. Mit einer solchen Geschwindigkeit bewegt sich die Rakete durch das Sonnensystem. Jupiter bewegt sich auch um das Sonnensystem herum. Der heliozentrische Geschwindigkeitsvektor der Rakete kann in die Summe zweier Vektoren zerlegt werden: Jupiters Umlaufgeschwindigkeit (etwa 13 km/s) und die Geschwindigkeit der Rakete RELATIV zu Jupiter. Hier ist nichts kompliziert! Dies ist die übliche Dreiecksregel für die Vektoraddition, die in der 7. Klasse gelehrt wird. Und diese Regel reicht aus, um die Essenz des Schwerkraftmanövers zu verstehen.

Wir haben vier Geschwindigkeiten. U(1) ist die Geschwindigkeit unserer Rakete relativ zur Sonne VOR der Schwerkraftunterstützung. V(1) ist die Geschwindigkeit der Rakete relativ zu Jupiter VOR der Schwerkraftunterstützung. V(2) ist die Geschwindigkeit der Rakete relativ zu Jupiter NACH der Schwerkraftunterstützung. V(1) und V(2) sind in der Größe GLEICH, aber in der Richtung UNTERSCHIEDLICH. U(2) ist die Geschwindigkeit der Rakete relativ zur Sonne NACH der Schwerkraftunterstützung. Um zu sehen, wie all diese vier Geschwindigkeiten zusammenhängen, sehen Sie sich die Abbildung an.

Der grüne Pfeil AO ist die Geschwindigkeit des Jupiters auf seiner Umlaufbahn. Der rote Pfeil AB ist U(1): die Geschwindigkeit unserer Rakete relativ zur Sonne VOR der Schwerkraftunterstützung. Der gelbe Pfeil OB ist die Geschwindigkeit unserer Rakete relativ zum Jupiter VOR dem Gravitationsmanöver. Der gelbe OS-Pfeil ist die Geschwindigkeit der Rakete relativ zu Jupiter NACH der Schwerkraftunterstützung. Diese Geschwindigkeit MUSS irgendwo auf dem gelben Kreis des OB-Radius liegen. Denn Jupiter KANN in seinem Koordinatensystem den Wert der Geschwindigkeit der Rakete NICHT verändern, sondern sie nur um einen bestimmten Winkel (Alpha) drehen. Und schließlich ist AC das, was wir brauchen: U(2) Raketengeschwindigkeit NACH der Schwerkraftunterstützung.

Sehen Sie, wie einfach es ist. Die Geschwindigkeit der Rakete NACH der Schwerkraftunterstützung AC ist gleich der Geschwindigkeit der Rakete VOR der Schwerkraftunterstützung AB plus dem Vektor BC. Und der BC-Vektor ist eine ÄNDERUNG der Geschwindigkeit der Rakete in Jupiters Bezugsrahmen. Denn OS - OB = OS + IN = IN + OS = BC. Je mehr sich der Geschwindigkeitsvektor der Rakete relativ zum Jupiter dreht, desto effektiver wird das Gravitationsmanöver.

Eine Rakete OHNE Treibstoff fliegt also in das Gravitationsfeld von Jupiter (oder einem anderen Planeten). Die Größe seiner Geschwindigkeit VOR und NACH dem Manöver relativ zu Jupiter ÄNDERT SICH NICHT. Aber aufgrund der Drehung des Geschwindigkeitsvektors relativ zu Jupiter ändert sich die Geschwindigkeit der Rakete relativ zu Jupiter immer noch. Und der Vektor dieser Änderung wird einfach VOR dem Manöver zum Geschwindigkeitsvektor der Rakete addiert. Ich hoffe ich habe alles verständlich erklärt.

