Sulit untuk membayangkan berapa banyak bahan bakar kendaraan ruang angkasa telah menyelamatkan manuver gravitasi. Mereka membantu mencapai sekitar planet-planet raksasa dan bahkan melampaui tata surya selamanya. Bahkan untuk studi komet dan asteroid yang relatif dekat dengan kita, lintasan paling ekonomis dapat dihitung dengan menggunakan manuver gravitasi. Kapan ide "gendongan kosmik" muncul? Dan kapan pertama kali diterapkan?

Manuver gravitasi sebagai fenomena alam pertama kali ditemukan oleh para astronom di masa lalu, yang menyadari bahwa perubahan signifikan dalam orbit komet, periodenya (dan, akibatnya, kecepatan orbitnya) terjadi di bawah pengaruh gravitasi planet. Jadi, setelah transisi komet periode pendek dari sabuk Kuiper ke bagian dalam tata surya, transformasi signifikan dari orbitnya terjadi tepat di bawah pengaruh gravitasi planet-planet besar, selama pertukaran momentum sudut dengan mereka, tanpa biaya energi.

Gagasan menggunakan manuver gravitasi untuk mencapai tujuan penerbangan luar angkasa dikembangkan oleh Michael Minovich pada tahun 60-an, ketika, sebagai mahasiswa, ia magang di Laboratorium Propulsi Jet NASA. Untuk pertama kalinya, gagasan manuver gravitasi diwujudkan di jalur penerbangan stasiun antarplanet otomatis "Mariner-10", ketika medan gravitasi Venus digunakan untuk mencapai Merkurius.

Dalam manuver gravitasi "murni", aturan kesetaraan modulus kecepatan sebelum dan sesudah mendekati benda angkasa dipertahankan dengan ketat. Keuntungan menjadi jelas jika kita beralih dari koordinat planetosentris ke koordinat heliosentris. Ini jelas terlihat dalam skema yang ditunjukkan di sini, diadaptasi dari buku V. I. Levantovsky "Space Flight Mechanics". Lintasan kendaraan ditunjukkan di sebelah kiri, seperti yang terlihat oleh seorang pengamat di planet R. Kecepatan v masuk pada "tak terhingga lokal" sama dalam nilai absolut dengan v keluar. Yang akan diperhatikan oleh pengamat hanyalah perubahan arah peralatan. Namun, seorang pengamat yang terletak di koordinat heliosentris akan melihat perubahan yang signifikan dalam kecepatan peralatan. Karena hanya modulus kecepatan pesawat ruang angkasa relatif terhadap planet yang dipertahankan, dan sebanding dengan modulus kecepatan orbit planet itu sendiri, jumlah vektor kecepatan yang dihasilkan dapat menjadi lebih besar dan lebih kecil daripada kecepatan kendaraan sebelumnya. mendekat. Di sebelah kanan adalah diagram vektor dari pertukaran momentum sudut seperti itu. V masuk dan v keluar menunjukkan kecepatan masuk dan keluar yang sama dari pesawat ruang angkasa relatif terhadap planet, dan V sbl, V jauh, dan V pl menunjukkan kecepatan pendekatan dan pemindahan pesawat ruang angkasa dan kecepatan orbit planet dalam koordinat heliosentris. Kenaikan V adalah impuls kecepatan yang dilaporkan planet ke peralatan. Tentu saja, momen yang ditransmisikan oleh peralatan itu sendiri ke planet ini dapat diabaikan.

Jadi, dengan pilihan jalur pertemuan yang tepat, seseorang tidak hanya dapat mengubah arah, tetapi juga secara signifikan meningkatkan kecepatan peralatan tanpa menghabiskan sumber energinya.

Diagram ini tidak menunjukkan bahwa pada awalnya kecepatan meningkat tajam, dan kemudian turun ke nilai akhir. Para ahli balistik biasanya tidak mempedulikan hal ini, mereka menganggap pertukaran momentum sudut sebagai "dampak gravitasi" dari planet ini, yang durasinya dapat diabaikan dibandingkan dengan total durasi penerbangan.

Penting dalam manuver gravitasi adalah massa planet M, kisaran target d dan kecepatan v masuk. Menariknya, peningkatan kecepatan V maksimum ketika v dalam sama dengan kecepatan melingkar di dekat permukaan planet.

Dengan demikian, manuver planet-planet raksasa paling menguntungkan, dan mereka secara nyata mempersingkat durasi penerbangan. Manuver di dekat Bumi dan Venus juga digunakan, tetapi ini secara signifikan meningkatkan durasi perjalanan ruang angkasa.

Sejak keberhasilan misi Mariner 10, manuver bantuan gravitasi telah digunakan di banyak misi luar angkasa. Misalnya, misi pesawat ruang angkasa Voyager sangat sukses, dengan bantuan studi tentang planet raksasa dan satelitnya dilakukan. Kendaraan diluncurkan di AS pada musim gugur 1977 dan mencapai target pertama misi, planet Jupiter, pada 1979. Setelah menyelesaikan program penelitian di sekitar Jupiter dan menjelajahi satelitnya, kendaraan melakukan manuver gravitasi (menggunakan medan gravitasi Jupiter), yang memungkinkan mereka untuk dikirim melalui lintasan yang sedikit berbeda ke Saturnus, yang mereka capai pada tahun 1980 dan 1981, masing-masing. Selanjutnya, Voyager 1 melakukan manuver kompleks untuk melintas dalam jarak 5.000 km dari bulan Saturnus, Titan, dan kemudian berakhir di lintasan keluar dari tata surya.

Voyager 2 juga melakukan manuver gravitasi lain dan, meskipun ada beberapa masalah teknis, diarahkan ke planet ketujuh, Uranus, yang ditemui pada awal 1986. Setelah mendekati Uranus, manuver gravitasi lain dilakukan di medannya, dan Voyager 2 menuju Neptunus. Di sini, manuver gravitasi memungkinkan perangkat untuk cukup dekat dengan satelit Neptunus Triton.

Pada tahun 1986, manuver gravitasi di dekat Venus memungkinkan pesawat ruang angkasa Soviet VEGA-1 dan VEGA-2 bertemu dengan komet Halley.

Pada akhir tahun 1995, Jupiter dicapai oleh alat baru, Galileo, yang jalur penerbangannya dipilih sebagai rantai manuver gravitasi di medan gravitasi Bumi dan Venus. Ini memungkinkan perangkat untuk mengunjungi sabuk asteroid dua kali dalam 6 tahun dan mendekati tubuh Gaspra dan Ida yang cukup besar, dan bahkan kembali ke Bumi dua kali. Setelah diluncurkan di AS pada musim gugur 1989, pesawat ruang angkasa itu dikirim ke Venus, yang didekati pada Februari 1990, dan kemudian kembali ke Bumi pada Desember 1990. Sekali lagi, manuver gravitasi dilakukan, dan perangkat itu pergi ke bagian dalam sabuk asteroid. Untuk mencapai Yupiter, pada Desember 1992, Galileo kembali ke Bumi dan, akhirnya, melakukan penerbangan ke Yupiter.

