On vaikea kuvitella, kuinka paljon polttoainetilaa olevat ajoneuvot ovat säästäneet painovoiman liikkeitä. Ne auttavat pääsemään jättiläisplaneettojen läheisyyteen ja jopa menemään ikuisesti aurinkokunnan ulkopuolelle. Jopa komeettojen ja asteroidien tutkimiseen suhteellisen lähellä meitä, edullisin lentorata voidaan laskea gravitaatioliikkeen avulla. Milloin idea "kosmisesta hihnasta" syntyi? Ja milloin se otettiin ensimmäisen kerran käyttöön?

Gravitaatioliikkeen luonnonilmiönä löysivät ensin menneisyyden tähtitieteilijät, jotka ymmärsivät, että merkittävät muutokset komeettojen kiertoradalla, niiden jaksossa (ja siten niiden kiertoradassa) tapahtuvat planeettojen painovoiman vaikutuksesta. Joten lyhytaikaisten komeettojen siirtymisen jälkeen Kuiper-vyöhykkeeltä aurinkokunnan sisäosaan, niiden kiertoradan merkittävä muutos tapahtuu juuri massiivisten planeettojen gravitaatiovaikutuksen alaisena, kulmamomentin vaihdon aikana niiden kanssa ilman mitään energiakustannukset.

Michael Minovich kehitti ajatuksen painovoiman käyttämisestä avaruuslennon tavoitteen saavuttamiseksi 60-luvulla, kun hän opiskeli opiskelijana NASAn Jet Propulsion Laboratoryssa. Gravitaatioliikkeen idea toteutettiin ensimmäisen kerran Mariner-10:n automaattisen planeettojenvälisen aseman lentoradalla, kun Venuksen painovoimakenttää käytettiin Merkuriuksen saavuttamiseen.

"Puhtaassa" gravitaatioliikkeessä nopeuksien moduulin yhtäläisyyden sääntö ennen taivaankappaleen lähestymistä ja sen jälkeen säilyy tiukasti. Vahvistus tulee ilmeiseksi, jos siirrymme planetosentrisistä koordinaateista heliosentrisiin. Tämä näkyy selvästi tässä esitetyssä kaaviossa, joka on mukautettu V. I. Levantovskyn kirjasta "Space Flight Mechanics". Ajoneuvon liikerata näkyy vasemmalla sellaisena kuin sen näkee planeetalla R oleva havainnoija. Nopeus v sisään "paikallisessa äärettömyydessä" on absoluuttisesti sama kuin v out. Kaikki, mitä tarkkailija huomaa, on muutos laitteen suunnassa. Heliosentrisissä koordinaateissa oleva tarkkailija näkee kuitenkin merkittävän muutoksen laitteen nopeudessa. Koska vain avaruusaluksen nopeuden moduuli suhteessa planeettaan säilyy ja se on verrattavissa itse planeetan kiertoradan nopeuden moduuliin, tuloksena oleva nopeuksien vektorisumma voi olla sekä suurempi että pienempi kuin ajoneuvon nopeus ennen lähestyy. Oikealla on vektorikaavio tällaisesta liikemäärän vaihdosta. V in ja v out tarkoittavat laitteen yhtäläisiä tulo- ja ulostulonopeuksia suhteessa planeettaan, ja V sbl, V remote ja V pl tarkoittavat laitteen lähestymis- ja poistumisnopeutta sekä planeetan kiertonopeutta heliosentrisinä koordinaatteina. ΔV:n lisäys on se nopeusimpulssi, jonka planeetta ilmoitti laitteelle. Tietenkin hetki, jonka laite itse lähettää planeetalle, on mitätön.

Siten tapaamispolun sopivalla valinnalla ei voida ainoastaan ​​muuttaa suuntaa, vaan myös merkittävästi lisätä laitteen nopeutta ilman, että sen energialähteitä kuluu.

Tämä kaavio ei näytä, että nopeus ensin kasvaa jyrkästi ja sitten laskee lopulliseen arvoon. Ballistikot eivät yleensä välitä tästä, he näkevät kulmamomentin vaihdon planeetalta tulevana "gravitaatiovaikutuksena", jonka kesto on mitätön verrattuna lennon kokonaiskestoon.

Gravitaatioliikkeessä kriittisiä ovat planeetan M massa, kohdealue d ja nopeus v in. Mielenkiintoista on, että nopeuden lisäys ΔV on suurin, kun v in on yhtä suuri kuin ympyränopeus lähellä planeetan pintaa.

Näin ollen jättiläisplaneettojen liikkeet ovat edullisimpia, ja ne lyhentävät huomattavasti lennon kestoa. Maan ja Venuksen lähellä olevia liikkeitä käytetään myös, mutta tämä pidentää merkittävästi avaruusmatkan kestoa.

Mariner 10 -operaation onnistumisen jälkeen painovoima-avustusliikkeitä on käytetty monissa avaruustehtävissä. Poikkeuksellisen onnistunut oli esimerkiksi Voyager-avaruusaluksen tehtävä, jonka avulla tehtiin tutkimuksia jättiläisplaneetoista ja niiden satelliiteista. Ajoneuvot laukaistiin Yhdysvalloissa syksyllä 1977, ja ne saavuttivat operaation ensimmäisen kohteen, Jupiterin, vuonna 1979. Saatuaan päätökseen Jupiterin ympärillä tehdyn tutkimusohjelman ja tutkittuaan sen satelliitteja ajoneuvot suorittivat gravitaatioliikkeen (käyttämällä Jupiterin gravitaatiokenttää), mikä mahdollisti niiden lähettämisen hieman eri liikeradalla Saturnukseen, jonka ne saavuttivat vuonna 1980 ja 1981. Seuraavaksi Voyager 1 suoritti monimutkaisen liikkeen ohittaakseen 5 000 kilometrin säteellä Saturnuksen kuusta Titanista ja päätyi sitten aurinkokunnasta poistumisradalle.

Voyager 2 suoritti myös toisen painovoimaliikkeen ja oli teknisistä ongelmista huolimatta suunnattu kohti seitsemättä planeettaa, Uranusta, joka kohdattiin vuoden 1986 alussa. Uranuksen lähestymisen jälkeen sen kentällä suoritettiin toinen gravitaatioliike, ja Voyager 2 suuntasi kohti Neptunusta. Täällä gravitaatioliikkeen ansiosta laite pääsi riittävän lähelle Neptunuksen satelliittia Tritonia.

Vuonna 1986 Venuksen lähellä tapahtuneen gravitaatioliikkeen ansiosta Neuvostoliiton avaruusalukset VEGA-1 ja VEGA-2 kohtasivat Halleyn komeetan.

Aivan vuoden 1995 lopulla Jupiterin saavutti uusi laite, Galileo, jonka lentorata valittiin gravitaatioliikkeen ketjuksi Maan ja Venuksen painovoimakentillä. Tämä mahdollisti laitteen vierailemaan asteroidivyöhykkeellä kahdesti kuudessa vuodessa ja pääsemään lähelle melko suuria Gaspran ja Idan kappaleita ja jopa palata Maahan kahdesti. Sen jälkeen, kun avaruusalus laukaistiin Yhdysvaltoihin syksyllä 1989, se lähetettiin Venukseen, jota se lähestyi helmikuussa 1990 ja palasi sitten Maahan joulukuussa 1990. Jälleen suoritettiin gravitaatioliike, ja laite meni asteroidivyön sisäosaan. Päästäkseen Jupiteriin Galileo palasi joulukuussa 1992 jälleen maan päälle ja lopulta laskeutui lentokurssille Jupiteriin.