Um die Essenz des Gravitationsmanövers besser zu verstehen, analysieren wir es am Beispiel von Voyager 2, die am 9. Juli 1979 in der Nähe von Jupiter flog. Wie aus der Grafik ersichtlich (siehe Foto), flog er mit einer Geschwindigkeit von 10 km / s zum Jupiter und flog mit einer Geschwindigkeit von 20 km / s aus seinem Gravitationsfeld heraus. Nur zwei Zahlen: 10 und 20.
Sie werden überrascht sein, wie viele Informationen sich aus diesen Zahlen extrahieren lassen:
1. Wir werden berechnen, welche Geschwindigkeit Voyager 2 hatte, als sie das Gravitationsfeld der Erde verließ.
2. Lassen Sie uns den Winkel finden, in dem sich der Apparat der Jupiterbahn näherte.
3. Berechnen Sie die Mindestentfernung, die Voyager 2 zum Jupiter zurückgelegt hat.
4. Lassen Sie uns herausfinden, wie seine Flugbahn relativ zu einem Beobachter auf Jupiter aussah.
5. Ermitteln Sie den Winkel, um den das Raumschiff nach der Begegnung mit Jupiter abgewichen ist.

Wir werden keine komplexen Formeln verwenden, sondern die Berechnungen wie gewohnt „an den Fingern“ durchführen, manchmal mit einfachen Zeichnungen. Die Antworten, die wir erhalten, werden jedoch korrekt sein. Sagen wir einfach, sie sind möglicherweise nicht genau, weil die Zahlen 10 und 20 höchstwahrscheinlich nicht genau sind. Sie sind der Tabelle entnommen und gerundet. Darüber hinaus werden auch andere von uns verwendete Zahlen gerundet. Schließlich ist es für uns wichtig, das Gravitationsmanöver zu verstehen. Daher werden wir die Zahlen 10 und 20 als exakt nehmen, damit es etwas gibt, worauf man aufbauen kann.

Lassen Sie uns das 1. Problem lösen.
Lassen Sie uns zustimmen, dass die Energie von Voyager-2, die sich mit einer Geschwindigkeit von 1 km/s bewegt, 1 Einheit ist. Die Mindestabfluggeschwindigkeit vom Sonnensystem aus der Umlaufbahn des Jupiter beträgt 18 km/s. Das Diagramm dieser Geschwindigkeit ist auf dem Foto, aber es befindet sich so. Es ist notwendig, die Umlaufgeschwindigkeit des Jupiter (ca. 13 km / s) mit der Wurzel aus zwei zu multiplizieren. Wenn Voyager 2 bei der Annäherung an Jupiter eine Geschwindigkeit von 18 km / s (Energie 324 Einheiten) hätte, wäre seine Gesamtenergie (die Summe aus Kinetik und Potential) im Gravitationsfeld der Sonne GENAU gleich Null. Aber die Geschwindigkeit von Voyager 2 betrug nur 10 km / s und die Energie 100 Einheiten. Das heißt weniger als:
324-100 = 224 Einheiten.
Dieser Energiemangel wird EINGEHALTEN, während Voyager 2 von der Erde zum Jupiter reist.
Die minimale Abfluggeschwindigkeit vom Sonnensystem aus der Erdumlaufbahn beträgt ca. 42 km / s (etwas mehr). Um es zu finden, müssen Sie die Umlaufgeschwindigkeit der Erde (etwa 30 km / s) mit der Wurzel aus zwei multiplizieren. Wenn sich Voyager 2 mit einer Geschwindigkeit von 42 km/s von der Erde wegbewegen würde, wäre ihre kinetische Energie 1764 Einheiten (42 zum Quadrat) und die Gesamtenergie wäre NULL. Wie wir bereits herausgefunden haben, betrug die Energie von Voyager 2 weniger als 224 Einheiten, dh 1764 - 224 = 1540 Einheiten. Wir ziehen die Wurzel dieser Zahl und finden die Geschwindigkeit, mit der Voyager 2 aus dem Schwerefeld der Erde geflogen ist: 39,3 km / s.

Wenn ein Raumfahrzeug von der Erde in den äußeren Teil des Sonnensystems gestartet wird, dann wird es in der Regel mit der Umlaufgeschwindigkeit der Erde gestartet. In diesem Fall wird die Geschwindigkeit der Erdbewegung zur Geschwindigkeit des Apparats HINZUGEFÜGT, was zu einem enormen Energiegewinn führt.

