Mahirap isipin kung gaano karaming gasolina ang nailigtas ng mga sasakyan sa espasyo ng gravitational. Tumutulong sila upang maabot ang paligid ng mga higanteng planeta at kahit na magpakailanman na lampas sa solar system. Kahit na para sa pag-aaral ng mga kometa at asteroid na medyo malapit sa atin, ang pinaka-ekonomiko na tilapon ay maaaring kalkulahin gamit ang gravitational maneuvers. Kailan dumating ang ideya ng "cosmic sling"? At kailan ito unang ipinatupad?

Ang gravitational maneuver bilang isang natural na kababalaghan ay unang natuklasan ng mga astronomo ng nakaraan, na napagtanto na ang mga makabuluhang pagbabago sa mga orbit ng mga kometa, ang kanilang panahon (at, dahil dito, ang kanilang bilis ng orbital) ay nangyayari sa ilalim ng impluwensya ng gravitational ng mga planeta. Kaya, pagkatapos ng paglipat ng mga short-period na kometa mula sa Kuiper belt hanggang sa panloob na bahagi ng solar system, isang makabuluhang pagbabagong-anyo ng kanilang mga orbit ay nangyayari nang tiyak sa ilalim ng impluwensya ng gravitational ng napakalaking mga planeta, sa panahon ng pagpapalitan ng angular momentum sa kanila, nang walang anumang mga gastos sa enerhiya.

Ang mismong ideya ng paggamit ng gravitational maneuvers upang makamit ang layunin ng paglipad sa kalawakan ay binuo ni Michael Minovich noong 60s, nang, bilang isang mag-aaral, nagsagawa siya ng internship sa Jet Propulsion Laboratory ng NASA. Sa unang pagkakataon, ang ideya ng isang gravitational maneuver ay natanto sa landas ng paglipad ng awtomatikong interplanetary station na "Mariner-10", nang ang gravitational field ng Venus ay ginamit upang maabot ang Mercury.

Sa isang "purong" gravitational maneuver, ang panuntunan ng pagkakapantay-pantay ng modulus ng mga bilis bago at pagkatapos lumapit sa isang celestial body ay mahigpit na pinapanatili. Ang pakinabang ay nagiging halata kung tayo ay pumasa mula sa planetaocentric na mga coordinate patungo sa mga heliocentric. Ito ay malinaw na nakikita sa pamamaraan na ipinakita dito, na inangkop mula sa aklat ni V. I. Levantovsky na "Space Flight Mechanics". Ang trajectory ng sasakyan ay ipinapakita sa kaliwa, dahil ito ay nakikita ng isang tagamasid sa planeta R. Ang bilis ng v in sa "local infinity" ay katumbas ng absolute value sa v out. Ang mapapansin lang ng nagmamasid ay ang pagbabago sa direksyon ng apparatus. Gayunpaman, ang isang tagamasid na matatagpuan sa heliocentric na mga coordinate ay makakakita ng makabuluhang pagbabago sa bilis ng device. Dahil tanging ang modulus lamang ng bilis ng spacecraft na may kaugnayan sa planeta ang pinapanatili, at ito ay maihahambing sa modulus ng orbital velocity ng planeta mismo, ang resultang vector sum ng mga bilis ay maaaring maging mas malaki at mas mababa kaysa sa bilis ng sasakyan noon. papalapit. Sa kanan ay isang vector diagram ng naturang palitan ng angular momentum. Ang V in at v out ay tumutukoy sa pantay na bilis ng pagpasok at paglabas ng spacecraft na nauugnay sa planeta, at ang V sbl, V remote, at V pl ay tumutukoy sa bilis ng paglapit at pagtanggal ng spacecraft at ang orbital velocity ng planeta sa heliocentric coordinates. Ang ΔV increment ay ang speed impulse na iniulat ng planeta sa apparatus. Siyempre, ang sandali na ang aparato mismo ay nagpapadala sa planeta ay bale-wala.

Kaya, sa pamamagitan ng isang naaangkop na pagpipilian ng landas ng pagtatagpo, hindi lamang mababago ng isa ang direksyon, ngunit makabuluhang taasan din ang bilis ng aparato nang walang anumang paggasta ng mga mapagkukunan ng enerhiya nito.

Ang diagram na ito ay hindi nagpapakita na sa una ang bilis ay tumataas nang husto, at pagkatapos ay bumaba sa isang pangwakas na halaga. Karaniwang hindi ito pinapahalagahan ng mga ballistician, nakikita nila ang pagpapalitan ng angular momentum bilang isang "gravitational impact" mula sa planeta, ang tagal nito ay bale-wala kumpara sa kabuuang tagal ng paglipad.

Ang kritikal sa gravitational maneuver ay ang masa ng planeta M, ang target range d at ang speed v in. Kapansin-pansin, ang velocity increment ΔV ay pinakamataas kapag ang v in ay katumbas ng circular velocity malapit sa ibabaw ng planeta.

Kaya, ang mga maniobra ng mga higanteng planeta ay pinaka-kapaki-pakinabang, at kapansin-pansing pinaikli nila ang tagal ng paglipad. Ginagamit din ang mga maniobra malapit sa Earth at Venus, ngunit makabuluhang pinapataas nito ang tagal ng paglalakbay sa kalawakan.

Mula nang magtagumpay ang Mariner 10 mission, ginamit ang gravity assist maneuvers sa maraming misyon sa kalawakan. Halimbawa, ang misyon ng Voyager spacecraft ay pambihirang matagumpay, sa tulong ng kung saan ang mga pag-aaral ng mga higanteng planeta at kanilang mga satellite ay isinagawa. Ang mga sasakyan ay inilunsad sa US noong taglagas ng 1977 at naabot ang unang target ng misyon, ang planetang Jupiter, noong 1979. Matapos makumpleto ang programa ng pananaliksik sa paligid ng Jupiter at tuklasin ang mga satelayt nito, ang mga sasakyan ay nagsagawa ng gravitational maneuver (gamit ang gravitational field ng Jupiter), na nagpapahintulot sa kanila na ipadala sa bahagyang magkakaibang mga trajectory patungo sa Saturn, na naabot nila noong 1980 at 1981, ayon sa pagkakabanggit. Susunod, ang Voyager 1 ay nagsagawa ng isang kumplikadong maniobra upang makapasa sa loob ng 5,000 km ng buwan ng Titan ng Saturn, at pagkatapos ay napunta sa isang exit trajectory mula sa solar system.

Ang Voyager 2 ay nagsagawa din ng isa pang gravitational maneuver at, sa kabila ng ilang mga teknikal na problema, ay nakadirekta patungo sa ikapitong planeta, ang Uranus, na nakatagpo noong unang bahagi ng 1986. Pagkalapit sa Uranus, isa pang gravitational maneuver ang ginawa sa field nito, at ang Voyager 2 ay tumungo patungo sa Neptune. Dito, pinahintulutan ng gravitational maneuver ang device na makalapit nang sapat sa satellite ng Neptune na Triton.

Noong 1986, isang gravitational maneuver malapit sa Venus ang nagbigay-daan sa Soviet spacecraft na VEGA-1 at VEGA-2 na makatagpo ng kometa ni Halley.

Sa pinakadulo ng 1995, ang Jupiter ay naabot ng isang bagong aparato, si Galileo, na ang landas ng paglipad ay pinili bilang isang chain ng gravitational maneuvers sa mga gravitational field ng Earth at Venus. Pinahintulutan nito ang aparato na bisitahin ang asteroid belt nang dalawang beses sa loob ng 6 na taon at makalapit sa medyo malalaking katawan na sina Gaspra at Ida, at kahit na bumalik sa Earth nang dalawang beses. Matapos ilunsad sa USA noong taglagas ng 1989, ipinadala ang spacecraft sa Venus, na nilapitan nito noong Pebrero 1990, at pagkatapos ay bumalik sa Earth noong Disyembre 1990. Muli, isang gravitational maneuver ang isinagawa, at ang aparato ay napunta sa panloob na bahagi ng asteroid belt. Upang maabot ang Jupiter, noong Disyembre 1992, bumalik si Galileo sa Earth at, sa wakas, inilatag sa isang flight course patungo sa Jupiter.