Pada Oktober 1997, juga di AS, pesawat luar angkasa Cassini diluncurkan ke Saturnus. Program penerbangannya menyediakan 4 manuver gravitasi: dua di dekat Venus dan masing-masing satu di dekat Bumi dan Jupiter. Setelah manuver pertemuan Venus pertama (pada April 1998), pesawat ruang angkasa pergi ke orbit Mars dan sekali lagi (tanpa partisipasi Mars) kembali ke Venus. Manuver Venus kedua (Juni 1999) mengembalikan Cassini ke Bumi, di mana manuver bantuan gravitasi juga dilakukan (Agustus 1999). Dengan demikian, pesawat ruang angkasa memperoleh kecepatan yang cukup untuk penerbangan cepat ke Jupiter, di mana pada akhir Desember 2000 manuver terakhirnya dalam perjalanan ke Saturnus akan dilakukan. Perangkat harus mencapai tujuan pada Juli 2004.

L. V. Ksanfomality, Doctor of Phys.-Math. Sci., Kepala Laboratorium Lembaga Penelitian Antariksa.

pandangan konvensional

Ada benda khusus di tata surya - komet.
Komet adalah benda kecil yang berukuran beberapa kilometer. Tidak seperti asteroid biasa, komet mencakup berbagai es: air, karbon dioksida, metana, dan lainnya. Ketika komet memasuki orbit Jupiter, es-es ini mulai menguap dengan cepat, meninggalkan permukaan komet bersama-sama dengan debu dan membentuk apa yang disebut koma - awan gas dan debu yang mengelilingi inti padat. Awan ini memanjang ratusan ribu kilometer dari intinya. Berkat sinar matahari yang dipantulkan, komet (bukan dirinya sendiri, tetapi hanya awan) menjadi terlihat. Dan karena tekanan ringan, sebagian awan ditarik ke dalam apa yang disebut ekor, yang membentang dari komet sejauh jutaan kilometer (lihat foto 2). Karena gravitasi yang sangat lemah, semua substansi koma dan ekor hilang secara permanen. Oleh karena itu, saat terbang di dekat Matahari, sebuah komet dapat kehilangan beberapa persen massanya, dan terkadang lebih. Waktu hidupnya menurut standar astronomi dapat diabaikan.
Dari mana datangnya komet baru?

Menurut kosmogoni tradisional, mereka berasal dari apa yang disebut awan Oort. Secara umum diterima bahwa pada jarak seratus ribu unit astronomi dari Matahari (setengah jarak ke bintang terdekat) terdapat reservoir komet yang sangat besar. Bintang-bintang terdekat secara berkala mengganggu reservoir ini, dan kemudian orbit beberapa komet berubah sehingga perihelionnya berada di dekat Matahari, gas-gas di permukaannya mulai menguap, membentuk koma dan ekor besar, dan komet menjadi terlihat melalui teleskop, dan terkadang bahkan dengan mata telanjang. Dalam foto adalah Komet Besar Hale-Bopp yang terkenal, pada tahun 1997.

Bagaimana awan Oort terbentuk? Jawaban yang diterima secara umum adalah ini. Pada awal pembentukan tata surya di wilayah planet-planet raksasa, banyak benda es dengan diameter sepuluh kilometer atau lebih terbentuk. Beberapa dari mereka menjadi bagian dari planet-planet raksasa dan satelit mereka, dan beberapa terlempar ke pinggiran tata surya. Jupiter memainkan peran utama dalam proses ini, tetapi Saturnus, Uranus, dan Neptunus juga menerapkan medan gravitasi mereka padanya. Dalam istilah yang paling umum, proses ini tampak seperti ini: sebuah komet terbang di dekat medan gravitasi kuat Yupiter, dan ia mengubah kecepatannya sehingga berakhir di pinggiran tata surya.

Benar, ini tidak cukup. Jika perihelion komet berada di dalam orbit Jupiter, dan aphelion berada di suatu tempat di pinggiran, maka periodenya, seperti yang mudah dihitung, akan menjadi beberapa juta tahun. Selama keberadaan tata surya, komet semacam itu akan memiliki waktu untuk mendekati Matahari hampir seribu kali dan semua gasnya yang dapat menguap akan menguap. Oleh karena itu, diasumsikan bahwa ketika komet berada di pinggiran, maka gangguan dari bintang terdekat akan mengubah orbitnya sehingga perihelion juga akan sangat jauh dari Matahari.

Jadi ada proses empat langkah. 1. Jupiter melemparkan sepotong es ke pinggiran tata surya. 2. Bintang terdekat mengubah orbitnya sehingga perihelion orbitnya juga jauh dari Matahari. 3. Dalam orbit seperti itu, sepotong es tetap aman dan sehat selama hampir beberapa miliar tahun. 4. Bintang lain yang lewat kembali mengganggu orbitnya sehingga perihelion berada di dekat Matahari. Akibatnya, sepotong es terbang ke arah kami. Dan kami melihatnya seperti komet baru.

Semua ini tampaknya cukup masuk akal bagi para kosmogonis modern. Tapi apakah itu? Mari kita lihat lebih dekat keempat langkah tersebut.

MANUVER GRAVITASI

Pertemuan pertama

Saya pertama kali berkenalan dengan manuver gravitasi di kelas 9 di olimpiade fisika regional. Tugasnya adalah ini.
Sebuah roket diluncurkan dari Bumi dengan kecepatan V (cukup untuk terbang keluar dari medan gravitasi). Roket memiliki mesin dengan daya dorong F, yang dapat beroperasi untuk waktu t. Pada titik waktu berapa mesin harus dihidupkan agar kecepatan akhir roket maksimum? Abaikan hambatan udara.

Pada awalnya bagi saya tidak masalah kapan harus menyalakan mesin. Bagaimanapun, karena hukum kekekalan energi, kecepatan akhir roket harus sama dalam hal apa pun. Tetap menghitung kecepatan akhir roket dalam dua kasus: 1. kita menyalakan mesin di awal, 2. kita menyalakan mesin setelah meninggalkan medan gravitasi bumi. Kemudian bandingkan hasilnya dan pastikan bahwa kecepatan akhir roket sama dalam kedua kasus. Tapi kemudian saya ingat bahwa kekuatan sama dengan: gaya traksi dikalikan kecepatan. Oleh karena itu, tenaga mesin roket akan maksimal jika mesin dihidupkan segera pada saat start, saat kecepatan roket maksimal. Jadi, jawaban yang benar adalah: kita langsung menyalakan mesin, maka kecepatan akhir roket akan maksimal.

Dan meskipun saya memecahkan masalah dengan benar, tetapi masalahnya tetap ada. Kecepatan akhir, dan, oleh karena itu, energi roket TERGANTUNG pada saat mesin dihidupkan. Tampaknya menjadi pelanggaran yang jelas terhadap hukum kekekalan energi. Atau tidak? Ada apa di sini? Energi harus dihemat! Saya mencoba menjawab semua pertanyaan ini setelah Olimpiade.