Und wie wird das Problem mit der Geschwindigkeitsrichtung gelöst? Sehr einfach. Sie warten, bis die Erde den gewünschten Teil ihrer Umlaufbahn erreicht, damit die Richtung ihrer Geschwindigkeit diejenige ist, die benötigt wird. Angenommen, beim Start einer Rakete zum Mars gibt es ein kleines Zeitfenster, in dem der Start sehr bequem ist. Wenn der Start aus irgendeinem Grund fehlgeschlagen ist, können Sie sicher sein, dass der nächste Versuch frühestens zwei Jahre später stattfinden wird.

Als Ende der 70er Jahre des letzten Jahrhunderts die Riesenplaneten in einer bestimmten Reihenfolge aufgereiht waren, schlugen viele Wissenschaftler - Spezialisten für Himmelsmechanik vor, einen glücklichen Zufall am Standort dieser Planeten auszunutzen. Es wurde ein Projekt vorgeschlagen, wie die Grand Tour zu minimalen Kosten durchgeführt werden kann - eine Reise zu ALLEN Riesenplaneten auf einmal. Was mit Erfolg geschah.
Wenn wir unbegrenzte Ressourcen und Treibstoff hätten, könnten wir fliegen, wohin wir wollen, wann immer wir wollen. Da aber Energie gespart werden muss, führen Wissenschaftler nur energieeffiziente Flüge durch. Sie können sicher sein, dass Voyager 2 in Richtung der Erdbewegung gestartet wurde.
Wie wir bereits berechnet haben, betrug seine Geschwindigkeit relativ zur Sonne 39,3 km/s. Als Voyager 2 zum Jupiter flog, sank seine Geschwindigkeit auf 10 km / s. Wohin wurde sie geschickt?
Die Projektion dieser Geschwindigkeit auf die Umlaufgeschwindigkeit des Jupiters ergibt sich aus dem Drehimpulserhaltungssatz. Der Radius der Jupiterbahn beträgt das 5,2-fache der Erdbahn. Sie müssen also 39,3 km / s durch 5,2 teilen. Wir bekommen 7,5 km/s. Das heißt, der Kosinus des Winkels, den wir brauchen, ist 7,5 km / s (Voyager-Geschwindigkeitsprojektion) dividiert durch 10 km / s (Voyager-Geschwindigkeit), wir erhalten 0,75. Der Winkel selbst beträgt 41 Grad. In diesem Winkel flog Voyager 2 in die Jupiterbahn ein.

Wenn wir die Geschwindigkeit von Voyager 2 und die Richtung seiner Bewegung kennen, können wir ein geometrisches Diagramm der Schwerkraftunterstützung zeichnen. Es wird so gemacht. Wir wählen Punkt A und zeichnen daraus den Vektor der Jupiter-Umlaufgeschwindigkeit (13 km / s auf der ausgewählten Skala). Das Ende dieses Vektors (grüner Pfeil) ist mit dem Buchstaben O gekennzeichnet (siehe Foto 1). Dann zeichnen wir von Punkt A aus den Geschwindigkeitsvektor von Voyager 2 (10 km / s auf der ausgewählten Skala) in einem Winkel von 41 Grad. Das Ende dieses Vektors (roter Pfeil) wird mit dem Buchstaben B bezeichnet.
Jetzt bauen wir einen Kreis (gelbe Farbe) mit Mittelpunkt im Punkt O und Radius |OB| (siehe Foto 2). Nur auf diesem Kreis kann das Ende des Geschwindigkeitsvektors sowohl vor als auch nach dem Gravitationsmanöver liegen. Jetzt zeichnen wir einen Kreis mit einem Radius von 20 km/s (im gewählten Maßstab) mit Mittelpunkt bei Punkt A. Dies ist die Geschwindigkeit der Voyager nach der Schwerkraftunterstützung. Es schneidet sich mit dem gelben Kreis an einem Punkt C.