Noong Oktubre 1997, din sa USA, ang Cassini spacecraft ay inilunsad sa Saturn. Ang programa ng kanyang paglipad ay nagbibigay ng 4 na gravitational maneuvers: dalawa malapit sa Venus at isa bawat isa malapit sa Earth at Jupiter. Matapos ang unang Venus rendezvous maneuver (noong Abril 1998), ang spacecraft ay pumunta sa orbit ng Mars at muli (nang walang paglahok ng Mars) ay bumalik sa Venus. Ang pangalawang maniobra ng Venus (Hunyo 1999) ay nagbalik kay Cassini sa Earth, kung saan ginawa rin ang isang gravity assist maneuver (Agosto 1999). Kaya, ang spacecraft ay nakakuha ng sapat na bilis para sa isang mabilis na paglipad patungong Jupiter, kung saan sa katapusan ng Disyembre 2000 ay isasagawa ang huling maniobra nito patungo sa Saturn. Dapat maabot ng device ang mga layunin sa Hulyo 2004.

L. V. Ksanfomality, Doktor ng Phys.-Math. Sci., Pinuno ng Laboratory ng Space Research Institute.

kumbensyonal na pananaw

Mayroong mga espesyal na katawan sa solar system - mga kometa.
Ang kometa ay isang maliit na katawan na ilang kilometro ang laki. Hindi tulad ng isang ordinaryong asteroid, ang kometa ay naglalaman ng iba't ibang yelo: tubig, carbon dioxide, methane, at iba pa. Kapag ang kometa ay pumasok sa orbit ng Jupiter, ang mga yelong ito ay nagsisimulang mag-evaporate nang mabilis, umalis sa ibabaw ng kometa kasama ng alikabok at bumubuo ng tinatawag na coma - isang gas at alikabok na ulap na nakapalibot sa solid core. Ang ulap na ito ay umaabot ng daan-daang libong kilometro mula sa core. Salamat sa sinasalamin na sikat ng araw, ang kometa (hindi mismo, ngunit isang ulap lamang) ay nakikita. At dahil sa magaan na presyon, ang bahagi ng ulap ay hinila sa tinatawag na buntot, na umaabot mula sa kometa sa maraming milyong kilometro (tingnan ang larawan 2). Dahil sa napakahinang gravity, ang lahat ng substance ng coma at tail ay hindi na mababawi. Samakatuwid, ang paglipad malapit sa Araw, ang isang kometa ay maaaring mawalan ng ilang porsyento ng masa nito, at kung minsan ay higit pa. Ang oras ng kanyang buhay sa pamamagitan ng astronomical na mga pamantayan ay bale-wala.
Saan nagmula ang mga bagong kometa?

Ayon sa tradisyonal na kosmogony, nagmula sila sa tinatawag na Oort cloud. Karaniwang tinatanggap na sa layo na isang daang libong mga yunit ng astronomya mula sa Araw (kalahati ng distansya sa pinakamalapit na bituin) ay mayroong isang malaking reservoir ng mga kometa. Ang pinakamalapit na mga bituin ay pana-panahong nakakagambala sa reservoir na ito, at pagkatapos ay ang mga orbit ng ilang mga kometa ay nagbabago upang ang kanilang perihelion ay malapit sa Araw, ang mga gas sa ibabaw nito ay nagsisimulang sumingaw, na bumubuo ng isang malaking koma at buntot, at ang kometa ay makikita sa pamamagitan ng isang teleskopyo, at minsan kahit sa mata. Nasa larawan ang sikat na Great Comet Hale-Bopp, noong 1997.

Paano nabuo ang Oort cloud? Ang karaniwang tinatanggap na sagot ay ito. Sa pinakadulo simula ng pagbuo ng solar system sa rehiyon ng higanteng mga planeta, maraming nagyeyelong katawan na may diameter na sampu o higit pang kilometro ang nabuo. Ang ilan sa mga ito ay naging bahagi ng mga higanteng planeta at kanilang mga satellite, at ang ilan ay inilabas sa paligid ng solar system. Ginampanan ng Jupiter ang pangunahing papel sa prosesong ito, ngunit inilapat din ng Saturn, Uranus at Neptune ang kanilang mga patlang ng gravitational dito. Sa pinaka-pangkalahatang mga termino, ganito ang hitsura ng prosesong ito: lumilipad ang isang kometa malapit sa malakas na gravitational field ng Jupiter, at binabago nito ang bilis nito upang mapunta ito sa periphery ng solar system.

Totoo, hindi ito sapat. Kung ang perihelion ng kometa ay nasa loob ng orbit ng Jupiter, at ang aphelion ay nasa isang lugar sa paligid, kung gayon ang panahon nito, dahil madaling kalkulahin, ay magiging ilang milyong taon. Sa panahon ng pagkakaroon ng solar system, ang naturang kometa ay magkakaroon ng oras na lumapit sa Araw ng halos isang libong beses at ang lahat ng gas nito na maaaring sumingaw ay sumingaw. Samakatuwid, ipinapalagay na kapag ang kometa ay nasa periphery, ang mga kaguluhan mula sa pinakamalapit na mga bituin ay magbabago sa orbit nito upang ang perihelion ay magiging napakalayo din sa Araw.

Kaya mayroong apat na hakbang na proseso. 1. Nagtapon si Jupiter ng isang piraso ng yelo sa paligid ng solar system. 2. Ang pinakamalapit na bituin ay nagbabago ng orbit nito upang ang perihelion ng orbit ay malayo rin sa Araw. 3. Sa gayong orbit, ang isang piraso ng yelo ay nananatiling ligtas at maayos sa loob ng halos ilang bilyong taon. 4. Ang isa pang dumaraan na bituin ay muling gumugulo sa orbit nito upang ang perihelion ay malapit sa Araw. Bilang resulta, isang piraso ng yelo ang lumilipad patungo sa amin. At nakikita natin ito na parang bagong kometa.

Ang lahat ng ito ay tila lubos na makatwiran sa mga modernong kosmogonista. Ngunit ito ba? Tingnan natin ang lahat ng apat na hakbang.

GRAVITY MANEUVER

Unang pagkikita

Una kong nakilala ang gravitational maneuver sa ika-9 na baitang sa rehiyonal na Olympiad sa pisika. Ang gawain ay ito.
Ang isang rocket ay inilunsad mula sa Earth sa bilis na V (sapat na lumipad palabas sa larangan ng grabidad). Ang rocket ay may makina na may thrust F, na maaaring gumana sa loob ng isang oras t. Sa anong oras dapat i-on ang makina upang ang huling bilis ng rocket ay pinakamataas? Huwag pansinin ang air resistance.

Sa una ay tila sa akin na hindi mahalaga kung kailan i-on ang makina. Pagkatapos ng lahat, dahil sa batas ng konserbasyon ng enerhiya, ang huling bilis ng rocket ay dapat na pareho sa anumang kaso. Nanatili itong kalkulahin ang huling bilis ng rocket sa dalawang kaso: 1. binubuksan natin ang makina sa simula, 2. binubuksan natin ang makina pagkatapos umalis sa gravity field ng Earth. Pagkatapos ay ihambing ang mga resulta at siguraduhin na ang huling bilis ng rocket ay pareho sa parehong mga kaso. Ngunit pagkatapos ay naalala ko na ang kapangyarihan ay katumbas ng: traction force times speed. Samakatuwid, ang kapangyarihan ng rocket engine ay magiging maximum kung ang engine ay naka-on kaagad sa simula, kapag ang rocket speed ay maximum. Kaya, ang tamang sagot ay: i-on namin kaagad ang makina, kung gayon ang huling bilis ng rocket ay magiging maximum.

At kahit na nalutas ko nang tama ang problema, ngunit nanatili ang problema. Ang huling bilis, at, samakatuwid, ang enerhiya ng rocket ay DEPENDE sa kung anong oras ang engine ay naka-on. Tila ito ay isang malinaw na paglabag sa batas ng konserbasyon ng enerhiya. O hindi? Anong meron dito? Dapat tipid ang enerhiya! Sinubukan kong sagutin ang lahat ng mga tanong na ito pagkatapos ng Olympiad.