Dorongan roket TERGANTUNG pada kecepatannya. Ini adalah poin penting dan layak untuk didiskusikan.
Misalkan kita memiliki roket bermassa M dengan mesin yang menghasilkan gaya dorong dengan gaya F. Letakkan roket ini di ruang kosong (jauh dari bintang dan planet) dan hidupkan mesin. Seberapa cepat roket akan bergerak? Kita tahu jawaban dari Hukum II Newton: percepatan A sama dengan:
A = F/M

Sekarang mari kita beralih ke kerangka acuan inersia lain, di mana roket bergerak dengan kecepatan tinggi, katakanlah, 100 km/detik. Berapakah percepatan roket dalam kerangka acuan ini?
Percepatan TIDAK TERGANTUNG pada pilihan kerangka acuan inersia, sehingga akan SAMA:
A = F/M
Massa roket juga tidak berubah (100 km/s belum merupakan kasus relativistik), sehingga gaya dorong F akan SAMA.
Dan, oleh karena itu, kekuatan roket TERGANTUNG pada kecepatannya. Bagaimanapun, kekuatan sama dengan kekuatan dikalikan kecepatan. Ternyata jika sebuah roket bergerak dengan kecepatan 100 km/s, maka tenaga mesinnya 100 kali lebih kuat dari mesin yang PERSIS SAMA terletak pada roket yang bergerak dengan kecepatan 1 km/s.

Sepintas, ini mungkin tampak aneh dan bahkan paradoks. Dari mana datangnya kekuatan ekstra besar? Energi harus dihemat!
Mari kita lihat masalah ini.
Sebuah roket selalu bergerak dengan dorongan jet: ia melemparkan berbagai gas ke luar angkasa dengan kecepatan tinggi. Untuk kepastian, kita asumsikan bahwa kecepatan emisi gas adalah 10 km/s. Jika sebuah roket bergerak dengan kecepatan 1 km/detik, maka mesinnya bukan yang mempercepat roket, melainkan propelan. Sebab, tenaga mesin untuk mempercepat roket tidak tinggi. Tetapi jika roket bergerak dengan kecepatan 10 km / s, maka bahan bakar yang dikeluarkan akan diam relatif terhadap pengamat luar, yaitu seluruh tenaga mesin akan dihabiskan untuk percepatan roket. Dan jika roket tersebut bergerak dengan kecepatan 100 km/s? Dalam hal ini, bahan bakar yang dikeluarkan akan bergerak dengan kecepatan 90 km/detik. Artinya, kecepatan bahan bakar AKAN TURUN dari 100 menjadi 90 km/s. Dan SEMUA perbedaan energi kinetik bahan bakar, karena hukum kekekalan energi, akan ditransfer ke roket. Karena itu, kekuatan mesin roket pada kecepatan seperti itu akan meningkat secara signifikan.

Sederhananya, roket yang bergerak cepat memiliki banyak energi kinetik dalam propelannya. Dan dari energi ini, tenaga tambahan ditarik untuk mempercepat roket.

Sekarang tinggal mencari tahu bagaimana properti roket ini dapat digunakan dalam praktik.

Sebuah upaya aplikasi praktis

Misalkan, dalam waktu dekat, Anda akan menerbangkan roket ke sistem Saturnus ke Titan (lihat foto 1-3) untuk mempelajari bentuk kehidupan anaerobik. Mereka terbang ke orbit Yupiter dan ternyata kecepatan roket itu turun hingga hampir nol. Jalur penerbangan tidak dihitung dengan benar atau bahan bakarnya ternyata palsu :) . Atau mungkin sebuah meteorit menabrak tempat bahan bakar, dan hampir semua bahan bakarnya hilang. Apa yang harus dilakukan?

Roket memiliki mesin dan sedikit bahan bakar yang tersisa. Tetapi kemampuan maksimum yang dapat dilakukan mesin adalah meningkatkan kecepatan roket sebesar 1 km / s. Ini jelas tidak cukup untuk terbang ke Saturnus. Dan sekarang pilot menawarkan opsi seperti itu.
“Kami memasuki bidang daya tarik Jupiter dan jatuh di atasnya. Akibatnya, Jupiter mempercepat roket ke kecepatan yang luar biasa - sekitar 60 km / s. Ketika roket berakselerasi ke kecepatan ini, hidupkan mesin. Tenaga mesin pada kecepatan ini akan meningkat berkali-kali lipat. Kemudian kita lepas landas dari medan tarik Jupiter. Sebagai hasil dari manuver gravitasi seperti itu, kecepatan roket meningkat bukan 1 km / s, tetapi lebih banyak lagi. Dan kita bisa terbang ke Saturnus."
Tapi ada yang keberatan.
“Ya, kekuatan roket di dekat Jupiter akan meningkat. Roket akan menerima energi tambahan. Tapi, terbang keluar dari medan tarik Jupiter, kita akan kehilangan semua energi tambahan ini. Energi harus tetap berada di sumur potensial Jupiter, jika tidak, akan ada sesuatu seperti mesin gerak abadi, dan ini tidak mungkin. Oleh karena itu, tidak akan ada manfaat dari manuver gravitasi. Kami hanya membuang-buang waktu."

Jadi, roket itu tidak jauh dari Jupiter dan hampir tidak bergerak relatif terhadapnya. Roket memiliki mesin dengan bahan bakar yang cukup untuk meningkatkan kecepatan roket hanya 1 km/detik. Untuk meningkatkan efisiensi mesin, diusulkan untuk melakukan manuver gravitasi: "jatuhkan" roket ke Jupiter. Dia akan bergerak di bidang tarikannya sepanjang parabola (lihat foto). Dan pada titik terendah lintasan (ditandai dengan palang merah di foto) akan menyala l mesin. Kecepatan roket di dekat Jupiter akan menjadi 60 km/s. Setelah mesin dipercepat lebih lanjut, kecepatan roket akan meningkat menjadi 61 km / s. Berapa kecepatan roket ketika meninggalkan medan gravitasi Jupiter?

Tugas ini berada dalam kekuatan seorang siswa sekolah menengah, jika, tentu saja, dia tahu fisika dengan baik. Pertama, Anda perlu menulis rumus untuk jumlah energi potensial dan kinetik. Kemudian ingat rumus energi potensial dalam medan gravitasi bola. Lihat di buku referensi, apa konstanta gravitasi, serta massa Jupiter dan jari-jarinya. Dengan menggunakan hukum kekekalan energi dan melakukan transformasi aljabar, dapatkan rumus akhir umum. Dan akhirnya, dengan memasukkan semua angka ke dalam rumus dan melakukan perhitungan, dapatkan jawabannya. Saya mengerti bahwa tidak ada seorang pun (hampir tidak ada seorang pun) yang ingin mempelajari beberapa rumus, jadi saya akan mencoba, tanpa membebani Anda dengan persamaan apa pun, untuk menjelaskan solusi dari masalah ini "dengan jari". Semoga berhasil! :) .