Wir haben die Gravitationsunterstützung gezeichnet, die Voyager 2 am 9. Juli 1979 durchführte. AO ist Jupiters Orbitalgeschwindigkeitsvektor. AB ist der Geschwindigkeitsvektor, mit dem sich Voyager 2 Jupiter näherte. Der Winkel OAB beträgt 41 Grad. AC ist der Geschwindigkeitsvektor von Voyager 2 NACH der Schwerkraftunterstützung. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, dass der Winkel OAC etwa 20 Grad beträgt (halber Winkel OAB). Dieser Winkel kann auf Wunsch exakt berechnet werden, da alle Dreiecke in der Zeichnung vorgegeben sind.
OB ist der Geschwindigkeitsvektor, mit dem sich Voyager 2 Jupiter näherte, AUS DEM SICHTPUNKT eines Beobachters auf Jupiter. OS - Geschwindigkeitsvektor der Voyager nach dem Manöver relativ zum Beobachter auf Jupiter.

Wenn sich Jupiter nicht drehen würde und Sie sich auf der subsolaren Seite befinden würden (die Sonne steht im Zenit), dann würden Sie sehen, wie sich Voyager 2 von Westen nach Osten bewegt. Zuerst erschien es im westlichen Teil des Himmels, näherte sich dann dem Zenith, flog in die Nähe der Sonne und verschwand dann hinter dem Horizont im Osten. Sein Geschwindigkeitsvektor hat sich, wie aus der Zeichnung ersichtlich, um etwa 90 Grad gedreht (Winkel Alpha).

Die Raumsonde Voyager ist das am weitesten von der Erde entfernte von Menschenhand geschaffene Objekt. Es rast seit 40 Jahren durch den Weltraum und hat sein Hauptziel längst erfüllt - die Erforschung von Jupiter und Saturn. Fotos von fernen Planeten des Sonnensystems, die berühmtenBlass blau Punktund "Familienfoto", eine goldene Scheibe mit Informationen über die Erde - all dies sind glorreiche Seiten in der Geschichte der Voyager und der weltweiten Astronautik. Aber heute werden wir keine Hymnen auf das berühmte Gerät singen, sondern eine der Technologien analysieren, ohne die der vierzigjährige Flug einfach nicht stattgefunden hätte. Treffen Sie: Seine Majestät das Schwerkraftmanöver.

Die Gravitationsinteraktion, die am wenigsten verstandene der vier verfügbaren, gibt den Ton für die gesamte Astronautik an. Einer der Hauptausgabeposten beim Start eines Raumfahrzeugs sind die Kosten für die Kräfte, die benötigt werden, um das Gravitationsfeld der Erde zu überwinden. Und jedes Gramm Nutzlast eines Raumfahrzeugs ist zusätzlicher Treibstoff für eine Rakete. Es stellt sich als Paradoxon heraus: Um mehr mitzunehmen, braucht man mehr Treibstoff, der auch wiegt. Das heißt, um die Masse zu erhöhen, müssen Sie die Masse erhöhen. Das ist natürlich ein sehr verallgemeinertes Bild. In Wirklichkeit können Sie mit genauen Berechnungen die erforderliche Last aufnehmen und bei Bedarf erhöhen. Aber die Schwerkraft, wie Sheldon Cooper sagte, ist immer noch eine herzlose, ähm, Schlampe.

Wie so oft liegt in jedem Phänomen eine Doppelnatur. Dasselbe gilt für die Schwerkraft und die Raumfahrt. Der Mensch hat es geschafft, die Gravitationskraft der Planeten zum Vorteil seiner Raumflüge zu nutzen, und aus diesem Grund pflügt die Voyager seit vierzig Jahren den interstellaren Raum, ohne Treibstoff auszugeben.