Lokakuussa 1997, myös Yhdysvalloissa, Cassini-avaruusalus laukaistiin Saturnukseen. Hänen lentonsa ohjelma sisältää 4 gravitaatioliikettä: kaksi lähellä Venusta ja yksi lähellä Maata ja Jupiteria. Ensimmäisen Venuksen kohtaamisliikkeen jälkeen (huhtikuussa 1998) avaruusalus lähti Marsin kiertoradalle ja palasi jälleen (ilman Marsin osallistumista) Venukseen. Toinen Venus-operaatio (kesäkuu 1999) palautti Cassinin Maahan, jossa suoritettiin myös painovoima-avustus (elokuu 1999). Näin avaruusalus saavutti riittävän nopeuden nopeaan lentoon Jupiteriin, jossa joulukuun 2000 lopussa suoritetaan sen viimeinen lentomatka Saturnukseen. Laitteen pitäisi saavuttaa tavoitteet heinäkuussa 2004.

L. V. Ksanfomality, fys.-matematiikan tohtori. Sci., Avaruustutkimuslaitoksen laboratorion johtaja.

perinteinen näkemys

Aurinkokunnassa on erityiskappaleita - komeettoja.
Komeetta on pieni kappale, jonka koko on useita kilometrejä. Toisin kuin tavallinen asteroidi, komeetta sisältää erilaisia ​​jäätä: vettä, hiilidioksidia, metaania ja muita. Kun komeetta saapuu Jupiterin kiertoradalle, nämä jäät alkavat haihtua nopeasti, poistuvat komeetan pinnalta yhdessä pölyn kanssa ja muodostavat niin sanotun kooman - kiinteää ydintä ympäröivän kaasu- ja pölypilven. Tämä pilvi ulottuu satojen tuhansien kilometrien päähän ytimestä. Heijastuneen auringonvalon ansiosta komeetta (ei itse, vaan vain pilvi) tulee näkyviin. Ja kevyen paineen vuoksi osa pilvestä vetäytyy niin sanottuun häntään, joka ulottuu komeetta useiden miljoonien kilometrien päähän (katso kuva 2). Erittäin heikon painovoiman vuoksi kaikki kooman ja hännän ainekset menetetään peruuttamattomasti. Siksi komeetta voi lentäessään lähellä aurinkoa menettää useita prosentteja massastaan ​​ja joskus enemmänkin. Hänen elämänsä tähtitieteellinen aika on mitätön.
Mistä uudet komeetat tulevat?

Perinteisen kosmogonian mukaan ne ovat peräisin niin kutsutusta Oort-pilvestä. On yleisesti hyväksyttyä, että sadan tuhannen tähtitieteellisen yksikön etäisyydellä Auringosta (puolet etäisyydestä lähimpään tähteen) on valtava komeettojen säiliö. Lähimmät tähdet häiritsevät tätä säiliötä ajoittain, ja sitten joidenkin komeettojen kiertoradat muuttuvat niin, että niiden periheli on lähellä aurinkoa, sen pinnalla olevat kaasut alkavat haihtua muodostaen valtavan kooman ja hännän, ja komeetta tulee näkyviin teleskoopin läpi, ja joskus jopa paljaalla silmällä. Kuvassa on kuuluisa suuri komeetta Hale-Bopp, vuonna 1997.

Miten Oort-pilvi muodostui? Yleisesti hyväksytty vastaus on tämä. Aivan aurinkokunnan muodostumisen alussa jättiläisplaneettojen alueella muodostui monia jäisiä kappaleita, joiden halkaisija oli vähintään kymmenen kilometriä. Joistakin niistä tuli osa jättiläisplaneettoja ja niiden satelliitteja, ja osa sinkoutui aurinkokunnan reuna-alueille. Jupiterilla oli päärooli tässä prosessissa, mutta myös Saturnus, Uranus ja Neptunus käyttivät siihen painovoimakenttänsä. Yleisimmin tämä prosessi näytti tältä: komeetta lentää lähellä Jupiterin voimakasta gravitaatiokenttää ja muuttaa nopeuttaan niin, että se päätyy aurinkokunnan reuna-alueelle.

Totta, tämä ei riitä. Jos komeetan periheli on Jupiterin kiertoradan sisällä ja aphelion jossain reunalla, sen jakso on, kuten on helppo laskea, useita miljoonia vuosia. Aurinkokunnan olemassaolon aikana tällaisella komeetalla on aikaa lähestyä aurinkoa lähes tuhat kertaa ja kaikki sen kaasu, joka voi haihtua, haihtuu. Siksi oletetaan, että kun komeetta on reuna-alueella, lähimpien tähtien häiriöt muuttavat sen kiertorataa siten, että periheeli on myös hyvin kaukana Auringosta.

Prosessi on siis nelivaiheinen. 1. Jupiter heittää jääpalan aurinkokunnan reuna-alueille. 2. Lähin tähti muuttaa kiertorataa siten, että kiertoradan perihelion on myös kaukana Auringosta. 3. Tällaisella kiertoradalla jääpala pysyy turvallisena lähes useita miljardeja vuosia. 4. Toinen ohi kulkeva tähti häiritsee jälleen kiertorataa niin, että periheeli on lähellä aurinkoa. Tämän seurauksena jääpala lentää meitä kohti. Ja näemme sen kuin uusi komeetta.

Kaikki tämä näyttää melko uskottavalta nykyaikaisille kosmogonisteille. Mutta onko se? Katsotaanpa tarkemmin kaikkia neljää vaihetta.

PAINOVAINOHJEET

Ensimmäinen tapaaminen

Painovoimaan tutustuin ensimmäisen kerran 9. luokalla fysiikan alueolympialaisissa. Tehtävä oli tämä.
Maasta laukaistaan ​​raketti nopeudella V (riittävä lentääkseen pois painovoimakentästä). Raketissa on moottori työntövoimalla F, joka voi toimia ajan t. Millä hetkellä moottori pitää käynnistää, jotta raketin loppunopeus on suurin? Ohita ilmanvastus.

Aluksi minusta tuntui, että sillä ei ollut väliä milloin käynnistää moottori. Loppujen lopuksi, energian säilymislain vuoksi, raketin loppunopeuden on joka tapauksessa oltava sama. Jäi laskemaan raketin lopullinen nopeus kahdessa tapauksessa: 1. käynnistämme moottorin alussa, 2. käynnistämme moottorin poistuttuamme Maan painovoimakentästä. Vertaile sitten tuloksia ja varmista, että raketin loppunopeus on sama molemmissa tapauksissa. Mutta sitten muistin, että teho on yhtä kuin: vetovoima kertaa nopeus. Siksi rakettimoottorin teho on suurin, jos moottori käynnistetään heti käynnistyksessä, kun raketin nopeus on suurin. Joten oikea vastaus on: käynnistämme moottorin välittömästi, niin raketin lopullinen nopeus on suurin.