Jika roket diam, energi kinetiknya nol. Dan jika roket bergerak dengan kecepatan 1 km / s, maka kita akan menganggap energinya adalah 1 unit. Dengan demikian, jika roket bergerak dengan kecepatan 2 km / s, maka energinya adalah 4 unit, jika 10 km / s, maka 100 unit, dll. Ini jelas. Kami telah memecahkan setengah dari masalah.
Pada titik yang ditandai dengan tanda silang (lihat foto), kecepatan roket adalah 60 km / s, dan energinya 3600 unit. 3600 unit sudah cukup untuk terbang keluar dari medan gravitasi Jupiter. Setelah roket dipercepat, kecepatannya menjadi 61 km / s, dan energi, masing-masing, 61 kuadrat (kita ambil kalkulator) 3721 unit. Ketika sebuah roket terbang keluar dari medan gravitasi Jupiter, ia hanya menghabiskan 3600 unit. Sisa 121 unit. Ini sesuai dengan kecepatan (ambil akar kuadrat) dari 11 km/s. Masalah terpecahkan. Ini bukan perkiraan, tetapi jawaban TEPAT.

Kami melihat bahwa manuver gravitasi dapat digunakan untuk mendapatkan energi tambahan. Alih-alih mempercepat roket hingga 1 km / s, itu dapat dipercepat hingga 11 km / s (121 kali lebih banyak energi, efisiensi - 12 ribu persen!), Jika ada benda masif seperti Jupiter di dekatnya.

Karena apa yang kita menerima keuntungan energi BESAR? Karena fakta bahwa mereka meninggalkan bahan bakar bekas tidak di ruang kosong di dekat roket, tetapi di sumur potensial yang dalam yang diciptakan oleh Jupiter. Bahan bakar bekas mendapat energi potensial yang besar dengan tanda MINUS. Oleh karena itu, roket menerima energi kinetik yang besar dengan tanda PLUS.

Rotasi vektor

Misalkan kita menerbangkan roket di dekat Jupiter dan kita ingin meningkatkan kecepatannya. Tapi kami tidak punya bahan bakar. Anggap saja kita punya bahan bakar untuk memperbaiki arah kita. Tapi itu jelas tidak cukup untuk membubarkan roket secara nyata. Bisakah kita meningkatkan kecepatan roket secara nyata menggunakan bantuan gravitasi?
Dalam bentuknya yang paling umum, tugas ini terlihat seperti ini. Kami terbang ke medan gravitasi Jupiter dengan kecepatan tertentu. Kemudian kami terbang keluar dari lapangan. Apakah kecepatan kita akan berubah? Dan berapa banyak yang bisa berubah?
Mari kita selesaikan masalah ini.

Dari sudut pandang seorang pengamat yang berada di Jupiter (atau lebih tepatnya, tidak bergerak relatif terhadap pusat massanya), manuver kita terlihat seperti ini. Pertama, roket berada pada jarak yang sangat jauh dari Jupiter dan bergerak ke arahnya dengan kecepatan V. Kemudian, mendekati Jupiter, ia berakselerasi. Dalam hal ini, lintasan roket melengkung dan, seperti diketahui, dalam bentuk paling umum adalah hiperbola. Kecepatan maksimum roket akan berada pada pendekatan minimum. Hal utama di sini bukanlah menabrak Jupiter, tetapi terbang di sebelahnya. Setelah pendekatan minimum, roket akan mulai menjauh dari Jupiter, dan kecepatannya akan berkurang. Akhirnya, roket akan terbang keluar dari medan gravitasi Jupiter. Berapa kecepatannya? Persis sama seperti pada saat kedatangan. Roket itu terbang ke medan gravitasi Jupiter dengan kecepatan V dan terbang keluar dengan kecepatan yang persis sama V. Apakah ada yang berubah? Tidak ada yang berubah. ARAH kecepatan telah berubah. Itu penting. Berkat ini, kita dapat melakukan manuver gravitasi.

Memang, yang penting bagi kita bukanlah kecepatan roket relatif terhadap Jupiter, tetapi kecepatannya relatif terhadap Matahari. Inilah yang disebut kecepatan heliosentris. Dengan kecepatan seperti itu, roket bergerak melalui tata surya. Jupiter juga bergerak mengelilingi tata surya. Vektor kecepatan heliosentris roket dapat diuraikan menjadi jumlah dari dua vektor: kecepatan orbit Yupiter (sekitar 13 km/detik) dan kecepatan roket RELATIF terhadap Yupiter. Tidak ada yang rumit di sini! Ini adalah aturan segitiga biasa untuk penjumlahan vektor, yang diajarkan di kelas 7. Dan aturan ini CUKUP untuk memahami esensi dari manuver gravitasi.

Kami memiliki empat kecepatan. U(1) adalah kecepatan roket kita relatif terhadap Matahari SEBELUM bantuan gravitasi. V(1) adalah kecepatan roket relatif terhadap Jupiter SEBELUM bantuan gravitasi. V(2) adalah kecepatan roket relatif terhadap Jupiter SETELAH bantuan gravitasi. V(1) dan V(2) besarnya SAMA, tetapi arahnya BERBEDA. U(2) adalah kecepatan roket relatif terhadap Matahari SETELAH bantuan gravitasi. Untuk melihat bagaimana keempat kecepatan ini saling berhubungan, lihat gambar.

Panah hijau AO adalah kecepatan Jupiter dalam orbitnya. Panah merah AB adalah U(1): kecepatan roket kita relatif terhadap Matahari SEBELUM bantuan gravitasi. Panah kuning OB adalah kecepatan roket kita relatif terhadap Jupiter SEBELUM manuver gravitasi. Panah OS kuning adalah kecepatan roket relatif terhadap Jupiter SETELAH bantuan gravitasi. Kecepatan ini HARUS terletak di suatu tempat di lingkaran kuning radius OB. Karena dalam sistem koordinatnya, Jupiter TIDAK DAPAT mengubah nilai kecepatan roket, tetapi hanya dapat memutarnya dengan sudut tertentu (alpha). Dan akhirnya, AC adalah yang kita butuhkan: U(2) kecepatan roket SETELAH bantuan gravitasi.

Lihat betapa sederhananya itu. Kecepatan roket SETELAH bantuan gravitasi AC sama dengan kecepatan roket SEBELUM bantuan gravitasi AB ditambah vektor BC. Dan vektor BC adalah PERUBAHAN kecepatan roket dalam kerangka acuan Jupiter. Karena OS - OB = OS + IN = IN + OS = BC. Semakin banyak vektor kecepatan roket berputar relatif terhadap Jupiter, semakin efektif manuver gravitasinya.

Jadi, sebuah roket TANPA bahan bakar terbang ke medan gravitasi Jupiter (atau planet lain). Besarnya kecepatannya SEBELUM dan SETELAH manuver relatif terhadap Jupiter TIDAK BERUBAH. Namun karena rotasi vektor kecepatan relatif terhadap Jupiter, kecepatan roket relatif terhadap Jupiter tetap berubah. Dan vektor perubahan ini hanya ditambahkan ke vektor kecepatan roket SEBELUM manuver. Saya harap saya menjelaskan semuanya dengan jelas.