DEPENDE ang rocket thrust sa bilis nito. Ito ay isang mahalagang punto at nararapat na pag-usapan.
Ipagpalagay na mayroon tayong rocket na mass M na may makina na lumilikha ng thrust na may puwersa F. Ilagay natin ang rocket na ito sa walang laman na espasyo (malayo sa mga bituin at planeta) at i-on ang makina. Gaano kabilis ang paggalaw ng rocket? Alam namin ang sagot mula sa Newton's Second Law: ang acceleration A ay katumbas ng:
A = F/M

Ngayon ay lumipat tayo sa isa pang inertial frame of reference, kung saan ang rocket ay gumagalaw sa isang mataas na bilis, sabihin nating, 100 km/sec. Ano ang acceleration ng rocket sa frame of reference na ito?
HINDI NAKADEDEPENDE ang Acceleration sa pagpili ng inertial frame of reference, kaya magiging PAREHO ito:
A = F/M
Ang masa ng rocket ay hindi rin nagbabago (100 km / s ay hindi pa relativistic case), kaya ang thrust force F ay magiging PAREHONG.
At, samakatuwid, ang kapangyarihan ng rocket ay DEPENDE sa bilis nito. Pagkatapos ng lahat, ang kapangyarihan ay katumbas ng puwersa na pinarami ng bilis. Ito ay lumalabas na kung ang isang rocket ay gumagalaw sa bilis na 100 km / s, kung gayon ang lakas ng makina nito ay 100 beses na mas malakas kaysa sa EXACTLY THE SAME engine na matatagpuan sa isang rocket na gumagalaw sa bilis na 1 km / s.

Sa unang tingin, ito ay maaaring mukhang kakaiba at kahit na kabalintunaan. Saan nanggagaling ang malaking dagdag na kapangyarihan? Dapat tipid ang enerhiya!
Tingnan natin ang isyung ito.
Ang isang rocket ay palaging gumagalaw sa jet thrust: nagtatapon ito ng iba't ibang mga gas sa kalawakan sa mataas na bilis. Para sa katiyakan, ipinapalagay namin na ang bilis ng paglabas ng mga gas ay 10 km/sec. Kung ang isang rocket ay gumagalaw sa bilis na 1 km/sec, ang makina nito ay higit sa lahat ay nagpapabilis hindi ang rocket, ngunit ang propellant. Samakatuwid, ang lakas ng makina upang mapabilis ang rocket ay hindi mataas. Ngunit kung ang rocket ay gumagalaw sa bilis na 10 km / s, kung gayon ang inilabas na gasolina ay magiging pahinga na nauugnay sa panlabas na tagamasid, iyon ay, ang buong lakas ng makina ay gugugol sa pagpapabilis ng rocket. At kung ang rocket ay gumagalaw sa bilis na 100 km / s? Sa kasong ito, ang ejected fuel ay kikilos sa bilis na 90 km/sec. Ibig sabihin, MABABABA ang bilis ng gasolina mula 100 hanggang 90 km/s. At ang LAHAT ng pagkakaiba sa kinetic energy ng gasolina, dahil sa batas ng konserbasyon ng enerhiya, ay ililipat sa rocket. Samakatuwid, ang kapangyarihan ng rocket engine sa gayong mga bilis ay tataas nang malaki.

Sa madaling salita, ang isang mabilis na gumagalaw na rocket ay may maraming kinetic energy sa propellant nito. At mula sa enerhiya na ito, ang karagdagang kapangyarihan ay nakuha upang mapabilis ang rocket.

Ngayon ay nananatili upang malaman kung paano magagamit ang pag-aari na ito ng rocket sa pagsasanay.

Isang pagtatangka sa praktikal na aplikasyon

Ipagpalagay, sa malapit na hinaharap, lilipad ka ng rocket sa Saturn system sa Titan (tingnan ang mga larawan 1-3) upang pag-aralan ang mga anaerobic na anyo ng buhay. Lumipad sila sa orbit ng Jupiter at lumabas na halos zero ang bilis ng rocket. Ang landas ng paglipad ay hindi nakalkula nang maayos o ang gasolina ay lumabas na peke :) . O baka isang meteorite ang tumama sa fuel bay, at halos lahat ng gasolina ay nawala. Anong gagawin?

Ang rocket ay may isang makina at isang maliit na halaga ng gasolina na natitira. Ngunit ang maximum na kaya ng makina ay upang mapataas ang bilis ng rocket ng 1 km / s. Ito ay malinaw na hindi sapat upang lumipad sa Saturn. At ngayon ang piloto ay nag-aalok ng gayong opsyon.
"Pumasok kami sa larangan ng pang-akit ng Jupiter at nahulog dito. Bilang isang resulta, pinabilis ng Jupiter ang rocket sa isang napakalaking bilis - mga 60 km / s. Kapag ang rocket ay bumilis sa bilis na ito, i-on ang makina. Ang lakas ng makina sa bilis na ito ay tataas nang maraming beses. Pagkatapos ay lumipad kami mula sa larangan ng atraksyon ng Jupiter. Bilang resulta ng naturang gravitational maneuver, ang bilis ng rocket ay tumataas hindi ng 1 km / s, ngunit higit pa. At maaari tayong lumipad sa Saturn."
Pero may tumutol.
“Oo, tataas ang kapangyarihan ng rocket malapit sa Jupiter. Ang rocket ay makakatanggap ng karagdagang enerhiya. Ngunit, lumipad palabas sa larangan ng atraksyon ng Jupiter, mawawala ang lahat ng karagdagang enerhiyang ito. Ang enerhiya ay dapat manatili sa potensyal na balon ng Jupiter, kung hindi, magkakaroon ng isang bagay tulad ng isang walang hanggang motion machine, at ito ay imposible. Samakatuwid, walang pakinabang mula sa gravitational maneuver. Nagsasayang lang tayo ng oras."

Kaya, ang rocket ay hindi malayo sa Jupiter at halos hindi gumagalaw na nauugnay dito. Ang rocket ay may makina na may sapat na gasolina upang mapataas ang bilis ng rocket ng 1 km/sec lamang. Upang madagdagan ang kahusayan ng makina, iminungkahi na magsagawa ng gravitational maneuver: "i-drop" ang rocket sa Jupiter. Siya ay lilipat sa kanyang larangan ng atraksyon kasama ang isang parabola (tingnan ang larawan). At sa pinakamababang punto ng trajectory (minarkahan ng pulang krus sa larawan) ay mag-on l makina. Ang bilis ng rocket malapit sa Jupiter ay magiging 60 km/sec. Matapos pabilisin ito ng makina, ang bilis ng rocket ay tataas sa 61 km / s. Ano ang bilis ng rocket kapag umalis ito sa field of gravity ng Jupiter?

Ang gawaing ito ay nasa loob ng kapangyarihan ng isang mag-aaral sa high school, kung, siyempre, alam niyang mabuti ang pisika. Una kailangan mong magsulat ng isang formula para sa kabuuan ng mga potensyal at kinetic energies. Pagkatapos ay tandaan ang formula para sa potensyal na enerhiya sa gravitational field ng bola. Tingnan sa reference book, kung ano ang gravitational constant, pati na rin ang mass ng Jupiter at ang radius nito. Gamit ang batas ng konserbasyon ng enerhiya at pagsasagawa ng algebraic transformations, kumuha ng pangkalahatang panghuling formula. At sa wakas, ang pagpapalit ng lahat ng mga numero sa formula at paggawa ng mga kalkulasyon, makuha ang sagot. Naiintindihan ko na walang sinuman (halos walang sinuman) ang nais na bungkalin ang ilang mga formula, kaya susubukan ko, nang hindi pinipilit ka sa anumang mga equation, upang ipaliwanag ang solusyon ng problemang ito "sa mga daliri". Sana gumana! :) .

