Многие люди наверняка слышали такое словосочетание: гравитационный манёвр. Иногда диктор центрального телевидения говорит: так, мол, и так, очередная межпланетная станция совершила с целью набрать побольше скорости на пути туда-то туда-то гравитационный манёвр. Однако мало кто знает, как это на самом деле работает. И за счёт каких сил (вовсе не магических!) космические аппараты получают дополнительный импульс словно ниоткуда.
Давайте сегодня попробуем разобраться в этом вопросе. И хочу сразу оговориться: я постараюсь изложить суть вопроса максимально упрощённо. Так, как я это понимаю. На пальцах, если можно так сказать. Без использования формул и прочих заумных штук. Для того чтобы самый обыкновенный человек получил представление об этом весьма интересном и остроумном способе изменения параметров движения космического аппарата.
Итак, что же такое гравитационный манёвр?
Хитрый трюк
Суть метода заключается в том, что космический аппарат (КА) использует гравитационное поле планеты, пролетая возле неё, для получения дополнительной энергии и изменения траектории своего движения.
Совершение гравитационного манёвра позволяет существенно сократить расход топлива, а также позволяет увеличивать скорость движения космического аппарата без дополнительных энергозатрат. Это позволяет КА совершать путешествие к далёким планетам и их спутникам, двигаясь к ним по специальным траекториям.
Гравитационный манёвр используют все космические аппараты, которые отправляются в космические экспедиции по Солнечной системе. Например, такой манёвр использовал марсоход «Curiosity», чтобы достичь Марса. И космический зонд «New Horizons», который достиг Плутона, тоже.
Гравитационный манёвр имеет и недостатки. Во-первых, необходимо очень точно рассчитать траекторию полёта КА, чтобы он «правильно» облетел планету для получения максимального эффекта. Во-вторых, КА может испытать значительные перегрузки, когда пролетает вблизи планеты. И это может повлиять на работоспособность его оборудования.
Всё это очень здорово! (Скажите Вы, мой друг). Но конкретнее можно? Откуда берётся дополнительная энергия? Если КА приближается к Юпитеру, например, он, конечно, будет ускоряться. Но когда облетит планету, и начнёт от неё удаляться, он снова начнёт замедляться! И его скорость в итоге окажется точно такой же, как и в начале! Иначе получается, что мы берём энергию из ничего! Так что ли?
Да, мой дорогой друг. На первый взгляд кажется, что ускорение корабля после прохождения вблизи планеты нарушает закон сохранения энергии. Однако это на самом деле вовсе не так. Объяснение сейчас будет.
(Чтобы не заморачиваться с векторным исчислением, будем делать его на очень простых примерах).
Итак, начнём.
Гравитационный манёвр
При сближении КА с планетой его скорость увеличивается. Из-за воздействия гравитационной силы. И чем больше будет масса планеты, и чем ближе подойдёт к ней наш корабль, тем большую скорость он разовьёт. И также очевидно, что по мере того, как корабль будет удаляться, гравитация будет замедлять его. Вроде бы всё ясно. Какой тогда смысл в гравитационном манёвре? Посмотрите внимательно на картинку снизу. Видите стрелочки? Они направлены в разные стороны.
Я надеюсь, что Вы уже поняли пользу гравитационного манёвра. Однако это еще далеко на всё. До основной части объяснения принципа его работы мы пока не добрались. В данном случае мы видим, что в зависимости от угла сближения с планетой и скорости КА можно добиться разной степени отклонения от исходной траектории.
Итак, мы установили, что такой подход позволяет изменять траекторию корабля, не тратя топливо. Это позволяет ему достигать тех мест в Солнечной системе, куда он не смог бы попасть без запуска двигателей, изменяющих направление его движения.
Однако, очевидно, это не самая большая полезность гравитационного манёвра. Дело в том, что с помощью гравитации можно разогнать КА, а не просто изменить направление его траектории!
Покатай меня, большая черепаха!
Да, в приведённом выше примере конечная скорость корабля точно такая же, как и начальная! Однако она такая же по отношению к планете. А планета не висит неподвижно в космосе. Она движется относительно Солнца, как и наш КА. А что важно в ходе путешествий по Солнечной системе? Правильно. Важна скорость относительно Солнца!
Итак, вернёмся к нашему примеру, приведённому выше, но теперь в системе отсчёта Солнца. Предположим, глядя на наш двухмерный рисунок, что нашему КА нужно ускориться «вверх». Потому что наш пункт назначения в Солнечной системе находится именно в этом направлении. Тогда мы бы поступили следующим образом: мы бы сделали так, чтобы встреча нашего корабля с планетой произошла в тот момент, когда планета движется вокруг Солнца в точном направлении, в котором мы хотим, чтобы двигался наш корабль.
В самом начале статьи мы договорились, что постараемся избежать сложных формул. Потому что от уравнений у многих из нас кружится голова и возникает депрессия. Поэтому давайте просто попробуем представить себе такую ситуацию: планета не стоит на месте, когда к ней приближается наш корабль, а движется вокруг Солнца в определённом направлении. Когда корабль проходит близко к планете, планета притягивает его к себе под действием силы тяжести, но поскольку и сама планета движется, она даёт «дополнительный» толчок кораблю в направлении своего движения относительно Солнца. Именно поэтому наш КА после встречи с планетой имеет большую скорость в направлении движения, чем имел до гравитационного манёвра.
Подождите (можете сказать Вы). Да, всё это прекрасно. И я не вижу здесь никакой ошибки. В системе отсчёта планеты энергия сохраняется, потому что корабль движется относительно неё с той же скоростью, что и в начале. Но как же быть с Солнцем? Ведь корабль теперь движется относительно него быстрее, чем раньше! Откуда, ёшкин кот, взялась энергия? Или в данном случае закон сохранения энергии не работает, так что ли?
Энергия, конечно же, не берётся из ниоткуда. Да, наш корабль двигается теперь быстрее. И имеет больше энергии, чем раньше. Он взял её у… планеты!
Сумасшедший трактор
Представьте, что Вы едете на велосипеде по пыльной дороге. До Саратова еще 52 километра, очень жарко и почти уже не осталось сил. И тут мимо вас проезжает трактор. И Вы хватаетесь за его борт. Тракториста весьма забавляет сложившаяся ситуация. И он прибавляет газ, начиная гомерически хохотать. У Вас не остаётся выбора. И на скорости 70 км/ч Вы отпускаете сумасшедший трактор. Но теперь у Вас больше скорости и больше энергии, чем до того, как Вы его поймали. А вот трактор теперь имеет меньше энергии, чем изначально.
Дело в том, что масса нашего КА – просто пылинка по сравнению с массой планеты. Поэтому скорость планеты практически не меняется на протяжении всего процесса. Но, строго говоря, после прохода корабля планета продолжает двигаться бесконечно медленнее, чем в начале.
Итак, вот в чём дело, друзья мои: гравитационный манёвр использует энергию движения планеты в тот момент, когда направление её движения совпадает с направлением на цель путешествия КА. Это позволяет «украсть» часть её скорости. И, таким образом, как бы подтолкнуть КА в правильном направлении.
На практике это выглядит так: инженеры, и сочувствующие им люди запускают космические миссии тогда, когда планеты, которые будут использоваться в качестве естественных «движителей», окажутся в нужной конфигурации.