Untuk lebih memahami esensi dari manuver gravitasi, kami akan menganalisisnya menggunakan contoh Voyager 2, yang terbang di dekat Jupiter pada 9 Juli 1979. Seperti dapat dilihat dari grafik (lihat foto), ia terbang ke Jupiter dengan kecepatan 10 km / s, dan terbang keluar dari medan gravitasinya dengan kecepatan 20 km / s. Hanya dua angka: 10 dan 20.
Anda akan terkejut betapa banyak informasi yang dapat diambil dari angka-angka ini:
1. Kita akan menghitung berapa kecepatan Voyager 2 ketika meninggalkan medan gravitasi bumi.
2. Mari kita cari sudut di mana peralatan mendekati orbit Jupiter.
3. Hitung jarak minimum Voyager 2 terbang ke Jupiter.
4. Mari kita cari tahu seperti apa lintasannya relatif terhadap pengamat yang berada di Jupiter.
5. Temukan sudut penyimpangan pesawat ruang angkasa setelah pertemuan dengan Jupiter.

Kami tidak akan menggunakan rumus yang rumit, tetapi akan melakukan perhitungan, seperti biasa, "dengan jari", terkadang menggunakan gambar sederhana. Namun, jawaban yang kami dapatkan akan akurat. Anggap saja mereka mungkin tidak tepat, karena angka 10 dan 20 kemungkinan besar tidak tepat. Mereka diambil dari grafik dan dibulatkan. Selain itu, angka lain yang akan kita gunakan juga akan dibulatkan. Bagaimanapun, penting bagi kita untuk memahami manuver gravitasi. Oleh karena itu, kami akan mengambil angka 10 dan 20 sebagai tepat, sehingga ada sesuatu untuk dibangun.

Mari kita selesaikan masalah pertama.
Mari kita sepakati bahwa energi Voyager-2 yang bergerak dengan kecepatan 1 km/s adalah 1 satuan. Kecepatan keberangkatan minimum dari tata surya dari orbit Yupiter adalah 18 km/detik. Grafik kecepatan ini ada di foto, tetapi letaknya seperti ini. Penting untuk mengalikan kecepatan orbit Jupiter (sekitar 13 km / s) dengan akar dua. Jika Voyager 2, ketika mendekati Jupiter, memiliki kecepatan 18 km / s (energi 324 satuan), maka energi totalnya (jumlah kinetik dan potensial) di medan gravitasi Matahari akan PERSIS sama dengan nol. Tetapi kecepatan Voyager 2 hanya 10 km / s, dan energinya 100 unit. Artinya, kurang dari:
324-100 = 224 unit.
Kekurangan energi ini TERTAHAN saat Voyager 2 melakukan perjalanan dari Bumi ke Jupiter.
Kecepatan keberangkatan minimum dari tata surya dari orbit Bumi adalah sekitar 42 km / s (sedikit lebih). Untuk menemukannya, Anda perlu mengalikan kecepatan orbit Bumi (sekitar 30 km / s) dengan akar dua. Jika Voyager 2 bergerak menjauh dari Bumi dengan kecepatan 42 km/detik, energi kinetiknya akan menjadi 1.764 unit (42 kuadrat) dan totalnya akan menjadi NOL. Seperti yang telah kita ketahui, energi Voyager 2 kurang dari 224 unit, yaitu 1764 - 224 = 1540 unit. Kami mengambil akar dari angka ini dan menemukan kecepatan Voyager 2 terbang keluar dari medan gravitasi bumi: 39,3 km / s.

Ketika sebuah pesawat ruang angkasa diluncurkan dari Bumi ke bagian luar tata surya, maka ia diluncurkan, sebagai suatu peraturan, sepanjang kecepatan orbit Bumi. Dalam hal ini, kecepatan gerakan Bumi DITAMBAHKAN ke kecepatan peralatan, yang mengarah pada peningkatan energi yang besar.

Dan bagaimana masalah dengan ARAH kecepatan diselesaikan? Sangat sederhana. Mereka menunggu sampai Bumi mencapai bagian orbitnya yang diinginkan sehingga arah kecepatannyalah yang dibutuhkan. Katakanlah, ketika meluncurkan roket ke Mars, ada "jendela" kecil di waktu yang sangat nyaman untuk diluncurkan. Jika, karena alasan tertentu, peluncuran gagal, maka upaya berikutnya, Anda dapat yakin, tidak akan lebih awal dari dua tahun kemudian.

Ketika pada akhir tahun 70-an abad terakhir planet-planet raksasa berbaris dalam urutan tertentu, banyak ilmuwan - spesialis mekanika langit menyarankan untuk mengambil keuntungan dari kecelakaan bahagia di lokasi planet-planet ini. Sebuah proyek diusulkan tentang bagaimana melakukan Grand Tour dengan biaya minimal - perjalanan ke SEMUA planet raksasa sekaligus. Yang dilakukan dengan sukses.
Jika kita memiliki sumber daya dan bahan bakar yang tidak terbatas, kita bisa terbang ke mana pun kita mau, kapan pun kita mau. Tetapi karena energi harus dihemat, para ilmuwan hanya melakukan penerbangan hemat energi. Anda dapat yakin bahwa Voyager 2 diluncurkan mengikuti arah gerakan Bumi.
Seperti yang kita hitung sebelumnya, kecepatannya relatif terhadap Matahari adalah 39,3 km/detik. Ketika Voyager 2 terbang ke Jupiter, kecepatannya turun menjadi 10 km / s. Di mana dia dikirim?
Proyeksi kecepatan ini ke kecepatan orbit Jupiter dapat ditemukan dari hukum kekekalan momentum sudut. Jari-jari orbit Yupiter adalah 5,2 kali lipat dari orbit Bumi. Jadi, Anda perlu membagi 39,3 km / s dengan 5,2. Kami mendapatkan 7,5 km / s. Artinya, cosinus sudut yang kita butuhkan adalah 7,5 km / s (Proyeksi kecepatan Voyager) dibagi 10 km / s (Kecepatan Voyager), kita dapatkan 0,75. Sudutnya sendiri adalah 41 derajat. Pada sudut ini, Voyager 2 terbang ke orbit Jupiter.

Mengetahui kecepatan Voyager 2 dan arah pergerakannya, kita dapat menggambar diagram geometri bantuan gravitasi. Hal ini dilakukan seperti ini. Kami memilih titik A dan menggambar darinya vektor kecepatan orbit Jupiter (13 km / s pada skala yang dipilih). Ujung vektor ini (panah hijau) dilambangkan dengan huruf O (lihat foto 1). Kemudian dari titik A kami menggambar vektor kecepatan Voyager 2 (10 km / s pada skala yang dipilih) pada sudut 41 derajat. Akhir dari vektor ini (panah merah) dilambangkan dengan huruf B.
Sekarang kita buat lingkaran (warna kuning) dengan pusat di titik O dan jari-jari |OB| (lihat foto 2). Ujung vektor kecepatan baik sebelum dan sesudah manuver gravitasi hanya dapat terletak pada lingkaran ini. Sekarang kita menggambar sebuah lingkaran dengan radius 20 km/s (dalam skala yang dipilih) berpusat di titik A. Ini adalah kecepatan Voyager setelah bantuan gravitasi. Ini berpotongan dengan lingkaran kuning di beberapa titik C.