Kung ang rocket ay nakatigil, ang kinetic energy nito ay zero. At kung ang rocket ay gumagalaw sa bilis na 1 km / s, pagkatapos ay ipagpalagay natin na ang enerhiya nito ay 1 yunit. Alinsunod dito, kung ang rocket ay gumagalaw sa bilis na 2 km / s, kung gayon ang enerhiya nito ay 4 na yunit, kung 10 km / s, pagkatapos ay 100 na yunit, atbp. Ito ay malinaw. Nalutas na natin ang kalahati ng problema.
Sa puntong minarkahan ng isang krus (tingnan ang larawan), ang bilis ng rocket ay 60 km / s, at ang enerhiya ay 3600 na mga yunit. Sapat na ang 3600 units para lumipad palabas ng field of gravity ng Jupiter. Matapos mapabilis ang rocket, ang bilis nito ay naging 61 km / s, at ang enerhiya, ayon sa pagkakabanggit, 61 squared (kumuha kami ng calculator) 3721 na mga yunit. Kapag ang isang rocket ay lumipad palabas ng Jupiter's field of gravity, ito ay kumokonsumo lamang ng 3600 units. May natitira pang 121 units. Ito ay tumutugma sa bilis (kumuha ng square root) na 11 km/sec. Nalutas ang problema. Ito ay hindi isang pagtatantya, ngunit isang EXACT na sagot.

Nakikita namin na ang gravitational maneuver ay maaaring gamitin upang makakuha ng karagdagang enerhiya. Sa halip na pabilisin ang rocket sa 1 km / s, maaari itong mapabilis sa 11 km / s (121 beses na mas maraming enerhiya, kahusayan - 12 libong porsyento!), Kung mayroong ilang napakalaking katawan tulad ng Jupiter sa malapit.

Dahil sa kung ano ang natanggap namin ng MALAKING pakinabang sa enerhiya? Dahil sa katotohanan na iniwan nila ang ginastos na gasolina hindi sa walang laman na espasyo malapit sa rocket, ngunit sa isang malalim na potensyal na balon na nilikha ng Jupiter. Ang ginastos na gasolina ay nakatanggap ng malaking potensyal na enerhiya na may MINUS sign. Samakatuwid, ang rocket ay nakatanggap ng malaking kinetic energy na may PLUS sign.

Pag-ikot ng vector

Ipagpalagay na nagpapalipad tayo ng rocket malapit sa Jupiter at gusto nating pataasin ang bilis nito. Pero wala kaming gasolina. Sabihin na nating mayroon tayong panggatong para itama ang ating kurso. Ngunit ito ay malinaw na hindi sapat upang kapansin-pansing ikalat ang rocket. Maaari ba nating kapansin-pansing taasan ang bilis ng isang rocket gamit ang gravity assist?
Sa pinakakaraniwang anyo nito, ganito ang hitsura ng gawaing ito. Lumipad kami sa gravitational field ng Jupiter nang medyo mabilis. Pagkatapos ay lumipad na kami palabas ng field. Magbabago ba ang ating bilis? At gaano kalaki ang mababago nito?
Solusyonan natin ang problemang ito.

Mula sa pananaw ng isang tagamasid na nasa Jupiter (o sa halip, nakatigil na nauugnay sa sentro ng masa nito), ganito ang hitsura ng aming maniobra. Una, ang rocket ay nasa isang malaking distansya mula sa Jupiter at gumagalaw patungo dito sa bilis na V. Pagkatapos, papalapit sa Jupiter, ito ay bumibilis. Sa kasong ito, ang rocket trajectory ay hubog at, tulad ng nalalaman, sa pinaka-pangkalahatang anyo nito ay isang hyperbole. Ang pinakamataas na bilis ng rocket ay nasa pinakamababang diskarte. Ang pangunahing bagay dito ay hindi bumagsak sa Jupiter, ngunit lumipad sa tabi nito. Matapos ang pinakamababang diskarte, ang rocket ay magsisimulang lumayo mula sa Jupiter, at ang bilis nito ay bababa. Sa wakas, lilipad ang rocket mula sa larangan ng grabidad ng Jupiter. Ano ang magiging bilis niya? Eksaktong katulad noong pagdating. Lumipad ang rocket papunta sa gravitational field ng Jupiter sa bilis na V at lumipad palabas dito sa eksaktong kaparehong bilis ng V. May nagbago ba? Walang nagbago. Ang DIRECTION ng bilis ay nagbago. Ito ay mahalaga. Dahil dito, makakagawa tayo ng gravitational maneuver.

Sa katunayan, ang mahalaga para sa atin ay hindi ang bilis ng rocket na may kaugnayan sa Jupiter, ngunit ang bilis nito na may kaugnayan sa Araw. Ito ang tinatawag na heliocentric velocity. Sa ganoong bilis, ang rocket ay gumagalaw sa solar system. Ang Jupiter ay gumagalaw din sa paligid ng solar system. Ang heliocentric velocity vector ng rocket ay maaaring mabulok sa kabuuan ng dalawang vectors: Jupiter's orbital velocity (mga 13 km/sec) at ang rocket's velocity RELATIVELY sa Jupiter. Walang kumplikado dito! Ito ang karaniwang tuntunin sa tatsulok para sa pagdaragdag ng vector, na itinuro sa ika-7 baitang. At ang panuntunang ito ay SAPAT na upang maunawaan ang kakanyahan ng gravity maneuver.

Mayroon kaming apat na bilis. Ang U(1) ay ang bilis ng ating rocket na may kaugnayan sa Araw BAGO ang gravity assist. Ang V(1) ay ang bilis ng rocket na may kaugnayan sa Jupiter BAGO ang gravity assist. Ang V(2) ay ang bilis ng rocket na may kaugnayan sa Jupiter PAGKATAPOS ng gravity assist. Ang V(1) at V(2) ay PANTAY sa magnitude, ngunit MAGKAIBA sila ng direksyon. Ang U(2) ay ang bilis ng rocket na may kaugnayan sa Araw PAGKATAPOS ng gravity assist. Upang makita kung paano nauugnay ang lahat ng apat na bilis na ito, tingnan ang figure.

Ang berdeng arrow AO ay ang bilis ng Jupiter sa orbit nito. Ang pulang arrow AB ay U(1): ang bilis ng ating rocket na may kaugnayan sa Araw BAGO ang gravity assist. Ang yellow arrow na OB ay ang bilis ng ating rocket na may kaugnayan sa Jupiter BAGO ang gravitational maneuver. Ang yellow OS arrow ay ang bilis ng rocket na may kaugnayan sa Jupiter PAGKATAPOS ng gravity assist. Ang bilis na ito ay DAPAT nasa isang lugar sa dilaw na bilog ng OB radius. Dahil sa coordinate system nito, HINDI MAAARI baguhin ng Jupiter ang halaga ng bilis ng rocket, ngunit maaari lamang itong paikutin sa isang tiyak na anggulo (alpha). At panghuli, AC ang kailangan natin: U(2) rocket speed AFTER the gravity assist.

Tingnan kung gaano ito kasimple. Ang bilis ng rocket PAGKATAPOS ng gravity assist AC ay katumbas ng bilis ng rocket BAGO ang gravity assist AB kasama ang vector BC. At ang BC vector ay isang PAGBABAGO sa bilis ng rocket sa frame of reference ng Jupiter. Dahil OS - OB = OS + IN = IN + OS = BC. Kung mas umiikot ang velocity vector ng rocket sa Jupiter, mas magiging epektibo ang gravitational maneuver.

Kaya, ang isang rocket na WALANG gasolina ay lilipad sa gravitational field ng Jupiter (o ibang planeta). Ang laki ng bilis nito BAGO at PAGKATAPOS ng maniobra na may kaugnayan sa Jupiter ay HINDI NAGBABAGO. Ngunit dahil sa pag-ikot ng velocity vector na may kaugnayan sa Jupiter, nagbabago pa rin ang velocity ng rocket na may kaugnayan sa Jupiter. At ang vector ng pagbabagong ito ay idinagdag lamang sa velocity vector ng rocket BAGO ang maneuver. Sana naipaliwanag ko ng malinaw ang lahat.