Wer zuerst auf die Idee eines Gravitationsmanövers kam, ist nicht bekannt. Wenn Sie darüber nachdenken, können Sie die ersten Astronomen Ägyptens und Babylons erreichen, die in sternenklaren südlichen Nächten beobachteten, wie Kometen ihre Flugbahn und Geschwindigkeit ändern und an den Planeten vorbeiziehen.

Die erste formalisierte Idee eines Gravitationsmanövers stammte von Friedrich Arturovich Zander und Yuri Vasilyevich Kondratyuk in den 1920er und 30er Jahren, in der Ära der theoretischen Kosmonautik. Yuri Vasilyevich Kondratyuk (richtiger Name - Alexander Ivanovich Shargey) - ein herausragender sowjetischer Ingenieur und Wissenschaftler, der unabhängig von Tsiolkovsky selbst die Schemata einer Sauerstoff-Wasserstoff-Rakete erstellte und vorschlug, die Atmosphäre des Planeten zum Bremsen zu verwenden, entwickelte ein Projekt für ein Abstiegsfahrzeug zur Landung auf einem Himmelskörper, der später von der NASA für die Mondmission genutzt wurde. Friedrich Zander ist einer jener Menschen, die an den Ursprüngen der russischen Raumfahrt standen. Er war und leitete einige Jahre lang die GIRD – Rocket Propulsion Research Group, eine Gemeinschaft begeisterter Ingenieure, die die ersten Flüssigtreibstoff-Raketenprototypen bauten. In völliger Abwesenheit jeglichen materiellen Interesses wurde GIRD manchmal scherzhaft als eine Gruppe von Ingenieuren entschlüsselt, die für nichts arbeiten.

Juri Wassiljewitsch Kondratjuk
Quelle: wikimedia.org

Zwischen den Vorschlägen von Kondratyuk und Zander und der praktischen Umsetzung des Schwerkraftmanövers vergingen etwa fünfzig Jahre. Es ist nicht möglich, den ersten durch die Schwerkraft beschleunigten Apparat genau festzustellen - die Amerikaner behaupten, dies sei Mariner 10 im Jahr 1974. Wir sagen, es war Luna 3 im Jahr 1959. Das ist eine Frage der Geschichte, aber was genau ist ein Gravitationsmanöver?

Die Essenz des Gravitationsmanövers

Stellen Sie sich ein gewöhnliches Karussell im Hof ​​eines gewöhnlichen Hauses vor. Dann drehe es mental auf eine Geschwindigkeit von x Kilometern pro Stunde hoch. Nimm dann einen Gummiball in die Hand und wirf ihn mit einer Geschwindigkeit von y Stundenkilometern in das sich drehende Karussell. Pass nur auf deinen Kopf auf! Und was bekommen wir als Ergebnis?

Wichtig ist hierbei zu verstehen, dass die Gesamtgeschwindigkeit nicht absolut, sondern relativ zum Beobachtungspunkt bestimmt wird. Vom Karussell und von Ihrer Position aus prallt der Ball mit einer Geschwindigkeit x + y vom Karussell ab - die Summe für das Karussell und den Ball. Das Karussell überträgt also einen Teil seiner kinetischen Energie (genauer Impuls) auf die Kugel und beschleunigt diese dadurch. Darüber hinaus ist die Energiemenge, die vom Karussell verloren geht, gleich der Energiemenge, die auf die Kugel übertragen wird. Aber aufgrund der Tatsache, dass das Karussell groß und aus Gusseisen ist und der Ball klein und aus Gummi ist, fliegt der Ball mit hoher Geschwindigkeit zur Seite und das Karussell wird nur ein wenig langsamer.