Kami telah menggambar bantuan gravitasi yang dilakukan Voyager 2 pada 9 Juli 1979. AO adalah vektor kecepatan orbit Jupiter. AB adalah vektor kecepatan saat Voyager 2 mendekati Jupiter. Sudut OAB adalah 41 derajat. AC adalah vektor kecepatan Voyager 2 SETELAH bantuan gravitasi. Dari gambar dapat dilihat bahwa sudut OAC kira-kira 20 derajat (setengah sudut OAB). Jika diinginkan, sudut ini dapat dihitung dengan tepat, karena semua segitiga dalam gambar diberikan.
OB adalah vektor kecepatan saat Voyager 2 mendekati Yupiter, DARI SUDUT PANDANG pengamat di Yupiter. OS - Vektor kecepatan Voyager setelah manuver relatif terhadap pengamat di Jupiter.

Jika Jupiter tidak berotasi dan Anda berada di sisi subsolar (Matahari berada di puncaknya), maka Anda akan melihat Voyager 2 bergerak dari Barat ke Timur. Pertama, ia muncul di bagian barat langit, kemudian, mendekat, mencapai Zenith, terbang di dekat Matahari, dan kemudian menghilang di balik cakrawala di Timur. Vektor kecepatannya telah berubah, seperti dapat dilihat dari gambar, sekitar 90 derajat (sudut alfa).

Pesawat ruang angkasa Voyager adalah objek buatan manusia terjauh dari Bumi. Ia telah melintasi ruang angkasa selama 40 tahun, setelah lama memenuhi tujuan utamanya - mempelajari Jupiter dan Saturnus. Foto-foto planet jauh tata surya, yang terkenalPucat biru dotdan "Foto Keluarga", sebuah cakram emas dengan informasi tentang Bumi - semua ini adalah halaman-halaman mulia dalam sejarah Voyager dan astronotika dunia. Tetapi hari ini kita tidak akan menyanyikan himne untuk perangkat terkenal, tetapi kita akan menganalisis salah satu teknologi, yang tanpanya penerbangan empat puluh tahun tidak akan terjadi. Bertemu: Yang Mulia manuver gravitasi.

Interaksi gravitasi, yang paling sedikit dipahami dari empat yang tersedia, menentukan nada untuk semua astronotika. Salah satu item pengeluaran utama selama peluncuran pesawat ruang angkasa adalah biaya gaya yang diperlukan untuk mengatasi medan gravitasi bumi. Dan setiap gram muatan di pesawat ruang angkasa adalah bahan bakar tambahan dalam roket. Ternyata paradoks: untuk mengambil lebih banyak, Anda membutuhkan lebih banyak bahan bakar, yang juga berbobot. Artinya, untuk menambah massa, Anda perlu menambah massa. Tentu saja, ini adalah gambaran yang sangat umum. Pada kenyataannya, perhitungan yang akurat memungkinkan Anda untuk mengambil beban yang diperlukan dan menambahnya seperlunya. Tapi gravitasi, seperti yang dikatakan Sheldon Cooper, masih tidak berperasaan, ahem, jalang.

Seperti yang sering terjadi, dalam fenomena apa pun terdapat sifat ganda. Hal yang sama berlaku dalam kaitannya dengan gravitasi dan astronotika. Manusia berhasil menggunakan tarikan gravitasi planet-planet untuk kepentingan penerbangan luar angkasanya, dan karena itu, Voyager telah membajak ruang antarbintang selama empat puluh tahun tanpa menghabiskan bahan bakar.

Tidak diketahui siapa yang pertama kali mencetuskan ide manuver gravitasi. Jika Anda memikirkannya, Anda dapat mencapai astronom pertama Mesir dan Babel, yang, pada malam selatan yang berbintang, menyaksikan bagaimana komet mengubah lintasan dan kecepatannya, melewati planet-planet.

Gagasan formal pertama tentang manuver gravitasi datang dari bibir Friedrich Arturovich Zander dan Yuri Vasilyevich Kondratyuk pada 1920-an dan 30-an, di era kosmonotika teoretis. Yuri Vasilyevich Kondratyuk (nama asli - Alexander Ivanovich Shargey) - seorang insinyur dan ilmuwan Soviet yang luar biasa yang, terlepas dari Tsiolkovsky, sendiri menciptakan skema roket oksigen-hidrogen, mengusulkan menggunakan atmosfer planet untuk pengereman, mengembangkan proyek untuk kendaraan keturunan untuk mendarat di benda angkasa, yang kemudian digunakan oleh NASA untuk misi bulan. Friedrich Zander adalah salah satu dari orang-orang yang berdiri di atas asal-usul astronot Rusia. Dia, dan selama beberapa tahun diketuai, GIRD - Kelompok Penelitian Propulsi Roket, sebuah komunitas insinyur antusias yang membangun prototipe roket propelan cair pertama. Dalam ketiadaan sama sekali kepentingan materi, GIRD kadang-kadang bercanda diuraikan sebagai Kelompok Insinyur Bekerja untuk Apa-apa.

Yuri Vasilievich Kondratyuk
Sumber: wikimedia.org

Sekitar lima puluh tahun berlalu antara proposal yang dibuat oleh Kondratyuk dan Zander dan implementasi praktis dari manuver gravitasi. Tidak mungkin untuk secara akurat menetapkan peralatan pertama yang dipercepat oleh gravitasi - orang Amerika mengklaim bahwa ini adalah Mariner 10 pada tahun 1974. Kami mengatakan bahwa itu adalah Luna 3 pada tahun 1959. Ini adalah masalah sejarah, tetapi apa sebenarnya manuver gravitasi itu?

Inti dari manuver gravitasi

Bayangkan sebuah korsel biasa di halaman rumah biasa. Kemudian secara mental putar hingga kecepatan x kilometer per jam. Kemudian ambil bola karet di tangan Anda dan lemparkan ke dalam korsel yang berputar dengan kecepatan y kilometer per jam. Jaga saja kepalamu! Dan apa yang akan kita dapatkan sebagai hasilnya?

Penting untuk dipahami di sini bahwa kecepatan total tidak akan ditentukan secara mutlak, tetapi relatif terhadap titik pengamatan. Dari korsel, dan dari posisi Anda, bola akan memantul dari korsel dengan kecepatan x + y - total untuk korsel dan bola. Dengan demikian, korsel mentransfer sebagian energi kinetiknya (lebih tepatnya, momentum) ke bola, sehingga mempercepatnya. Selain itu, jumlah energi yang hilang dari korsel sama dengan jumlah energi yang ditransfer ke bola. Tetapi karena fakta bahwa korsel besar dan besi tuang, dan bola kecil dan karet, bola terbang dengan kecepatan tinggi ke samping, dan korsel hanya melambat sedikit.