Upang mas maunawaan ang kakanyahan ng gravitational maneuver, susuriin natin ito gamit ang halimbawa ng Voyager 2, na lumipad malapit sa Jupiter noong Hulyo 9, 1979. Tulad ng makikita mula sa graph (tingnan ang larawan), lumipad siya hanggang sa Jupiter sa bilis na 10 km / s, at lumipad palabas ng kanyang gravitational field sa bilis na 20 km / s. Dalawang numero lamang: 10 at 20.
Magugulat ka kung gaano karaming impormasyon ang maaaring makuha mula sa mga numerong ito:
1. Kakalkulahin natin ang bilis ng Voyager 2 noong umalis ito sa gravitational field ng Earth.
2. Hanapin natin ang anggulo kung saan lumapit ang apparatus sa orbit ni Jupiter.
3. Kalkulahin ang pinakamababang distansya na nilipad ng Voyager 2 sa Jupiter.
4. Alamin natin kung ano ang hitsura ng trajectory nito na may kaugnayan sa isang observer na matatagpuan sa Jupiter.
5. Hanapin ang anggulo kung saan lumihis ang spacecraft pagkatapos makaharap si Jupiter.

Hindi kami gagamit ng mga kumplikadong formula, ngunit gagawin ang mga kalkulasyon, gaya ng dati, "sa mga daliri", kung minsan ay gumagamit ng mga simpleng guhit. Gayunpaman, magiging tumpak ang mga sagot na makukuha namin. Sabihin na lang natin na maaaring hindi sila eksakto, dahil ang mga numero 10 at 20 ay malamang na hindi eksakto. Ang mga ito ay kinuha mula sa tsart at bilugan. Bilang karagdagan, ang iba pang mga numero na gagamitin namin ay ibibilog din. Pagkatapos ng lahat, mahalagang maunawaan natin ang gravitational maneuver. Samakatuwid, kukunin namin ang mga numero 10 at 20 bilang eksaktong, upang mayroong isang bagay na mabuo.

Solusyonan natin ang unang problema.
Sumang-ayon tayo na ang enerhiya ng Voyager-2 na gumagalaw sa bilis na 1 km/sec ay 1 yunit. Ang pinakamababang bilis ng pag-alis mula sa solar system mula sa orbit ng Jupiter ay 18 km/sec. Ang graph ng bilis na ito ay nasa larawan, ngunit ito ay matatagpuan tulad nito. Kinakailangang i-multiply ang orbital speed ng Jupiter (mga 13 km / s) sa ugat ng dalawa. Kung ang Voyager 2, kapag papalapit sa Jupiter, ay may bilis na 18 km / s (enerhiya 324 na yunit), kung gayon ang kabuuang enerhiya nito (ang kabuuan ng kinetic at potensyal) sa gravitational field ng Araw ay EKSAKTO na katumbas ng zero. Ngunit ang bilis ng Voyager 2 ay 10 km / s lamang, at ang enerhiya ay 100 yunit. Ibig sabihin, mas mababa sa:
324-100 = 224 na unit.
Ang kakulangan ng enerhiya na ito ay NILALAMAN habang ang Voyager 2 ay naglalakbay mula sa Earth patungo sa Jupiter.
Ang pinakamababang bilis ng pag-alis mula sa solar system mula sa orbit ng Earth ay humigit-kumulang 42 km / s (medyo higit pa). Upang mahanap ito, kailangan mong i-multiply ang bilis ng orbital ng Earth (mga 30 km / s) sa ugat ng dalawa. Kung ang Voyager 2 ay lumalayo sa Earth sa bilis na 42 km/sec, ang kinetic energy nito ay magiging 1764 units (42 squared) at ang kabuuan ay magiging ZERO. Tulad ng nalaman na natin, ang enerhiya ng Voyager 2 ay mas mababa sa 224 na mga yunit, iyon ay, 1764 - 224 = 1540 na mga yunit. Kinukuha namin ang ugat ng numerong ito at hanapin ang bilis kung saan lumipad ang Voyager 2 mula sa gravity field ng Earth: 39.3 km / s.

Kapag ang isang spacecraft ay inilunsad mula sa Earth patungo sa panlabas na bahagi ng solar system, pagkatapos ito ay inilunsad, bilang panuntunan, kasama ang orbital velocity ng Earth. Sa kasong ito, ang bilis ng paggalaw ng Earth ay ADDED sa bilis ng apparatus, na humahantong sa isang malaking pakinabang sa enerhiya.

At paano nalutas ang isyu sa DIREKSYON ng bilis? Napakasimple. Naghihintay sila hanggang sa maabot ng Earth ang nais na bahagi ng orbit nito upang ang direksyon ng bilis nito ang kailangan. Sabihin, kapag naglulunsad ng isang rocket sa Mars, mayroong isang maliit na "window" sa oras kung saan ito ay napaka-maginhawa upang ilunsad. Kung, sa ilang kadahilanan, ang paglulunsad ay nabigo, kung gayon ang susunod na pagtatangka, maaari mong siguraduhin, ay hindi mas maaga kaysa sa dalawang taon mamaya.

Nang sa pagtatapos ng 70s ng huling siglo ang mga higanteng planeta ay nakalinya sa isang tiyak na pagkakasunud-sunod, maraming mga siyentipiko - mga espesyalista sa celestial mechanics ang nagmungkahi na samantalahin ang isang masayang aksidente sa lokasyon ng mga planetang ito. Ang isang proyekto ay iminungkahi kung paano isakatuparan ang Grand Tour sa minimal na gastos - isang paglalakbay sa LAHAT ng mga higanteng planeta nang sabay-sabay. Na ginawa nang may tagumpay.
Kung mayroon tayong walang limitasyong mga mapagkukunan at gasolina, maaari tayong lumipad saanman natin gusto, kahit kailan natin gusto. Ngunit dahil ang enerhiya ay kailangang i-save, ang mga siyentipiko ay nagsasagawa lamang ng mga flight na matipid sa enerhiya. Makatitiyak ka na ang Voyager 2 ay inilunsad sa direksyon ng paggalaw ng Earth.
Tulad ng aming nakalkula kanina, ang bilis nito na nauugnay sa Araw ay 39.3 km/sec. Nang lumipad ang Voyager 2 patungong Jupiter, ang bilis nito ay bumaba sa 10 km / s. Saan siya ipinadala?
Ang projection ng bilis na ito sa orbital velocity ng Jupiter ay matatagpuan mula sa batas ng konserbasyon ng angular momentum. Ang radius ng orbit ng Jupiter ay 5.2 beses kaysa sa orbit ng Earth. Kaya, kailangan mong hatiin ang 39.3 km / s sa 5.2. Nakakakuha kami ng 7.5 km / s. Iyon ay, ang cosine ng anggulo na kailangan natin ay 7.5 km / s (Voyager velocity projection) na hinati ng 10 km / s (Voyager velocity), nakakakuha kami ng 0.75. Ang anggulo mismo ay 41 degrees. Sa anggulong ito, lumipad ang Voyager 2 sa orbit ng Jupiter.

Alam ang bilis ng Voyager 2 at ang direksyon ng paggalaw nito, maaari tayong gumuhit ng geometric na diagram ng gravity assist. Ginagawa ito ng ganito. Pinipili namin ang punto A at iginuhit mula dito ang vector ng orbital velocity ng Jupiter (13 km / s sa napiling sukat). Ang dulo ng vector na ito (berdeng arrow) ay tinutukoy ng letrang O (tingnan ang larawan 1). Pagkatapos mula sa punto A, iginuhit namin ang velocity vector ng Voyager 2 (10 km / s sa napiling sukat) sa isang anggulo na 41 degrees. Ang dulo ng vector na ito (pulang arrow) ay tinutukoy ng titik B.
Ngayon ay bumuo kami ng isang bilog (dilaw na kulay) na may sentro sa punto O at radius |OB| (tingnan ang larawan 2). Ang dulo ng velocity vector bago at pagkatapos ng gravitational maneuver ay maaari lamang nakahiga sa bilog na ito. Ngayon gumuhit kami ng isang bilog na may radius na 20 km/sec (sa napiling sukat) na nakasentro sa punto A. Ito ang bilis ng Voyager pagkatapos ng gravity assist. Nag-intersect ito sa dilaw na bilog sa isang punto C.