Ja vaikka ratkaisin ongelman oikein, mutta ongelma pysyi. Raketin lopullinen nopeus ja siten energia RIIPpuu siitä, milloin moottori käynnistetään. Se näyttää selvästi rikkovan energian säilymislakia. Tai ei? Mikä tässä on hätänä? Energiaa pitää säästää! Yritin vastata kaikkiin näihin kysymyksiin olympialaisten jälkeen.

Raketin työntövoima RIIPpuu sen nopeudesta. Tämä on tärkeä kohta ja keskustelun arvoinen.
Oletetaan, että meillä on M-massainen raketti, jonka moottori luo työntövoiman voimalla F. Laitetaan tämä raketti tyhjään tilaan (pois tähdistä ja planeetoista) ja käynnistetään moottori. Kuinka nopeasti raketti liikkuu? Tiedämme vastauksen Newtonin toisesta laista: kiihtyvyys A on yhtä suuri kuin:
A = F/M

Nyt siirrytään toiseen inertiavertailukehykseen, jossa raketti liikkuu suurella nopeudella, vaikkapa 100 km/s. Mikä on raketin kiihtyvyys tässä vertailukehyksessä?
Kiihtyvyys EI RIIPPU inertiavertailukehyksen valinnasta, joten se on SAMA:
A = F/M
Raketin massa ei myöskään muutu (100 km/s ei ole vielä relativistinen tapaus), joten työntövoima F on SAMA.
Ja siksi raketin teho RIIPpuu sen nopeudesta. Loppujen lopuksi teho on yhtä suuri kuin voima kertaa nopeus. Osoittautuu, että jos raketti liikkuu nopeudella 100 km / s, niin sen moottorin teho on 100 kertaa tehokkaampi kuin TÄYSIN SAMA moottori, joka sijaitsee raketissa, joka liikkuu nopeudella 1 km / s.

Ensi silmäyksellä tämä voi tuntua oudolta ja jopa paradoksaalliselta. Mistä valtava lisävoima tulee? Energiaa pitää säästää!
Tarkastellaan tätä asiaa.
Raketti liikkuu aina suihkun työntövoimalla: se heittää avaruuteen suurella nopeudella erilaisia ​​kaasuja. Varmuuden vuoksi oletetaan, että kaasujen päästön nopeus on 10 km/s. Jos raketti liikkuu nopeudella 1 km/s, niin sen moottori kiihdyttää pääasiassa ei rakettia, vaan ponneainetta. Siksi moottorin teho raketin kiihdyttämiseksi ei ole korkea. Mutta jos raketti liikkuu nopeudella 10 km / s, ulos purettu polttoaine on levossa suhteessa ulkoiseen tarkkailijaan, eli koko moottorin teho käytetään raketin kiihtyvyyteen. Ja jos raketti liikkuu nopeudella 100 km / s? Tässä tapauksessa ruiskutettu polttoaine liikkuu 90 km/s nopeudella. Toisin sanoen polttoaineen nopeus VÄHENTEE 100:sta 90 km/s:iin. Ja KAIKKI ero polttoaineen kineettisessä energiassa, joka johtuu energian säilymisen laista, siirretään rakettiin. Siksi rakettimoottorin teho tällaisilla nopeuksilla kasvaa merkittävästi.

Yksinkertaisesti sanottuna nopeasti liikkuvassa raketissa on paljon kineettistä energiaa ponneaineessaan. Ja tästä energiasta saadaan lisävoimaa raketin nopeuttamiseksi.

Nyt on vielä selvitettävä, kuinka tätä raketin ominaisuutta voidaan käyttää käytännössä.

Kokeilu käytännön soveltamiseen

Oletetaan, että aiot lähitulevaisuudessa lentää raketilla Saturnus-järjestelmään Titanilla (katso kuvat 1-3) tutkiaksesi anaerobisia elämänmuotoja. He lensivät Jupiterin kiertoradalle ja kävi ilmi, että raketin nopeus oli pudonnut lähes nollaan. Lentorataa ei laskettu oikein tai polttoaine osoittautui väärennökseksi :) . Tai ehkä meteoriitti osui polttoainelokeroon, ja melkein kaikki polttoaine katosi. Mitä tehdä?

Raketissa on moottori ja pieni määrä polttoainetta jäljellä. Mutta suurin, johon moottori pystyy, on lisätä raketin nopeutta 1 km / s. Tämä ei selvästikään riitä lentämään Saturnukseen. Ja nyt pilotti tarjoaa sellaisen vaihtoehdon.
"Astumme Jupiterin vetovoimakentälle ja putoamme sen päälle. Tämän seurauksena Jupiter kiihdyttää raketin valtavaan nopeuteen - noin 60 km / s. Kun raketti kiihtyy tähän nopeuteen, käynnistä moottori. Moottorin teho tällä nopeudella kasvaa monta kertaa. Sitten nousemme Jupiterin vetovoimakentältä. Tällaisen gravitaatioliikkeen seurauksena raketin nopeus ei kasva 1 km / s, vaan paljon enemmän. Ja voimme lentää Saturnukseen."
Mutta joku vastustaa.
"Kyllä, Jupiterin lähellä olevan raketin teho kasvaa. Raketti saa lisäenergiaa. Mutta lentäessämme ulos Jupiterin vetovoimakentästä menetämme kaiken tämän lisäenergian. Energian on pysyttävä Jupiterin potentiaalisessa kaivossa, muuten siellä on jotain ikuisen liikkeen kaltaista, ja tämä on mahdotonta. Siksi gravitaatioliikkeestä ei ole hyötyä. Me vain hukkaamme aikaamme."

Joten raketti ei ole kaukana Jupiterista ja on melkein liikkumaton suhteessa siihen. Raketissa on moottori, jossa on tarpeeksi polttoainetta lisäämään raketin nopeutta vain 1 km/s. Moottorin tehokkuuden lisäämiseksi ehdotetaan gravitaatioliikkeen suorittamista: "pudota" raketti Jupiteriin. Hän liikkuu hänen vetovoimakentässään paraabelia pitkin (katso kuva). Ja lentoradan alimmassa kohdassa (merkitty kuvassa punaisella ristillä) kytkeytyy päälle l moottori. Raketin nopeus Jupiterin lähellä tulee olemaan 60 km/s. Kun moottori kiihdyttää sitä edelleen, raketin nopeus nousee 61 km / s. Mikä on raketin nopeus, kun se lähtee Jupiterin painovoimakentästä?

Tämä tehtävä on lukiolaisen voimissaan, jos hän tietysti tuntee fysiikan hyvin. Ensin sinun on kirjoitettava kaava potentiaalisten ja kineettisten energioiden summalle. Muista sitten kaava potentiaalienergialle pallon gravitaatiokentässä. Katso viitekirjasta, mikä on gravitaatiovakio sekä Jupiterin massa ja sen säde. Hanki yleinen lopullinen kaava käyttämällä energian säilymisen lakia ja suorittamalla algebrallisia muunnoksia. Ja lopuksi, korvaamalla kaikki luvut kaavassa ja tekemällä laskelmat, saat vastauksen. Ymmärrän, että kukaan (lähes kukaan) ei halua syventyä joihinkin kaavoihin, joten yritän rasittamatta sinua millään yhtälöllä selittää tämän ongelman ratkaisun "sormilla". Toivottavasti se toimii! :) .