Sekarang mari kita pindahkan situasinya ke luar angkasa. Bayangkan Jupiter normal di tata surya normal. Kemudian putar secara mental ... meskipun, berhenti, ini tidak perlu. Bayangkan saja Jupiter. Sebuah pesawat ruang angkasa terbang melewatinya dan, di bawah pengaruh raksasa, mengubah lintasan dan kecepatannya. Perubahan ini dapat digambarkan sebagai hiperbola - kecepatan pertama meningkat saat Anda mendekat, dan kemudian menurun saat Anda menjauh. Dari sudut pandang calon penghuni Jupiter, pesawat ruang angkasa kita kembali ke kecepatan semula hanya dengan mengubah arah. Tapi kita tahu bahwa planet-planet berputar mengelilingi Matahari, dan bahkan dengan kecepatan tinggi. Jupiter, misalnya, dengan kecepatan 13 km/s. Dan ketika perangkat itu terbang, Jupiter menangkapnya dengan gravitasinya dan menyeretnya, melemparkannya ke depan dengan kecepatan yang lebih tinggi daripada sebelumnya! Ini jika Anda terbang di belakang planet relatif terhadap arah pergerakannya mengelilingi Matahari. Jika Anda terbang di depannya, maka kecepatannya masing-masing akan turun.

manuver gravitasi. Sumber: wikimedia.org

Skema seperti itu mengingatkan pada melempar batu dari gendongan. Oleh karena itu, nama lain untuk manuver tersebut adalah “gravity sling”. Semakin besar kecepatan planet dan massanya, semakin Anda dapat mempercepat atau memperlambat medan gravitasinya. Ada juga sedikit trik - yang disebut efek Orbet.

Dinamakan menurut Hermann Orbet, efek ini dapat dijelaskan dalam istilah yang paling umum sebagai berikut: mesin jet yang bergerak dengan kecepatan tinggi melakukan pekerjaan yang lebih berguna daripada yang sama yang bergerak lambat. Artinya, mesin pesawat ruang angkasa akan paling efisien pada titik "terendah" lintasan, di mana gravitasi akan menariknya paling banyak. Dihidupkan pada saat ini, ia akan menerima impuls yang jauh lebih besar dari bahan bakar yang terbakar daripada yang diterimanya dari benda-benda gravitasi.

Menempatkan semua ini ke dalam satu gambar, kita bisa mendapatkan akselerasi yang sangat baik. Jupiter, misalnya, dengan kecepatannya sendiri 13 km / s, secara teoritis dapat mempercepat kapal sebesar 42,7 km / s, Saturnus - sebesar 25 km / s, planet yang lebih kecil, Bumi dan Venus - sebesar 7-8 km / s. Di sini imajinasi segera menyala: apa yang akan terjadi jika kita meluncurkan peralatan tahan api teoretis ke arah Matahari dan berakselerasi menjauhinya? Memang, ini mungkin, karena Matahari berputar di sekitar pusat massa. Tapi mari kita berpikir lebih luas - apa yang akan terjadi jika kita terbang melewati bintang neutron, saat pahlawan McConaughey terbang melewati Gargantua (lubang hitam) di Interstellar? Akan ada percepatan sekitar 1/3 dari kecepatan cahaya. Jadi jika kita memiliki kapal yang cocok dan bintang neutron yang kita miliki, maka ketapel semacam itu dapat meluncurkan kapal ke wilayah Proxima Centauri hanya dalam 12 tahun. Tapi ini masih hanya fantasi liar.

Manuver Voyager

Ketika saya mengatakan di awal artikel bahwa kami tidak akan menyanyikan himne untuk Voyager, saya berbohong. Aparat tercepat dan terjauh umat manusia, yang juga merayakan 40 tahun tahun ini, Anda tahu, layak disebut.

Gagasan untuk pergi ke planet yang jauh dimungkinkan oleh manuver gravitasi. Tidak adil untuk tidak menyebutkan mahasiswa pascasarjana UCLA saat itu, Michael Minovich, yang menghitung efek sling gravitasi dan meyakinkan para profesor di Jet Propulsion Laboratory bahwa bahkan dengan teknologi yang tersedia di tahun 60-an, dimungkinkan untuk terbang ke planet yang jauh.

Foto Jupiter yang diambil oleh Voyager

Manuver gravitasi untuk mempercepat objek Manuver gravitasi untuk memperlambat objek Manuver gravitasi untuk mempercepat, memperlambat, atau mengubah arah penerbangan pesawat ruang angkasa, di bawah pengaruh medan gravitasi benda langit ... ... Wikipedia

Manuver gravitasi untuk mempercepat objek Manuver gravitasi untuk memperlambat objek Manuver gravitasi untuk mempercepat, memperlambat, atau mengubah arah penerbangan pesawat ruang angkasa, di bawah pengaruh medan gravitasi benda langit ... ... Wikipedia

- ... Wikipedia

Ini adalah salah satu parameter geometris utama dari objek yang dibentuk melalui bagian kerucut. Isi 1 Elips 2 Parabola 3 Hiperbola ... Wikipedia

Satelit buatan adalah manuver orbital, yang tujuannya (dalam kasus umum) adalah untuk mentransfer satelit ke orbit dengan kemiringan yang berbeda. Ada dua jenis manuver seperti itu: Mengubah kemiringan orbit ke ekuator. Diproduksi dengan penyertaan ... ... Wikipedia

Cabang mekanika langit yang mempelajari pergerakan benda luar angkasa buatan: satelit buatan, stasiun antarplanet, dan pesawat ruang angkasa lainnya. Ruang lingkup tugas astrodinamika meliputi perhitungan orbit pesawat ruang angkasa, penentuan parameter ... ... Wikipedia

Efek Oberth dalam astronotika adalah efek bahwa mesin roket yang bergerak dengan kecepatan tinggi menghasilkan lebih banyak energi yang dapat digunakan daripada mesin yang sama yang bergerak lambat. Efek Oberth disebabkan oleh fakta bahwa ketika ... ... Wikipedia

Pelanggan ... Wikipedia

Dan permukaan ekuipotensial dari sistem dua benda Titik Lagrange, titik librasi (lat. librātiō goyang) atau titik L ... Wikipedia

Buku

• Hal-hal abad kedua puluh dalam gambar dan foto. Maju ke luar angkasa! Penemuan dan pencapaian. Paket 2 buku, . "Maju, ke luar angkasa! Penemuan dan pencapaian" Sejak zaman kuno, manusia telah bermimpi untuk melepaskan diri dari bumi dan menaklukkan langit, dan kemudian luar angkasa. Lebih dari seratus tahun yang lalu, para penemu sudah berpikir untuk menciptakan ...
• Maju ke luar angkasa! Penemuan dan pencapaian, Klimentov Vyacheslav Lvovich, Sigorskaya Yulia Alexandrovna. Sejak zaman kuno, manusia telah bermimpi untuk melepaskan diri dari bumi dan menaklukkan langit, dan kemudian luar angkasa. Lebih dari seratus tahun yang lalu, para penemu sudah berpikir untuk membuat pesawat ruang angkasa, tetapi awal dari ruang ...