Nun übertragen wir die Situation in den Weltraum. Stellen Sie sich einen normalen Jupiter in einem normalen Sonnensystem vor. Dann drehen Sie es gedanklich ... obwohl, halt, das ist nicht nötig. Stellen Sie sich einfach Jupiter vor. Ein Raumschiff fliegt an ihm vorbei und ändert unter dem Einfluss des Riesen seine Flugbahn und Geschwindigkeit. Diese Änderung kann als Hyperbel beschrieben werden – die Geschwindigkeit nimmt zuerst zu, wenn Sie sich nähern, und nimmt dann ab, wenn Sie sich entfernen. Aus der Sicht eines potenziellen Bewohners des Jupiter kehrte unser Raumschiff durch einen einfachen Richtungswechsel zu seiner ursprünglichen Geschwindigkeit zurück. Aber wir wissen, dass sich die Planeten um die Sonne drehen, und zwar mit hoher Geschwindigkeit. Jupiter zum Beispiel mit einer Geschwindigkeit von 13 km/s. Und wenn das Gerät vorbeifliegt, fängt Jupiter es mit seiner Schwerkraft auf und reißt es mit sich, wodurch es mit größerer Geschwindigkeit als zuvor nach vorne geschleudert wird! Dies ist der Fall, wenn Sie relativ zu seiner Bewegungsrichtung um die Sonne hinter dem Planeten fliegen. Wenn Sie davor fliegen, wird die Geschwindigkeit entsprechend sinken.

Schwerkraftmanöver. Quelle: wikimedia.org

Ein solches Schema erinnert an das Werfen von Steinen aus einer Schleuder. Daher ist eine andere Bezeichnung für das Manöver „Schwerkraftschleuder“. Je größer die Geschwindigkeit des Planeten und seine Masse, desto mehr können Sie auf seinem Gravitationsfeld beschleunigen oder verlangsamen. Dazu gibt es noch einen kleinen Trick – den sogenannten Orbet-Effekt.

Dieser nach Hermann Orbet benannte Effekt lässt sich ganz allgemein wie folgt beschreiben: Ein Strahltriebwerk, das sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, leistet mehr nützliche Arbeit als dasselbe, das sich langsam bewegt. Das heißt, der Motor des Raumfahrzeugs ist am "tiefsten" Punkt der Flugbahn am effizientesten, wo die Schwerkraft ihn am stärksten zieht. Wenn es in diesem Moment eingeschaltet wird, erhält es einen viel größeren Impuls von dem verbrannten Brennstoff, als es von gravitierenden Körpern erhalten würde.

Wenn wir all dies in einem einzigen Bild zusammenfassen, können wir eine sehr gute Beschleunigung erzielen. Jupiter zum Beispiel kann mit seiner eigenen Geschwindigkeit von 13 km / s das Schiff theoretisch um 42,7 km / s beschleunigen, Saturn - um 25 km / s, kleinere Planeten, Erde und Venus - um 7-8 km / s. Hier dreht sich sofort die Vorstellungskraft um: Was passiert, wenn wir einen theoretischen feuerfesten Apparat auf die Sonne schießen und von ihr weg beschleunigen? Dies ist in der Tat möglich, da sich die Sonne um den Massenmittelpunkt dreht. Aber lassen Sie uns breiter denken – was wird passieren, wenn wir an einem Neutronenstern vorbeifliegen, so wie McConaugheys Held in Interstellar an Gargantua (einem schwarzen Loch) vorbeiflog? Es wird eine Beschleunigung von etwa 1/3 der Lichtgeschwindigkeit geben. Wenn wir also ein geeignetes Schiff und einen Neutronenstern zur Verfügung hätten, könnte ein solches Katapult in nur 12 Jahren ein Schiff in die Region Proxima Centauri bringen. Aber das ist immer noch nur eine wilde Fantasie.

Voyager-Manöver

Als ich am Anfang des Artikels sagte, dass wir keine Hymnen auf die Voyager singen würden, habe ich gelogen. Erwähnenswert ist der schnellste und am weitesten entfernte Apparat der Menschheit, der in diesem Jahr ebenfalls sein 40-jähriges Bestehen feiert.

Die Idee, zu fernen Planeten zu reisen, wurde durch Gravitationsmanöver ermöglicht. Es wäre unfair, den damaligen UCLA-Studenten Michael Minovich nicht zu erwähnen, der die Auswirkungen einer Gravitationsschleuder berechnete und Professoren des Jet Propulsion Laboratory davon überzeugte, dass es selbst mit der in den 60er Jahren verfügbaren Technologie möglich war, zu fernen Planeten zu fliegen.