Jos raketti on paikallaan, sen liike-energia on nolla. Ja jos raketti liikkuu nopeudella 1 km / s, oletamme, että sen energia on 1 yksikkö. Vastaavasti, jos raketti liikkuu nopeudella 2 km / s, sen energia on 4 yksikköä, jos 10 km / s, niin 100 yksikköä jne. Tämä on selvää. Olemme jo ratkaisseet puolet ongelmasta.
Ristillä merkityssä kohdassa (katso kuva) raketin nopeus on 60 km/s ja energiaa 3600 yksikköä. 3600 yksikköä riittää lentämään pois Jupiterin vetovoimakentältä. Raketin kiihtymisen jälkeen sen nopeudeksi tuli 61 km / s ja vastaavasti energiaksi 61 neliötä (otamme laskimen) 3721 yksikköä. Kun raketti lentää Jupiterin painovoimakentästä, se kuluttaa vain 3600 yksikköä. 121 kpl jäljellä. Tämä vastaa nopeutta (otetaan neliöjuuri) 11 km/s. Ongelma ratkaistu. Tämä ei ole likimääräinen, vaan TARKKA vastaus.

Näemme, että gravitaatioliikettä voidaan käyttää lisäenergian saamiseksi. Sen sijaan, että raketti kiihdytetään nopeuteen 1 km / s, se voidaan kiihdyttää 11 km / s: iin (121 kertaa enemmän energiaa, tehokkuus - 12 tuhatta prosenttia!), Jos lähellä on massiivinen kappale, kuten Jupiter.

Minkä takia saimme valtavan energialisäyksen? Johtuen siitä, että he eivät jättäneet käytettyä polttoainetta tyhjään tilaan raketin lähelle, vaan Jupiterin luomaan syvään potentiaalikaivoon. Käytetty polttoaine sai suuren potentiaalienergian MIINUS-merkillä. Siksi raketti sai suuren kineettisen energian PLUS-merkillä.

Vektorin kierto

Oletetaan, että lennämme rakettia lähellä Jupiteria ja haluamme lisätä sen nopeutta. Mutta meillä ei ole polttoainetta. Sanotaanpa, että meillä on vähän polttoainetta kurssimme korjaamiseen. Mutta se ei selvästikään riitä hajottamaan rakettia. Voimmeko lisätä raketin nopeutta huomattavasti painovoimaavustuksen avulla?
Yleisimmässä muodossaan tämä tehtävä näyttää tältä. Lennämme Jupiterin gravitaatiokenttään jollain nopeudella. Sitten lennämme kentältä. Muuttuuko vauhtimme? Ja kuinka paljon se voi muuttua?
Ratkaistaan ​​tämä ongelma.

Jupiterilla olevan (tai pikemminkin paikallaan suhteessa sen massakeskukseen) tarkkailijan näkökulmasta toimintamme näyttää tältä. Ensin raketti on suurella etäisyydellä Jupiterista ja liikkuu sitä kohti nopeudella V. Sitten Jupiteria lähestyttäessä se kiihtyy. Tässä tapauksessa raketin lentorata on kaareva ja, kuten tiedetään, yleisimmässä muodossaan hyperboli. Raketin suurin nopeus on minimilähestymisessä. Tärkeintä tässä ei ole törmätä Jupiteriin, vaan lentää sen vieressä. Minimilähestymisen jälkeen raketti alkaa liikkua pois Jupiterista ja sen nopeus laskee. Lopulta raketti lentää ulos Jupiterin painovoimakentästä. Mikä on hänen nopeusnsa? Täsmälleen sama kuin saapuessa. Raketti lensi Jupiterin gravitaatiokenttään nopeudella V ja lensi sieltä ulos täsmälleen samalla nopeudella V. Onko mikään muuttunut? Ei ole muuttunut. Nopeuden SUUNTA on muuttunut. On tärkeää. Tämän ansiosta voimme suorittaa gravitaatioliikkeen.

Meille ei todellakaan ole tärkeää raketin nopeus suhteessa Jupiteriin, vaan sen nopeus suhteessa aurinkoon. Tämä on niin kutsuttu heliosentrinen nopeus. Tällä nopeudella raketti liikkuu aurinkokunnan läpi. Jupiter liikkuu myös aurinkokunnan ympäri. Raketin heliosentrinen nopeusvektori voidaan jakaa kahden vektorin summaksi: Jupiterin kiertoradan nopeudeksi (noin 13 km/s) ja raketin nopeudeksi SUHTEELLISESTI Jupiteriin nähden. Tässä ei ole mitään monimutkaista! Tämä on tavallinen kolmiosääntö vektorin yhteenlaskulle, joka opetetaan 7. luokalla. Ja tämä sääntö riittää ymmärtämään painovoimaliikkeen olemuksen.

Meillä on neljä nopeutta. U(1) on rakettimme nopeus suhteessa aurinkoon ENNEN painovoima-apua. V(1) on raketin nopeus suhteessa Jupiteriin ENNEN painovoimaapua. V(2) on raketin nopeus suhteessa Jupiteriin painovoima-avustuksen JÄLKEEN. V(1) ja V(2) ovat yhtä suuria, mutta ne ovat eri suunnassa. U(2) on raketin nopeus suhteessa aurinkoon painovoima-avustuksen JÄLKEEN. Katso kuvasta, kuinka kaikki nämä neljä nopeutta liittyvät toisiinsa.

Vihreä nuoli AO on Jupiterin nopeus sen kiertoradalla. Punainen nuoli AB on U(1): rakettimme nopeus suhteessa aurinkoon ENNEN painovoima-apua. Keltainen nuoli OB on rakettimme nopeus suhteessa Jupiteriin ENNEN gravitaatioliikettä. Keltainen käyttöjärjestelmän nuoli on raketin nopeus suhteessa Jupiteriin painovoima-avustuksen JÄLKEEN. Tämän nopeuden TÄYTYY olla jossain OB-säteen keltaisessa ympyrässä. Koska Jupiter EI VOI muuttaa koordinaattijärjestelmässään raketin nopeuden arvoa, vaan voi vain kiertää sitä tietyn kulman verran (alfa). Ja lopuksi, AC on mitä tarvitsemme: U(2) raketin nopeus painovoima-avustuksen JÄLKEEN.

Katso kuinka yksinkertaista se on. Raketin nopeus painovoima-avustimen AC JÄLKEEN on yhtä suuri kuin raketin nopeus ENNEN painovoima-avustusta AB plus vektori BC. Ja BC-vektori on MUUTOS raketin nopeudessa Jupiterin viitekehyksessä. Koska OS - OB = OS + IN = IN + OS = BC. Mitä enemmän raketin nopeusvektori pyörii suhteessa Jupiteriin, sitä tehokkaampi gravitaatioliike on.

Joten raketti ILMAN polttoainetta lentää Jupiterin (tai toisen planeetan) gravitaatiokenttään. Sen nopeuden suuruus ENNEN ja JÄLKEEN liikettä suhteessa Jupiteriin EI MUUTU. Mutta johtuen nopeusvektorin pyörimisestä suhteessa Jupiteriin, raketin nopeus suhteessa Jupiteriin muuttuu edelleen. Ja tämän muutoksen vektori yksinkertaisesti lisätään raketin nopeusvektoriin ENNEN liikettä. Toivottavasti selitin kaiken selkeästi.