Nakuha namin ang gravity assist na ginawa ng Voyager 2 noong Hulyo 9, 1979. Ang AO ay ang orbital velocity vector ng Jupiter. Ang AB ay ang velocity vector kung saan ang Voyager 2 ay lumapit sa Jupiter. Ang anggulo ng OAB ay 41 degrees. Ang AC ay ang velocity vector ng Voyager 2 PAGKATAPOS ng gravity assist. Makikita mula sa pagguhit na ang anggulo ng OAC ay humigit-kumulang 20 degrees (kalahati ng anggulo ng OAB). Kung nais, ang anggulo na ito ay maaaring kalkulahin nang eksakto, dahil ang lahat ng mga tatsulok sa pagguhit ay ibinigay.
Ang OB ay ang velocity vector kung saan ang Voyager 2 ay papalapit sa Jupiter, MULA SA PANANAW ng isang tagamasid sa Jupiter. OS - Vector ng bilis ng Voyager pagkatapos ng maniobra na nauugnay sa nagmamasid sa Jupiter.

Kung ang Jupiter ay hindi umiikot at ikaw ay nasa subsolar na bahagi (ang Araw ay nasa zenith nito), makikita mo ang Voyager 2 na lumilipat mula Kanluran patungo sa Silangan. Una, lumitaw ito sa kanlurang bahagi ng kalangitan, pagkatapos, papalapit, naabot ang Zenith, lumilipad malapit sa Araw, at pagkatapos ay nawala sa abot-tanaw sa Silangan. Ang velocity vector nito ay lumiko, gaya ng makikita mula sa pagguhit, ng humigit-kumulang 90 degrees (angle alpha).

Ang Voyager spacecraft ay ang pinakamalayo na bagay na ginawa ng tao mula sa Earth. Ito ay nagmamadali sa kalawakan sa loob ng 40 taon, na matagal nang natupad ang pangunahing layunin nito - ang pag-aaral ng Jupiter at Saturn. Mga larawan ng malalayong planeta ng solar system, ang sikatmaputla asul tuldokat "Litrato ng Pamilya", isang gintong disc na may impormasyon tungkol sa Earth - lahat ng ito ay maluwalhating mga pahina sa kasaysayan ng Voyager at mga astronautika ng mundo. Ngunit ngayon hindi kami aawit ng mga himno sa sikat na aparato, ngunit susuriin namin ang isa sa mga teknolohiya, kung wala ang apatnapung taong paglipad ay hindi mangyayari. Kilalanin: His Majesty the gravity maneuver.

Ang pakikipag-ugnayan ng gravitational, ang hindi gaanong naiintindihan sa apat na magagamit, ay nagtatakda ng tono para sa lahat ng astronautics. Ang isa sa mga pangunahing gastos sa panahon ng paglulunsad ng isang spacecraft ay ang halaga ng mga puwersa na kinakailangan upang madaig ang gravitational field ng Earth. At ang bawat gramo ng payload sa isang spacecraft ay dagdag na gasolina sa isang rocket. Ito ay lumiliko ang isang kabalintunaan: upang kumuha ng higit pa, kailangan mo ng mas maraming gasolina, na tumitimbang din. Iyon ay, upang madagdagan ang masa, kailangan mong dagdagan ang masa. Siyempre, ito ay isang napaka-pangkalahatang larawan. Sa katotohanan, ang mga tumpak na kalkulasyon ay nagpapahintulot sa iyo na kunin ang kinakailangang pagkarga at dagdagan ito kung kinakailangan. Ngunit ang gravity, tulad ng sinabi ni Sheldon Cooper, ay isang walang puso, ahem, asong babae.

Gaya ng kadalasang nangyayari, sa anumang kababalaghan ay may dalawahang katangian. Ang parehong ay totoo na may kaugnayan sa gravity at astronautics. Nagawa ng tao na gamitin ang gravitational pull ng mga planeta sa pakinabang ng kanyang mga flight sa kalawakan, at dahil dito, apatnapung taon nang nag-aararo ng interstellar space si Voyager nang hindi gumagastos ng gasolina.

Hindi alam kung sino ang unang nagkaroon ng ideya ng isang gravitational maneuver. Kung iisipin mo ito, maaabot mo ang mga unang astronomo ng Egypt at Babylon, na, sa mabituing mga gabi sa timog, napanood kung paano binago ng mga kometa ang kanilang tilapon at bilis, na dumadaan sa mga planeta.

Ang unang pormal na ideya ng isang gravitational maneuver ay nagmula sa mga labi nina Friedrich Arturovich Zander at Yuri Vasilyevich Kondratyuk noong 1920s at 30s, sa panahon ng theoretical cosmonautics. Yuri Vasilyevich Kondratyuk (tunay na pangalan - Alexander Ivanovich Shargey) - isang natitirang inhinyero at siyentipiko ng Sobyet na, nang nakapag-iisa kay Tsiolkovsky, mismo ang lumikha ng mga scheme ng isang oxygen-hydrogen rocket, na iminungkahi gamit ang kapaligiran ng planeta para sa pagpepreno, ay bumuo ng isang proyekto para sa isang descent vehicle. para sa landing sa isang celestial body , na pagkatapos ay ginamit ng NASA para sa lunar mission. Si Friedrich Zander ay isa sa mga taong nakatayo sa pinagmulan ng Russian astronautics. Siya ay, at sa loob ng ilang taon ay pinamunuan, ang GIRD - Rocket Propulsion Research Group, isang komunidad ng mga masigasig na inhinyero na nagtayo ng unang mga prototype ng rocket na may likidong propellant. Sa kumpletong kawalan ng anumang materyal na interes, minsan ay binibiro ang GIRD bilang isang Grupo ng mga Inhinyero na Nagtatrabaho para sa Wala.

Yuri Vasilievich Kondratyuk
Pinagmulan: wikimedia.org

Humigit-kumulang limampung taon ang lumipas sa pagitan ng mga panukala na ginawa nina Kondratyuk at Zander at ang praktikal na pagpapatupad ng gravity maneuver. Hindi posible na tumpak na maitatag ang unang kagamitan na pinabilis ng grabidad - inaangkin ng mga Amerikano na ito ay Mariner 10 noong 1974. Sinasabi namin na ito ay Luna 3 noong taong 1959. Ito ay isang bagay ng kasaysayan, ngunit ano nga ba ang isang gravity maneuver?

Ang kakanyahan ng gravitational maneuver

Isipin ang isang ordinaryong carousel sa bakuran ng isang ordinaryong bahay. Pagkatapos ay iikot ito sa isip hanggang sa bilis na x kilometro bawat oras. Pagkatapos ay kumuha ng rubber ball sa iyong kamay at itapon ito sa umiikot na carousel sa bilis na y kilometro bawat oras. Basta ingatan mo yang ulo mo! At ano ang makukuha natin bilang resulta?

Mahalagang maunawaan dito na ang kabuuang bilis ay hindi tiyak na ganap, ngunit nauugnay sa punto ng pagmamasid. Mula sa carousel, at mula sa iyong posisyon, tatalbog ang bola sa carousel sa bilis na x + y - ang kabuuan para sa carousel at bola. Kaya, inililipat ng carousel ang bahagi ng kinetic energy nito (mas tiyak, momentum) sa bola, sa gayon ay pinabilis ito. Bukod dito, ang halaga ng enerhiya na nawala mula sa carousel ay katumbas ng dami ng enerhiya na inilipat sa bola. Ngunit dahil sa ang katunayan na ang carousel ay malaki at cast iron, at ang bola ay maliit at goma, ang bola ay lilipad sa mataas na bilis sa gilid, at ang carousel ay bumagal lamang ng kaunti.