Foto von Jupiter, aufgenommen von der Voyager

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Es gibt eine andere Möglichkeit, ein Objekt auf eine Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen – den „Schleudereffekt". Wenn Raumsonden zu anderen Planeten geschickt werden, lässt die NASA sie manchmal um einen Nachbarplaneten manövrieren, um die „Schleuder" zu verwenden Effekt", um das Gerät weiter zu zerstreuen. So spart die NASA wertvollen Raketentreibstoff. So gelang es der Raumsonde Voyager 2, zum Neptun zu fliegen, dessen Umlaufbahn am äußersten Rand des Sonnensystems liegt.

Freeman Dyson, ein Physiker in Princeton, machte einen interessanten Vorschlag. Wenn es der Menschheit eines Tages in ferner Zukunft gelingt, zwei Neutronensterne im Weltraum zu entdecken, die mit hoher Geschwindigkeit um ein gemeinsames Zentrum kreisen, dann kann ein Erdschiff, das einem dieser Sterne sehr nahe fliegt, aufgrund eines Gravitationsmanövers einen erfassen Geschwindigkeit, die fast einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Infolgedessen würde das Schiff aufgrund der Schwerkraft auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Theoretisch könnte das passieren.

Nur in der Realität wird diese Art der Beschleunigung mit Hilfe der Schwerkraft nicht funktionieren. (Das Energieerhaltungsgesetz besagt, dass ein Achterbahnwagen, der beim Abstieg beschleunigt und beim Aufstieg langsamer wird, mit genau der gleichen Geschwindigkeit wie am Anfang oben ankommt - es gibt keine Energieerhöhung. Ebenso das Wickeln um die ruhende Sonne herum, werden wir mit genau der gleichen Geschwindigkeit beenden, mit der wir das Manöver begonnen haben.) Die Dyson-Methode mit zwei Neutronensternen könnte im Prinzip funktionieren, aber nur, weil sich Neutronensterne schnell bewegen. Ein Raumfahrzeug, das ein Gravitationsmanöver verwendet, erhält aufgrund der Bewegung eines Planeten oder Sterns eine Energieerhöhung. Wenn sie bewegungslos sind, wird ein solches Manöver nicht funktionieren.

Und Dysons Vorschlag, obwohl er funktionieren könnte, wird den heutigen Wissenschaftlern auf der Erde nicht helfen, weil der Besuch schnell rotierender Neutronensterne zuerst den Bau eines Raumschiffs erfordern würde.

Von der Waffe zum Himmel

Eine weitere geniale Möglichkeit, ein Schiff in den Weltraum zu bringen und auf fantastische Geschwindigkeiten zu beschleunigen, besteht darin, es aus einer elektromagnetischen „Kanone“ zu schießen, die Arthur C. Clarke und andere Science-Fiction-Autoren in ihren Werken beschrieben haben. Dieses Projekt wird derzeit ernsthaft als möglicher Teil des Star Wars-Raketenschilds in Betracht gezogen.

Die Methode besteht darin, die Energie des Elektromagnetismus zu verwenden, um die Rakete anstelle von Raketentreibstoff oder Schießpulver auf hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen.

Im einfachsten Fall besteht eine Railgun aus zwei parallelen Drähten oder Schienen; Das Raketenprojektil oder die Rakete "sitzt" auf beiden Schienen und bildet eine U-förmige Konfiguration. Schon Michael Faraday wusste, dass mit elektrischem Strom in einem Magnetfeld eine Kraft auf einen Rahmen wirkt. (Generell arbeiten alle Elektromotoren nach diesem Prinzip.) Wenn ein elektrischer Strom von Millionen Ampere durch die Schienen und das Projektil geleitet wird, entsteht um das gesamte System herum ein extrem starkes Magnetfeld, das wiederum den Antrieb antreibt Projektil entlang der Schienen, beschleunigen Sie es auf enorme Geschwindigkeit und werfen Sie es vom Ende des Schienensystems in den Weltraum.