Ymmärtääksemme paremmin gravitaatioliikkeen olemusta, analysoimme sen Voyager 2:n esimerkillä, joka lensi lähellä Jupiteria 9. heinäkuuta 1979. Kuten kaaviosta voidaan nähdä (katso kuva), hän lensi Jupiteriin nopeudella 10 km / s ja lensi ulos gravitaatiokentästään nopeudella 20 km / s. Vain kaksi numeroa: 10 ja 20.
Yllätyt kuinka paljon tietoa voidaan poimia näistä luvuista:
1. Laskemme, mikä nopeus Voyager 2:lla oli, kun se lähti Maan painovoimakentästä.
2. Etsitään kulma, jossa laite lähestyi Jupiterin kiertorataa.
3. Laske vähimmäisetäisyys, jonka Voyager 2 lensi Jupiteriin.
4. Selvitetään, miltä sen liikerata näytti suhteessa Jupiterilla sijaitsevaan tarkkailijaan.
5. Etsi kulma, jolla avaruusalus poikkesi Jupiterin kohtaamisen jälkeen.

Emme käytä monimutkaisia ​​kaavoja, vaan teemme laskelmat, kuten tavallista, "sormilla", joskus käyttämällä yksinkertaisia ​​piirustuksia. Saamamme vastaukset ovat kuitenkin tarkkoja. Sanotaan vain, että ne eivät ehkä ole tarkkoja, koska luvut 10 ja 20 eivät todennäköisesti ole tarkkoja. Ne on otettu kaaviosta ja pyöristetty. Lisäksi muut käyttämämme luvut pyöristetään. Loppujen lopuksi meille on tärkeää ymmärtää gravitaatioliike. Siksi otamme luvut 10 ja 20 tarkkoina, jotta on mitä rakentaa.

Ratkaistaan ​​ensimmäinen tehtävä.
Sovitaan, että 1 km/s nopeudella liikkuvan Voyager-2:n energia on 1 yksikkö. Minimilähtönopeus aurinkokunnasta Jupiterin kiertoradalta on 18 km/s. Tämän nopeuden kaavio on valokuvassa, mutta se sijaitsee näin. Jupiterin kiertoratanopeus (noin 13 km / s) on kerrottava kahdella. Jos Voyager 2:n nopeus Jupiteria lähestyttäessä olisi 18 km/s (energia 324 yksikköä), niin sen kokonaisenergia (kinetiikan ja potentiaalin summa) Auringon gravitaatiokentässä olisi TARPEEN nolla. Mutta Voyager 2:n nopeus oli vain 10 km / s ja energia oli 100 yksikköä. Eli vähemmän kuin:
324-100 = 224 yksikköä.
Tämä energian puute SISÄLTYY, kun Voyager 2 matkustaa Maasta Jupiteriin.
Minimilähtönopeus aurinkokunnasta Maan kiertoradalta on noin 42 km/s (hieman enemmän). Sen löytämiseksi sinun on kerrottava Maan kiertonopeus (noin 30 km / s) kahdella. Jos Voyager 2 liikkuisi pois Maasta nopeudella 42 km/s, sen liike-energia olisi 1764 yksikköä (42 neliötä) ja kokonaismäärä olisi nolla. Kuten olemme jo havainneet, Voyager 2:n energia oli alle 224 yksikköä, eli 1764 - 224 = 1540 yksikköä. Otamme tämän luvun juuren ja löydämme nopeuden, jolla Voyager 2 lensi ulos Maan painovoimakentästä: 39,3 km/s.

Kun avaruusalus laukaistaan ​​maasta aurinkokunnan ulompaan osaan, se laukaistaan ​​pääsääntöisesti Maan kiertoradalla. Tässä tapauksessa Maan liikkeen nopeus LISÄÄN laitteen nopeuteen, mikä johtaa valtavaan energian nousuun.

Ja miten nopeuden SUUNTA-ongelma on ratkaistu? Erittäin yksinkertainen. He odottavat, kunnes Maa saavuttaa halutun osan kiertoradastaan, jotta sen nopeuden suunta on se, jota tarvitaan. Sanotaan, että kun laukaistat raketin Marsiin, siellä on pieni "ikkuna", jossa se on erittäin kätevä laukaista. Jos laukaisu jostain syystä epäonnistui, voit olla varma, että seuraava yritys on aikaisintaan kaksi vuotta myöhemmin.

Kun viime vuosisadan 70-luvun lopulla jättiläisplaneetat asettuivat tietyssä järjestyksessä, monet tiedemiehet - taivaanmekaniikan asiantuntijat ehdottivat hyödyntää onnellista onnettomuutta näiden planeettojen sijainnissa. Ehdotettiin projektia Grand Tourin toteuttamiseksi pienin kustannuksin - matka KAIKILLE jättimäisille planeetoille kerralla. Mikä onnistui menestyksellä.
Jos meillä olisi rajattomasti resursseja ja polttoainetta, voisimme lentää missä haluamme ja milloin haluamme. Mutta koska energiaa täytyy säästää, tutkijat suorittavat vain energiatehokkaita lentoja. Voit olla varma, että Voyager 2 laukaistiin Maan liikkeen suunnassa.
Kuten aiemmin laskimme, sen nopeus suhteessa aurinkoon oli 39,3 km/s. Kun Voyager 2 lensi Jupiteriin, sen nopeus putosi 10 km/s. Minne hänet lähetettiin?
Tämän nopeuden projektio Jupiterin kiertoradan nopeuteen voidaan löytää liikemäärän säilymislaista. Jupiterin kiertoradan säde on 5,2 kertaa Maan kiertoradan säde. Joten sinun on jaettava 39,3 km / s luvulla 5,2. Saamme 7,5 km/s. Eli tarvitsemamme kulman kosini on 7,5 km/s (Voyager-nopeusprojektio) jaettuna 10 km/s:lla (Voyager-nopeus), saamme 0,75. Itse kulma on 41 astetta. Tässä kulmassa Voyager 2 lensi Jupiterin kiertoradalle.

Tietäen Voyager 2:n nopeuden ja sen liikesuunnan, voimme piirtää geometrisen kaavion painovoima-avusta. Se tehdään näin. Valitsemme pisteen A ja piirrämme siitä Jupiterin kiertoradan nopeuden vektorin (13 km / s valitulla asteikolla). Tämän vektorin loppu (vihreä nuoli) on merkitty O-kirjaimella (katso kuva 1). Sitten pisteestä A piirrämme Voyager 2:n nopeusvektorin (10 km/s valitulla asteikolla) 41 asteen kulmassa. Tämän vektorin loppu (punainen nuoli) on merkitty kirjaimella B.
Nyt rakennetaan ympyrä (keltainen väri), jonka keskipiste on pisteessä O ja säde |OB| (katso kuva 2). Nopeusvektorin loppu sekä ennen gravitaatioliikettä että sen jälkeen voi olla vain tällä ympyrällä. Nyt piirretään ympyrä, jonka säde on 20 km/s (valitussa mittakaavassa), jonka keskipiste on piste A. Tämä on Voyagerin nopeus painovoima-avustuksen jälkeen. Se leikkaa keltaisen ympyrän jossain pisteessä C.