Ngayon, ilipat natin ang sitwasyon sa kalawakan. Isipin ang isang normal na Jupiter sa isang normal na solar system. Pagkatapos ay iikot ito sa isip ... bagaman, huminto, hindi ito kinakailangan. Isipin mo na lang si Jupiter. Isang sasakyang pangkalawakan ang lumipad sa kanya at, sa ilalim ng impluwensya ng higante, nagbabago ang tilapon at bilis nito. Ang pagbabagong ito ay maaaring ilarawan bilang isang hyperbola - ang bilis ay unang tumataas habang papalapit ka, at pagkatapos ay bumababa habang lumalayo ka. Mula sa punto ng view ng isang potensyal na naninirahan sa Jupiter, ang aming spacecraft ay bumalik sa orihinal nitong bilis sa pamamagitan lamang ng pagbabago ng direksyon. Ngunit alam natin na ang mga planeta ay umiikot sa Araw, at kahit na sa napakabilis. Jupiter, halimbawa, sa bilis na 13 km/s. At kapag lumipad ang aparato, sinalo ito ni Jupiter sa pamamagitan ng gravity nito at hinihila ito kasama, ibinabato ito nang mas mabilis kaysa sa dati! Ito ay kung lumipad ka sa likod ng planeta na may kaugnayan sa direksyon ng paggalaw nito sa paligid ng Araw. Kung lumipad ka sa harap nito, ang bilis, ayon sa pagkakabanggit, ay babagsak.

gravity maneuver. Pinagmulan: wikimedia.org

Ang ganitong pamamaraan ay nakapagpapaalaala sa paghagis ng mga bato mula sa isang lambanog. Samakatuwid, ang isa pang pangalan para sa maneuver ay "gravity sling". Kung mas malaki ang bilis ng planeta at ang masa nito, mas maaari mong pabilisin o pabagalin ang larangan ng gravitational nito. Mayroon ding isang maliit na trick - ang tinatawag na Orbet effect.

Pinangalanan pagkatapos ng Hermann Orbet, ang epektong ito ay maaaring ilarawan sa pinaka-pangkalahatang mga termino tulad ng sumusunod: ang isang jet engine na gumagalaw sa mataas na bilis ay gumagawa ng mas kapaki-pakinabang na gawain kaysa sa parehong mabagal na paggalaw. Ibig sabihin, ang makina ng spacecraft ay magiging pinaka-episyente sa "pinakamababang" punto ng tilapon, kung saan ang gravity ang higit na hihilahin. Naka-on sa sandaling ito, makakatanggap ito ng mas malaking salpok mula sa nasunog na gasolina kaysa sa matatanggap nito mula sa mga gravitating na katawan.

Ang paglalagay ng lahat ng ito sa isang larawan, makakakuha tayo ng napakahusay na acceleration. Ang Jupiter, halimbawa, na may sariling bilis na 13 km / s, ay maaaring theoretically mapabilis ang barko sa pamamagitan ng 42.7 km / s, Saturn - sa pamamagitan ng 25 km / s, mas maliit na mga planeta, Earth at Venus - sa pamamagitan ng 7-8 km / s. Dito agad bumukas ang imahinasyon: ano ang mangyayari kung maglulunsad tayo ng isang teoretikal na kagamitang hindi masusunog patungo sa Araw at bumibilis palayo dito? Sa katunayan, ito ay posible, dahil ang Araw ay umiikot sa gitna ng masa. Ngunit pag-isipan natin nang mas malawak - ano ang mangyayari kung lilipad tayo sa isang neutron star, habang ang bayani ni McConaughey ay lumipad sa Gargantua (isang black hole) sa Interstellar? Magkakaroon ng acceleration ng humigit-kumulang 1/3 ng bilis ng liwanag. Kaya kung mayroon tayong angkop na barko at isang neutron star sa ating pagtatapon, kung gayon ang naturang tirador ay maaaring maglunsad ng isang barko patungo sa rehiyon ng Proxima Centauri sa loob lamang ng 12 taon. Ngunit ito ay isa pa ring ligaw na pantasya.

Mga maniobra ng manlalakbay

Nang sabihin ko sa simula ng artikulo na hindi kami aawit ng mga himno sa Voyager, nagsisinungaling ako. Ang pinakamabilis at pinakamalayo na kagamitan ng sangkatauhan, na nagdiriwang din ng 40 taon sa taong ito, makikita mo, ay karapat-dapat na banggitin.

Ang mismong ideya ng pagpunta sa malalayong planeta ay naging posible sa pamamagitan ng gravitational maneuvers. Hindi makatarungan na hindi banggitin ang nagtapos na estudyante ng UCLA na si Michael Minovich, na nagkalkula ng mga epekto ng gravitational sling at nakumbinsi ang mga propesor sa Jet Propulsion Laboratory na kahit na may teknolohiyang magagamit noong 60s, posible itong lumipad sa malalayong planeta.

Larawan ng Jupiter na kinunan ng Voyager

Gravity maneuver upang pabilisin ang isang bagay Gravity maneuver upang pabagalin ang isang bagay Gravity maneuver upang pabilisin, i-decelerate o baguhin ang direksyon ng paglipad ng isang spacecraft, sa ilalim ng impluwensya ng mga gravitational field ng celestial bodies ... ... Wikipedia

Gravity maneuver upang pabilisin ang isang bagay Gravity maneuver upang pabagalin ang isang bagay Gravity maneuver upang pabilisin, i-decelerate o baguhin ang direksyon ng paglipad ng isang spacecraft, sa ilalim ng impluwensya ng mga gravitational field ng celestial bodies ... ... Wikipedia

- ... Wikipedia

Ito ay isa sa mga pangunahing geometric na parameter ng mga bagay na nabuo sa pamamagitan ng isang conic na seksyon. Mga Nilalaman 1 Ellipse 2 Parabola 3 Hyperbola ... Wikipedia

Ang isang artipisyal na satellite ay isang orbital maneuver, ang layunin nito (sa pangkalahatang kaso) ay ilipat ang satellite sa isang orbit na may ibang hilig. Mayroong dalawang uri ng naturang maniobra: Ang pagpapalit ng hilig ng orbit sa ekwador. Ginawa sa pamamagitan ng pagsasama ... ... Wikipedia

Isang sangay ng celestial mechanics na nag-aaral sa paggalaw ng mga artificial space body: mga artipisyal na satellite, interplanetary station at iba pang spacecraft. Kasama sa saklaw ng mga gawain ng astrodynamics ang pagkalkula ng mga orbit ng spacecraft, ang pagpapasiya ng mga parameter ... ... Wikipedia

Ang Oberth effect sa astronautics ay ang epekto na ang isang rocket engine na gumagalaw sa mataas na bilis ay gumagawa ng mas magagamit na enerhiya kaysa sa parehong makina na gumagalaw nang mabagal. Ang epekto ng Oberth ay sanhi ng katotohanan na kapag ... ... Wikipedia

Customer ... Wikipedia

At ang equipotential ibabaw ng isang sistema ng dalawang katawan Lagrange puntos, libration point (lat. librātiō tumba) o L puntos ... Wikipedia

Mga libro

• Mga bagay ng ikadalawampu siglo sa mga guhit at litrato. Ipasa sa kalawakan! Mga pagtuklas at tagumpay. Set ng 2 libro, . "Pasulong, sa kalawakan! Mga pagtuklas at tagumpay" Mula noong sinaunang panahon, pinangarap ng tao na humiwalay sa lupa at masakop ang kalangitan, at pagkatapos ay ang kalawakan. Mahigit isang daang taon na ang nakalilipas, ang mga imbentor ay nag-iisip na tungkol sa paglikha ...
• Patungo sa kalawakan! Mga pagtuklas at tagumpay, Klimentov Vyacheslav Lvovich, Sigorskaya Yulia Alexandrovna. Mula noong sinaunang panahon, pinangarap ng tao na humiwalay sa lupa at masakop ang kalangitan, at pagkatapos ay ang kalawakan. Mahigit isang daang taon na ang nakalilipas, ang mga imbentor ay nag-iisip na tungkol sa paglikha ng mga sasakyang pangkalawakan, ngunit ang simula ng espasyo ...

May isa pang paraan upang mapabilis ang isang bagay sa bilis na malapit sa bilis ng liwanag - upang gamitin ang "sling effect". Kapag nagpapadala ng space probe sa ibang mga planeta, minsan ginagawa silang maniobrahin ng NASA sa paligid ng kalapit na planeta upang magamit ang "sling. effect" upang higit pang ikalat ang device. Ito ay kung paano nai-save ng NASA ang mahalagang rocket fuel. Ito ay kung paano nagawang lumipad ng Voyager 2 spacecraft patungo sa Neptune, na ang orbit ay nasa pinakadulo ng solar system.