Ada cara lain untuk mempercepat objek ke kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya - menggunakan "efek selempang". Saat mengirim wahana antariksa ke planet lain, NASA terkadang membuat mereka bermanuver di sekitar planet tetangga untuk menggunakan "sling efek" untuk membubarkan perangkat lebih lanjut. Beginilah cara NASA menghemat bahan bakar roket yang berharga. Beginilah cara pesawat ruang angkasa Voyager 2 berhasil terbang ke Neptunus, yang orbitnya terletak di ujung tata surya.

Freeman Dyson, seorang fisikawan di Princeton, memberikan saran yang menarik. Jika suatu hari nanti di masa depan yang jauh, umat manusia berhasil mendeteksi di ruang angkasa dua bintang neutron yang berputar di sekitar pusat bersama dengan kecepatan tinggi, maka sebuah kapal Bumi, yang terbang sangat dekat dengan salah satu bintang ini, dapat, karena manuver gravitasi, mengambil sebuah kecepatannya hampir sepertiga kecepatan cahaya. Akibatnya, kapal akan berakselerasi ke kecepatan mendekati cahaya karena gravitasi. Secara teoritis, ini bisa terjadi.

Hanya pada kenyataannya cara mempercepat dengan bantuan gravitasi ini tidak akan berhasil. (Hukum kekekalan energi mengatakan bahwa kereta roller coaster, yang dipercepat saat turun dan melambat saat naik, berakhir di puncak dengan kecepatan yang persis sama seperti di awal - tidak ada peningkatan energi. Demikian pula, membungkus mengelilingi Matahari yang diam , kita akan menyelesaikannya dengan kecepatan yang persis sama saat kita memulai manuver.) Metode Dyson dengan dua bintang neutron pada prinsipnya dapat bekerja, tetapi hanya karena bintang-bintang neutron bergerak cepat. Sebuah pesawat ruang angkasa yang menggunakan manuver gravitasi menerima peningkatan energi karena pergerakan planet atau bintang. Jika mereka tidak bergerak, manuver seperti itu tidak akan berhasil.

Dan saran Dyson, meskipun mungkin berhasil, tidak akan membantu para ilmuwan di Bumi saat ini, karena mengunjungi bintang-bintang neutron yang berotasi cepat pertama-tama akan membutuhkan pembangunan kapal luar angkasa.

Dari pistol ke langit

Cara cerdik lain untuk meluncurkan kapal ke luar angkasa dan mempercepatnya ke kecepatan fantastis adalah dengan menembakkannya dari "senjata" elektromagnetik rel, yang dijelaskan oleh Arthur C. Clarke dan penulis fiksi ilmiah lainnya dalam karya mereka. Proyek ini saat ini sedang dipertimbangkan secara serius sebagai bagian dari perisai rudal Star Wars.

Metode ini terdiri dari penggunaan energi elektromagnetisme untuk mempercepat roket ke kecepatan tinggi, bukan bahan bakar roket atau bubuk mesiu.

Paling sederhana, pistol rel adalah dua kabel atau rel paralel; proyektil roket, atau rudal, "duduk" di kedua rel, membentuk konfigurasi berbentuk U. Bahkan Michael Faraday tahu bahwa sebuah gaya bekerja pada bingkai dengan arus listrik dalam medan magnet. (Secara umum, semua motor listrik bekerja berdasarkan prinsip ini.) Jika arus listrik jutaan ampere dilewatkan melalui rel dan proyektil, medan magnet yang sangat kuat akan muncul di sekitar seluruh sistem, yang, pada gilirannya, akan menggerakkan sistem. proyektil di sepanjang rel, percepat hingga kecepatan luar biasa dan lemparkan ke luar angkasa dari ujung sistem rel.

Selama pengujian, senjata elektromagnetik yang dipasang di rel berhasil menembakkan benda logam dengan kecepatan luar biasa, mempercepatnya dalam jarak yang sangat pendek. Hebatnya, secara teori, pistol rel biasa mampu menembakkan proyektil logam dengan kecepatan 8 km / s; ini cukup untuk memasukkannya ke orbit Bumi yang rendah. Pada prinsipnya, seluruh armada roket NASA dapat digantikan oleh senjata rel, yang akan menembakkan muatan ke orbit langsung dari permukaan bumi.

Railgun memiliki keunggulan signifikan dibandingkan senjata kimia dan roket. Saat Anda menembakkan pistol, kecepatan maksimum gas yang mengembang dapat mendorong peluru keluar dari laras dibatasi oleh kecepatan gelombang kejut. Jules Berne dalam novel klasik "From the Earth to the Moon" menembakkan sebuah proyektil dengan astronot ke Bulan menggunakan bubuk mesiu, tetapi sebenarnya mudah untuk menghitung bahwa kecepatan maksimum yang dapat diberikan oleh sebuah serbuk serbuk adalah berkali-kali lebih kecil dari kecepatan yang dibutuhkan untuk terbang ke Bulan. Railgun, di sisi lain, tidak menggunakan ekspansi eksplosif gas dan karena itu tidak bergantung dengan cara apa pun pada kecepatan propagasi gelombang kejut.

Tapi railgun punya masalahnya sendiri. Benda-benda di atasnya berakselerasi sangat cepat sehingga cenderung rata karena tumbukan... dengan udara. Muatannya sangat berubah bentuk ketika railgun ditembakkan dari moncongnya, karena ketika proyektil mengenai udara, itu seperti menabrak dinding bata. Selain itu, selama akselerasi, proyektil mengalami akselerasi luar biasa, yang dengan sendirinya mampu mengubah beban secara signifikan. Rel harus diganti secara teratur, karena proyektil juga merusaknya saat bergerak. Selain itu, kelebihan beban pada meriam rel berakibat fatal bagi manusia; tulang manusia tidak bisa menahan percepatan dan keruntuhan seperti itu.

Salah satu solusinya adalah dengan meletakkan railgun di bulan. Di sana, di luar atmosfer bumi, proyektil akan mampu berakselerasi tanpa hambatan di ruang hampa udara. Tetapi bahkan di Bulan, proyektil selama akselerasi akan mengalami kelebihan beban yang sangat besar yang dapat merusak dan merusak muatan. Dalam arti tertentu, railgun adalah kebalikan dari layar laser, yang menambah kecepatan secara bertahap dari waktu ke waktu. Keterbatasan pistol rel ditentukan secara tepat oleh fakta bahwa ia mentransfer energi yang sangat besar ke tubuh pada jarak pendek dan dalam waktu singkat.

Railgun yang mampu menembakkan pesawat ke bintang terdekat akan menjadi konstruksi yang sangat mahal. Dengan demikian, salah satu proyek menyediakan konstruksi di ruang terbuka senjata rel dengan panjang dua pertiga jarak dari Bumi ke Matahari. Pistol ini harus menyimpan energi matahari dan kemudian mengeluarkannya sekaligus, mempercepat muatan sepuluh ton ke kecepatan yang sama dengan sepertiga kecepatan cahaya. Dalam hal ini, "proyektil" akan mengalami kelebihan beban 5000 g. Tentu saja, hanya kapal robot yang paling tahan lama yang dapat "bertahan" dalam peluncuran seperti itu.