Olemme piirtäneet painovoima-avustuksen, jonka Voyager 2 suoritti 9. heinäkuuta 1979. AO on Jupiterin kiertoradan nopeusvektori. AB on nopeusvektori, jolla Voyager 2 lähestyi Jupiteria. Kulma OAB on 41 astetta. AC on Voyager 2:n nopeusvektori painovoima-avustuksen JÄLKEEN. Piirustuksesta voidaan nähdä, että kulma OAC on noin 20 astetta (puolet kulmasta OAB). Haluttaessa tämä kulma voidaan laskea tarkasti, koska kaikki piirustuksen kolmiot on annettu.
OB on nopeusvektori, jolla Voyager 2 lähestyi Jupiteria, Jupiterilla olevan tarkkailijan KUVAUS. OS - Matkailijan nopeusvektori liikkeen jälkeen suhteessa Jupiterilla olevaan tarkkailijaan.

Jos Jupiter ei pyörisi ja olisit auringon alla (Aurinko on zeniitissään), näkisit Voyager 2:n liikkuvan lännestä itään. Ensin se ilmestyi taivaan länsiosassa, sitten lähestyessään saavutti Zenitin, lensi lähellä aurinkoa ja katosi sitten horisontin taakse idässä. Sen nopeusvektori on kääntynyt, kuten piirroksesta näkyy, noin 90 astetta (kulma alfa).

Voyager-avaruusalus on kauimpana maan muodostama esine. Se on ryntänyt avaruuden halki 40 vuoden ajan saavuttaen pitkään päätavoitteensa - Jupiterin ja Saturnuksen tutkimuksen. Kuvia aurinkokunnan kaukaisista planeetoista, kuuluisistaKalpea sininen pisteja "Family Photo", kultainen levy, jossa on tietoa maapallosta - kaikki nämä ovat loistavia sivuja Voyagerin ja maailman astronautiikan historiassa. Mutta tänään emme laula hymnejä kuuluisalle laitteelle, vaan analysoimme yhtä tekniikoista, joita ilman neljänkymmenen vuoden lentoa ei yksinkertaisesti olisi tapahtunut. Tapaa: Hänen Majesteettinsa painovoimaliike.

Gravitaatiovuorovaikutus, joka on vähiten ymmärretty neljästä saatavilla olevasta, asettaa sävyn kaikelle astronautialle. Yksi tärkeimmistä kustannuseristä avaruusaluksen laukaisun aikana on niiden voimien kustannukset, joita tarvitaan maan vetovoimakentän voittamiseksi. Ja jokainen gramma avaruusaluksen hyötykuormaa on ylimääräistä polttoainetta raketissa. Osoittautuu paradoksi: ottaaksesi enemmän, tarvitset enemmän polttoainetta, joka myös painaa. Eli lisätäksesi massaa, sinun on lisättävä massaa. Tämä on tietysti hyvin yleistetty kuva. Todellisuudessa tarkat laskelmat antavat sinun ottaa tarvittavan kuorman ja lisätä sitä tarpeen mukaan. Mutta painovoima, kuten Sheldon Cooper sanoi, on edelleen sydämetön, heh, narttu.

Kuten usein tapahtuu, kaikissa ilmiöissä on kaksinainen luonne. Sama pätee painovoimaan ja astronautiikkaan. Ihminen onnistui hyödyntämään planeettojen vetovoimaa avaruuslentojensa hyväksi, ja tämän ansiosta Voyager on kyntänyt tähtienvälistä avaruutta neljäkymmentä vuotta kuluttamatta polttoainetta.

Ei tiedetä, kuka ensimmäisenä keksi ajatuksen gravitaatioliikkeestä. Jos ajattelet sitä, voit tavoittaa ensimmäiset Egyptin ja Babylonin tähtitieteilijät, jotka tähtikirkkaisina eteläisinä öinä katselivat, kuinka komeetat muuttavat lentorataa ja nopeutta kulkeessaan planeettojen ohi.

Ensimmäinen muotoiltu idea gravitaatioliikkeestä tuli Friedrich Arturovitš Zanderin ja Juri Vasilyevich Kondratyukin huulilta 1920- ja 30-luvuilla, teoreettisen kosmonautikan aikakaudella. Juri Vasilyevich Kondratyuk (oikea nimi - Alexander Ivanovich Shargey) - erinomainen Neuvostoliiton insinööri ja tiedemies, joka Tsiolkovskista riippumatta loi itse happi-vetyraketin suunnitelmat, ehdotti planeetan ilmakehän käyttöä jarrutukseen, kehitti projektin laskeutumisajoneuvolle. laskeutumiseen taivaankappaleelle, jota NASA käytti myöhemmin kuun tehtävään. Friedrich Zander on yksi niistä ihmisistä, jotka seisoivat venäläisen astronautiikan alkuperässä. Hän oli ja johti joitakin vuosia GIRD - Rocket Propulsion Research Group -ryhmässä, innostuneiden insinöörien yhteisössä, joka rakensi ensimmäiset nestemäistä polttoainetta käyttävien rakettien prototyypit. Täydellisen aineellisen intressin puuttuessa GIRD tulkittiin joskus leikkimielisesti turhaan työskenteleväksi insinööriryhmäksi.

Juri Vasilievich Kondratyuk
Lähde: wikimedia.org

Kondratyukin ja Zanderin ehdotusten ja painovoimaliikkeen käytännön toteuttamisen välillä kului noin viisikymmentä vuotta. Ensimmäistä painovoiman kiihdytettyä laitetta ei ole mahdollista määrittää tarkasti - amerikkalaiset väittävät, että tämä on Mariner 10 vuonna 1974. Sanomme, että se oli Luna 3 vuonna 1959. Tämä on historian kysymys, mutta mikä on painovoimaliike?

Gravitaatioliikkeen ydin

Kuvittele tavallinen karuselli tavallisen talon pihalla. Pyöritä sitä sitten henkisesti x kilometriä tunnissa. Ota sitten kumipallo käteesi ja heitä se pyörivään karuselliin y kilometrin tuntinopeudella. Pidä vain huolta päästäsi! Ja mitä saamme tuloksena?

Tässä on tärkeää ymmärtää, että kokonaisnopeutta ei määritetä absoluuttisesti, vaan suhteessa havaintopisteeseen. Karusellilta ja omalta paikaltasi pallo pomppii karusellilta nopeudella x + y - karusellin ja pallon kokonaissumma. Näin ollen karuselli siirtää osan kineettisestä energiastaan ​​(tarkemmin sanottuna liikevoimastaan) palloon kiihdyttäen sitä. Lisäksi karusellista menetetty energiamäärä on yhtä suuri kuin palloon siirtynyt energiamäärä. Mutta koska karuselli on suuri ja valurautainen ja pallo on pieni ja kumia, pallo lentää suurella nopeudella sivulle ja karuselli vain hidastaa vähän.