Si Freeman Dyson, isang physicist sa Princeton, ay gumawa ng isang kawili-wiling mungkahi. Kung balang araw sa malayong hinaharap, ang sangkatauhan ay namamahala upang makita sa kalawakan ang dalawang neutron na bituin na umiikot sa isang karaniwang sentro sa mataas na bilis, kung gayon ang isang barko ng Daigdig, na lumilipad nang napakalapit sa isa sa mga bituin na ito, ay maaaring, dahil sa isang gravitational maneuver, ay makakapulot ng isang bilis na katumbas ng halos isang katlo ng bilis ng liwanag. Bilang resulta, ang barko ay magpapabilis sa halos liwanag na bilis dahil sa gravity. Sa teorya, maaaring mangyari ito.

Sa katotohanan lamang ang ganitong paraan ng pagpapabilis sa tulong ng grabidad ay hindi gagana. (Ang batas ng konserbasyon ng enerhiya ay nagsasabi na ang isang roller coaster cart, na bumibilis sa pagbaba at bumabagal sa pag-akyat, ay napupunta sa tuktok sa eksaktong parehong bilis tulad ng sa pinakadulo simula - walang pagtaas sa enerhiya. Katulad nito, ang pagbabalot sa paligid ng nakatigil na Araw , matatapos tayo sa eksaktong kaparehong bilis kung paano natin sinimulan ang maniobra.) Ang pamamaraang Dyson na may dalawang neutron na bituin ay sa prinsipyo ay maaaring gumana, ngunit dahil lamang sa mabilis na paggalaw ng mga neutron na bituin. Ang isang spacecraft na gumagamit ng gravitational maneuver ay tumatanggap ng pagtaas ng enerhiya dahil sa paggalaw ng isang planeta o bituin. Kung sila ay hindi gumagalaw, ang gayong maniobra ay hindi gagana.

At ang mungkahi ni Dyson, bagama't maaari itong gumana, ay hindi makakatulong sa mga siyentipiko ngayon sa Earth, dahil ang pagbisita sa mabilis na umiikot na mga neutron na bituin ay mangangailangan muna ng pagbuo ng isang starship.

Mula sa baril hanggang sa langit

Ang isa pang mapanlikhang paraan upang ilunsad ang isang barko sa kalawakan at pabilisin ito sa kamangha-manghang bilis ay ang pagbaril dito mula sa isang rail electromagnetic "gun", na inilarawan ni Arthur C. Clarke at ng iba pang mga may-akda ng science fiction sa kanilang mga gawa. Ang proyektong ito ay kasalukuyang seryosong isinasaalang-alang bilang isang posibleng bahagi ng Star Wars missile shield.

Ang pamamaraan ay binubuo sa paggamit ng enerhiya ng electromagnetism upang mapabilis ang rocket sa mataas na bilis sa halip na rocket fuel o gunpowder.

Sa pinakasimpleng nito, ang baril ng tren ay dalawang parallel wires o riles; ang rocket projectile, o missile, ay "nakaupo" sa magkabilang riles, na bumubuo ng isang hugis-U na configuration. Kahit na alam ni Michael Faraday na ang puwersa ay kumikilos sa isang frame na may electric current sa isang magnetic field. (Sa pangkalahatan, ang lahat ng mga de-koryenteng motor ay gumagana sa prinsipyong ito.) Kung ang isang electric current ng milyun-milyong amperes ay dumaan sa mga riles at projectile, isang napakalakas na magnetic field ay lilitaw sa paligid ng buong sistema, na kung saan, ay magtutulak sa projectile sa kahabaan ng riles, pabilisin ito sa napakalaking bilis at itapon ito sa kalawakan mula sa dulo ng sistema ng riles.

Sa panahon ng mga pagsubok, matagumpay na nagpaputok ng mga metal na bagay ang mga electromagnetic na baril na naka-mount sa riles sa napakabilis na bilis, na nagpapabilis sa mga ito sa napakaikling distansya. Kapansin-pansin, sa teorya, ang isang ordinaryong baril ng tren ay may kakayahang magpaputok ng metal projectile sa bilis na 8 km / s; ito ay sapat na upang ilagay ito sa mababang orbit ng Earth. Sa prinsipyo, ang buong rocket fleet ng NASA ay maaaring mapalitan ng mga baril ng tren, na magpapaputok ng isang payload papunta sa orbit nang direkta mula sa ibabaw ng Earth.

Ang railgun ay may malaking pakinabang sa mga kemikal na baril at rocket. Kapag nagpaputok ka ng baril, ang maximum na bilis kung saan ang mga lumalawak na gas ay maaaring itulak ang bala palabas ng bariles ay nalilimitahan ng bilis ng shock wave. Si Jules Berne sa klasikong nobelang "From the Earth to the Moon" ay bumaril ng projectile kasama ang mga astronaut patungo sa Buwan gamit ang pulbura, ngunit sa katunayan madaling kalkulahin na ang maximum na bilis na maibibigay ng isang pulbos na singil sa isang projectile ay maraming beses na mas mababa kaysa ang bilis na kailangan para lumipad papunta sa Buwan . Ang railgun, sa kabilang banda, ay hindi gumagamit ng explosive expansion ng mga gas at samakatuwid ay hindi nakadepende sa anumang paraan sa bilis ng pagpapalaganap ng shock wave.

Ngunit ang railgun ay may sariling mga problema. Ang mga bagay sa ibabaw nito ay bumibilis nang napakabilis kaya malamang na ma-flat ang mga ito dahil sa banggaan... sa hangin. Ang kargamento ay malubha ang deform kapag ang railgun ay pinaputok mula sa nguso, dahil kapag ang projectile ay tumama sa hangin, ito ay tulad ng pagtama sa isang brick wall. Bilang karagdagan, sa panahon ng acceleration, ang projectile ay nakakaranas ng napakalaking acceleration, na sa kanyang sarili ay may kakayahang lubos na deforming ang load. Ang mga riles ay dapat na palitan nang regular, dahil ang projectile ay nagpapa-deform din sa kanila kapag gumagalaw. Bukod dito, ang labis na karga sa isang baril ng tren ay nakamamatay sa mga tao; Ang mga buto ng tao ay hindi makatiis sa gayong pagbilis at pagbagsak.

Ang isang solusyon ay ang paglalagay ng railgun sa Buwan. Doon, sa labas ng atmospera ng lupa, ang projectile ay makakapagpabilis nang walang hadlang sa vacuum ng outer space. Ngunit kahit na sa Buwan, ang projectile sa panahon ng acceleration ay makakaranas ng napakalaking overload na maaaring makapinsala at ma-deform ang payload. Sa isang kahulugan, ang railgun ay ang kabaligtaran ng isang laser sail, na unti-unting tumataas ng bilis sa paglipas ng panahon. Ang mga limitasyon ng baril ng tren ay tiyak na tinutukoy ng katotohanan na naglilipat ito ng napakalaking enerhiya sa katawan sa isang maikling distansya at sa maikling panahon.

Ang isang railgun na may kakayahang magpaputok ng isang bapor sa pinakamalapit na mga bituin ay magiging isang napakamahal na konstruksyon. Kaya, ang isa sa mga proyekto ay nagbibigay para sa pagtatayo sa bukas na espasyo ng isang baril ng tren na may haba na dalawang-katlo ng distansya mula sa Earth hanggang sa Araw. Ang baril na ito ay kailangang mag-imbak ng solar energy at pagkatapos ay gugulin ito nang sabay-sabay, na nagpapabilis ng isang sampung toneladang kargamento sa bilis na katumbas ng ikatlong bahagi ng bilis ng liwanag. Sa kasong ito, ang "projectile" ay makakaranas ng labis na karga ng 5000 g. Siyempre, tanging ang pinakamatagal na robot ships ang makaka-"survive" sa naturang paglulunsad.