Während der Tests feuerten schienenmontierte elektromagnetische Kanonen erfolgreich Metallobjekte mit enormer Geschwindigkeit ab und beschleunigten sie über eine sehr kurze Distanz. Bemerkenswerterweise kann eine gewöhnliche Schienenkanone theoretisch ein Metallprojektil mit einer Geschwindigkeit von 8 km / s abfeuern. Dies reicht aus, um es in eine erdnahe Umlaufbahn zu bringen. Im Prinzip könnte die gesamte NASA-Raketenflotte durch Railguns ersetzt werden, die eine Nutzlast direkt von der Erdoberfläche in den Orbit schießen würden.

Die Railgun hat erhebliche Vorteile gegenüber Chemiewaffen und Raketen. Wenn Sie eine Waffe abfeuern, ist die maximale Geschwindigkeit, mit der die expandierenden Gase die Kugel aus dem Lauf drücken können, durch die Geschwindigkeit der Druckwelle begrenzt. Jules Berne hat in dem klassischen Roman "Von der Erde zum Mond" ein Projektil mit Astronauten mit Schießpulver zum Mond geschossen, aber tatsächlich ist es einfach zu berechnen, dass die maximale Geschwindigkeit, die eine Pulverladung einem Projektil verleihen kann, um ein Vielfaches geringer ist als die Geschwindigkeit, die benötigt wird, um zum Mond zu fliegen. Die Railgun hingegen nutzt nicht die explosionsartige Ausdehnung von Gasen und ist daher in keiner Weise von der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Stoßwelle abhängig.

Aber die Railgun hat ihre eigenen Probleme. Objekte darauf beschleunigen so schnell, dass sie dazu neigen, aufgrund von Kollisionen ... mit Luft abgeflacht zu werden. Die Nutzlast wird stark verformt, wenn die Railgun aus der Mündung abgefeuert wird, denn wenn das Projektil in die Luft trifft, ist es, als würde man gegen eine Mauer prallen. Darüber hinaus erfährt das Projektil während der Beschleunigung eine enorme Beschleunigung, die an sich in der Lage ist, die Ladung stark zu verformen. Die Schienen müssen regelmäßig ausgetauscht werden, da das Projektil sie auch beim Bewegen verformt. Darüber hinaus sind Überlastungen in einer Railgun für Menschen tödlich; Menschliche Knochen können einer solchen Beschleunigung und einem Zusammenbruch einfach nicht standhalten.

Eine Lösung besteht darin, eine Railgun auf den Mond zu setzen. Dort, außerhalb der Erdatmosphäre, wird das Projektil im Vakuum des Weltraums ungehindert beschleunigen können. Aber auch auf dem Mond wird das Projektil beim Beschleunigen enormen Überlastungen ausgesetzt, die die Nutzlast beschädigen und verformen können. In gewisser Weise ist eine Railgun das Gegenteil eines Lasersegels, das mit der Zeit allmählich an Geschwindigkeit gewinnt. Die Grenzen der Railgun werden gerade dadurch bestimmt, dass sie auf kurze Distanz und in kurzer Zeit enorme Energie auf den Körper überträgt.

Eine Railgun, die ein Fahrzeug auf die nächsten Sterne abfeuern könnte, wäre eine sehr teure Konstruktion. So sieht eines der Projekte den Bau einer Schienenkanone im offenen Weltraum mit einer Länge von zwei Dritteln der Entfernung von der Erde zur Sonne vor. Diese Kanone müsste Sonnenenergie speichern und dann auf einmal verbrauchen, um eine Nutzlast von zehn Tonnen auf eine Geschwindigkeit zu beschleunigen, die einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit entspricht. In diesem Fall erfährt das "Projektil" eine Überlastung von 5000 g. Natürlich werden nur die ausdauerndsten Roboterschiffe einen solchen Start „überleben“ können.