Siirretään nyt tilanne avaruuteen. Kuvittele tavallinen Jupiter normaalissa aurinkokunnassa. Pyöritä sitten sitä henkisesti... vaikka lopeta, tämä ei ole välttämätöntä. Kuvittele vain Jupiter. Avaruusalus lentää hänen ohitseen ja muuttaa jättiläisen vaikutuksen alaisena lentorataa ja nopeutta. Tätä muutosta voidaan kuvata hyperbola - nopeus ensin kasvaa lähestyessäsi ja sitten pienenee, kun siirryt pois. Jupiterin potentiaalisen asukkaan näkökulmasta avaruusaluksemme palasi alkuperäiseen nopeuteen yksinkertaisesti vaihtamalla suuntaa. Mutta tiedämme, että planeetat pyörivät Auringon ympäri, ja jopa suurella nopeudella. Jupiter esimerkiksi nopeudella 13 km/s. Ja kun laite lentää ohi, Jupiter ottaa sen kiinni painovoimallaan ja vetää sitä mukanaan heittäen sen eteenpäin suuremmalla nopeudella kuin se oli ennen! Tämä tapahtuu, jos lennät planeetan takana suhteessa sen liikkeen suuntaan Auringon ympäri. Jos lennät sen edessä, nopeus vastaavasti laskee.

painovoiman liikettä. Lähde: wikimedia.org

Tällainen järjestelmä muistuttaa kivien heittämistä hihnasta. Siksi liikkeen toinen nimi on "painovoimahihna". Mitä suurempi planeetan nopeus ja massa on, sitä enemmän voit kiihdyttää tai hidastaa sen painovoimakenttää. On myös pieni temppu - niin kutsuttu Orbet-efekti.

Hermann Orbetin mukaan nimetty vaikutus voidaan kuvata yleisimmin seuraavasti: suurella nopeudella liikkuva suihkumoottori tekee hyödyllisempää työtä kuin sama, joka liikkuu hitaasti. Toisin sanoen avaruusaluksen moottori on tehokkain lentoradan "matalimmassa" kohdassa, missä painovoima vetää sitä eniten. Tällä hetkellä kytkettynä se saa paljon suuremman impulssin palavasta polttoaineesta kuin se saisi pois gravitaatiokappaleista.

Laittamalla tämä kaikki yhteen kuvaan, voimme saada erittäin hyvän kiihtyvyyden. Esimerkiksi Jupiter, omalla nopeudellaan 13 km / s, voi teoriassa kiihdyttää alusta 42,7 km / s, Saturnus - 25 km / s, pienemmät planeetat, Maa ja Venus - 7-8 km / s. Tässä mielikuvitus käynnistyy heti: mitä tapahtuu, jos laukaisemme teoreettisen tulenkestävän laitteen aurinkoa kohti ja kiihdymme pois siitä? Tämä on todellakin mahdollista, koska aurinko pyörii massakeskuksen ympäri. Mutta ajatelkaamme laajemmin - mitä tapahtuu, jos lensimme neutronitähden ohi, kun McConaugheyn sankari lensi tähtienvälisen Gargantuan (mustan aukon) ohi? Kiihtyvyys on noin 1/3 valon nopeudesta. Joten jos meillä olisi käytettävissämme sopiva alus ja neutronitähti, niin tällainen katapultti voisi laukaista laivan Proxima Centaurin alueelle vain 12 vuodessa. Mutta tämä on silti vain villi fantasia.

Voyager-liikkeet

Kun sanoin artikkelin alussa, että emme laulaisi hymnejä Voyagerille, valehtelin. Ihmiskunnan nopein ja kaukaisin laite, joka myös täyttää tänä vuonna 40 vuotta, on mainitsemisen arvoinen.

Ajatus lähteä kaukaisille planeetoille tehtiin gravitaatioliikkeen ansiosta. Olisi epäreilua olla mainitsematta silloista UCLA:n jatko-opiskelijaa Michael Minovichia, joka laski gravitaatiohihnan vaikutukset ja vakuutti Jet Propulsion Laboratoryn professorit, että jopa 60-luvulla saatavilla olevalla tekniikalla oli mahdollista lentää kaukaisille planeetoille.

Voyagerin ottama valokuva Jupiterista

Painovoimaharjoitus kohteen nopeuttamiseksi Painovoimaharjoitus kohteen hidastamiseksi Painovoimaharjoitus avaruusaluksen lennon kiihdyttämiseksi, hidastamiseksi tai suunnan muuttamiseksi taivaankappaleiden painovoimakenttien vaikutuksesta ... ... Wikipedia

Painovoimaharjoitus kohteen nopeuttamiseksi Painovoimaharjoitus kohteen hidastamiseksi Painovoimaharjoitus avaruusaluksen lennon kiihdyttämiseksi, hidastamiseksi tai suunnan muuttamiseksi taivaankappaleiden painovoimakenttien vaikutuksesta ... ... Wikipedia

- ... Wikipedia

Tämä on yksi kartiomaisen poikkileikkauksen avulla muodostettujen esineiden tärkeimmistä geometrisista parametreista. Sisältö 1 Ellipsi 2 Paraabeli 3 Hyperbola ... Wikipedia

Keinotekoinen satelliitti on kiertorata, jonka tarkoituksena (yleisessä tapauksessa) on siirtää satelliitti kiertoradalle, jolla on eri kaltevuus. Tällaista liikettä on kahta tyyppiä: Radan kaltevuuden muuttaminen päiväntasaajalle. Tuotanto sisällyttämällä ... ... Wikipedia

Taivaanmekaniikan haara, joka tutkii keinotekoisten avaruuskappaleiden liikettä: keinotekoiset satelliitit, planeettojen väliset asemat ja muut avaruusalukset. Astrodynamiikan tehtäviin kuuluu avaruusalusten kiertoradan laskeminen, parametrien määrittäminen ... ... Wikipedia

Astronautiikassa Oberth-ilmiö on vaikutus, että suurella nopeudella liikkuva rakettimoottori tuottaa enemmän käyttökelpoista energiaa kuin sama moottori, joka liikkuu hitaasti. Oberthin vaikutus johtuu siitä, että kun ... ... Wikipedia

Asiakas... Wikipedia

Ja kahden kappaleen järjestelmän ekvipotentiaalipinnat Lagrange-pisteet, libraatiopisteet (lat. librātiō keinuvat) tai L-pisteet ... Wikipedia

Kirjat

• 1900-luvun asioita piirustuksissa ja valokuvissa. Eteenpäin avaruuteen! Löytöjä ja saavutuksia. 2 kirjan setti,. "Eteenpäin, avaruuteen! Löytöjä ja saavutuksia" Ihminen on muinaisista ajoista lähtien haaveillut irtautumisesta maasta ja valloittavansa taivaan ja sitten avaruuden. Yli sata vuotta sitten keksijät ajattelivat jo luoda...
• Eteenpäin avaruuteen! Löydöt ja saavutukset, Klimentov Vjatšeslav Lvovitš, Sigorskaja Julia Aleksandrovna. Muinaisista ajoista lähtien ihminen on haaveillut irtautumisesta maasta ja valloittavansa taivaan ja sitten avaruuden. Yli sata vuotta sitten keksijät ajattelivat jo avaruusalusten luomista, mutta avaruuden alku ...

On toinenkin tapa kiihdyttää kohde nopeuteen, joka on lähellä valonnopeutta - käyttää "sling-efektiä". Kun NASA lähettää avaruusluotaimia muille planeetoille, NASA pakottaa ne joskus liikkumaan naapuriplaneetan ympäri käyttääkseen "lintua". vaikutus" hajottaa laitetta edelleen. Näin NASA säästää arvokasta rakettipolttoainetta. Näin Voyager 2 -avaruusalus onnistui lentämään Neptunukseen, jonka kiertorata sijaitsee aurinkokunnan reunalla.

Princetonin fyysikko Freeman Dyson teki mielenkiintoisen ehdotuksen. Jos joskus kaukaisessa tulevaisuudessa ihmiskunta onnistuu havaitsemaan avaruudesta kaksi neutronitähteä, jotka pyörivät suurella nopeudella yhteisen keskuksen ympärillä, niin maa-alus, joka lensi hyvin lähellä yhtä näistä tähdistä, voi gravitaatioliikkeen ansiosta poimia nopeus on lähes kolmannes valon nopeudesta. Tämän seurauksena alus kiihtyisi lähes valonopeuksiin painovoiman vaikutuksesta. Teoriassa näin voi käydä.

Vain todellisuudessa tämä tapa kiihdyttää painovoiman avulla ei toimi. (Energian säilymislaki sanoo, että vuoristoratakärryt, jotka kiihdyttävät laskussa ja hidastavat nousussa, päätyvät huipulle täsmälleen samalla nopeudella kuin aivan alussa - energian nousua ei tapahdu. Samoin kääriminen paikallaan olevan Auringon ympärillä lopetamme täsmälleen samalla nopeudella kuin aloitimme liikkeen.) Dysonin menetelmä kahdella neutronitähdellä voisi periaatteessa toimia, mutta vain siksi, että neutronitähdet liikkuvat nopeasti. Gravitaatioliikettä käyttävä avaruusalus saa energian lisäystä planeetan tai tähden liikkeestä johtuen. Jos ne ovat liikkumattomia, tällainen liike ei toimi.

Ja vaikka Dysonin ehdotus voisi toimiakin, se ei auta nykypäivän tiedemiehiä maan päällä, koska nopeasti pyörivien neutronitähtien vieraileminen edellyttäisi ensin tähtialuksen rakentamista.

Aseesta taivaalle

Toinen nerokas tapa laukaista laiva avaruuteen ja kiihdyttää se fantastisiin nopeuksiin on ampua se kiskon sähkömagneettisesta "aseesta", jota Arthur C. Clarke ja muut tieteiskirjailijat kuvailivat teoksissaan. Tätä projektia harkitaan tällä hetkellä vakavasti mahdollisena osana Star Wars -ohjuskilpiä.

Menetelmä koostuu sähkömagnetismin energian käyttämisestä raketin kiihdyttämiseen suuriin nopeuksiin rakettipolttoaineen tai ruudin sijaan.

Yksinkertaisimmillaan kiskotykki on kaksi rinnakkaista lankaa tai kiskoa; rakettiammus tai ohjus "istuu" molemmilla kiskoilla muodostaen U-muotoisen konfiguraation. Jopa Michael Faraday tiesi, että voima vaikuttaa kehykseen sähkövirralla magneettikentässä. (Yleensä kaikki sähkömoottorit toimivat tällä periaatteella.) Jos kiskojen ja ammuksen läpi johdetaan miljoonien ampeerien sähkövirta, syntyy koko järjestelmän ympärille erittäin voimakas magneettikenttä, joka puolestaan ​​ohjaa ammus kiskoja pitkin, kiihdytä se valtavaan nopeuteen ja heitä se avaruuteen kiskojärjestelmän päästä.

Testien aikana kiskoon asennetut sähkömagneettiset aseet ampuivat onnistuneesti metalliesineitä valtavilla nopeuksilla kiihdyttäen niitä hyvin lyhyellä matkalla. On huomattava, että teoriassa tavallinen kiskoase pystyy ampumaan metalliammuksen nopeudella 8 km / s; tämä riittää saattamaan sen matalalle Maan kiertoradalle. Periaatteessa NASAn koko rakettilaivasto voitaisiin korvata kiskotykillä, jotka ampuisivat hyötykuorman kiertoradalle suoraan maan pinnalta.

Rautatykillä on merkittäviä etuja kemiallisiin aseisiin ja raketteihin verrattuna. Kun ammut aseella, suurinta nopeutta, jolla laajenevat kaasut voivat työntää luodin ulos piipusta, rajoittaa iskuaallon nopeus. Jules Berne klassisessa romaanissa "Maasta kuuhun" ampui ammuksen astronauttien kanssa Kuuhun ruudilla, mutta itse asiassa on helppo laskea, että suurin nopeus, jonka jauhepanos voi antaa ammukselle, on monta kertaa pienempi kuin nopeus, joka tarvitaan lentääkseen Kuuhun. Kiskoase ei sitä vastoin käytä kaasujen räjähdysmäistä laajenemista eikä siksi ole millään tavalla riippuvainen iskuaallon etenemisnopeudesta.

Mutta rautatieaseella on omat ongelmansa. Sen päällä olevat esineet kiihtyvät niin nopeasti, että niillä on taipumus litistää törmäyksen vuoksi... ilman kanssa. Hyötykuorma vääntyy voimakkaasti, kun kiskoase ammutaan suusta, koska ammuksen osuessa ilmaan se on kuin tiiliseinään. Lisäksi kiihdytyksen aikana ammus kokee valtavan kiihtyvyyden, joka itsessään pystyy muuttamaan kuormaa suuresti. Kiskot on vaihdettava säännöllisesti, sillä ammus muuttaa niitä myös liikkuessaan. Lisäksi ylikuormitukset kiskoaseissa ovat kohtalokkaita ihmisille; ihmisen luut eivät yksinkertaisesti kestä tällaista kiihtyvyyttä ja romahdusta.

Yksi ratkaisu on laittaa rautatiease Kuuhun. Siellä, maan ilmakehän ulkopuolella, ammus pystyy kiihtymään esteettömästi ulkoavaruuden tyhjiössä. Mutta jopa Kuussa kiihdytyksen aikana ammus kokee valtavia ylikuormituksia, jotka voivat vahingoittaa ja muuttaa hyötykuormaa. Tietyssä mielessä kiskoase on laserpurjeen vastakohta, joka nopeutuu vähitellen ajan myötä. Kiskopistoolin rajoitukset määräytyvät juuri sillä, että se siirtää valtavasti energiaa vartaloon lyhyellä matkalla ja lyhyessä ajassa.

Rautatiease, joka pystyy ampumaan aluksella lähimpiä tähtiä, olisi erittäin kallis rakennus. Siten yksi hankkeista edellyttää kiskotykin rakentamista avoimeen tilaan, jonka pituus on kaksi kolmasosaa etäisyydestä maasta aurinkoon. Tämän aseen pitäisi varastoida aurinkoenergiaa ja sitten kuluttaa se kaikki kerralla kiihdyttäen kymmenen tonnin hyötykuorman nopeuteen, joka vastaa kolmasosaa valon nopeudesta. Tässä tapauksessa "ammus" kokee 5000 g:n ylikuormituksen. Tietenkin vain kestävimmät robottialukset pystyvät "selviytymään" tällaisesta laukaisusta.