Els vols amb naus espacials impliquen un gran consum d'energia. Per exemple, el vehicle de llançament Soiuz, situat a la plataforma de llançament i llest per llançar, pesa 307 tones, de les quals més de 270 tones són combustible, és a dir, la part del lleó. La necessitat de gastar una quantitat boja d'energia en el moviment a l'espai exterior està relacionada en gran mesura amb les dificultats per dominar els confins més llunyans del sistema solar.
Malauradament, encara no s'espera un avenç tècnic en aquesta direcció. La massa de propulsor segueix sent un dels factors clau en la planificació de missions espacials, i els enginyers aprofiten totes les oportunitats per estalviar combustible per allargar el funcionament del dispositiu. Les maniobres de gravetat són una manera d'estalviar diners.
Com volar a l'espai i què és la gravetat
El principi de moure el dispositiu al buit (un entorn del qual és impossible empènyer ni amb una hèlix, ni amb rodes, ni amb qualsevol altra cosa) és el mateix per a tots els tipus de motors de coets fabricats a la Terra. Això és l'empenta del jet. La gravetat s'oposa a la potència d'un motor a reacció. Aquesta batalla contra les lleis de la física s'ha guanyatCientífics soviètics el 1957. Per primera vegada a la història, un aparell fet per mans humanes, havent adquirit la primera velocitat còsmica (uns 8 km/s), es va convertir en un satèl·lit artificial del planeta Terra.
Es van necessitar unes 170 tones de ferro, electrònica, querosè purificat i oxigen líquid per llançar un dispositiu de poc més de 80 kg a l'òrbita terrestre baixa.
De totes les lleis i principis de l'univers, la gravetat és, potser, una de les principals. Ho governa tot, començant per la disposició de partícules elementals, àtoms, molècules i acabant amb el moviment de les galàxies. També és un obstacle per a l'exploració espacial.
No només combustible
Fins i tot abans del llançament del primer satèl·lit artificial de la Terra, els científics van entendre clarament que no només augmentar la mida dels coets i la potència dels seus motors podria ser la clau de l'èxit. Els resultats de càlculs i proves pràctiques van demanar als investigadors que busquessin aquests trucs, que van mostrar com consumeixen els vols fora de l'atmosfera terrestre. La primera decisió d'aquest tipus per als dissenyadors soviètics va ser l'elecció del lloc per a la construcció del cosmòdrom.
Anem a explicar. Per convertir-se en un satèl·lit artificial de la Terra, el coet ha d'accelerar a 8 km/s. Però el nostre planeta mateix està en constant moviment. Qualsevol punt situat a l'equador gira a una velocitat de més de 460 metres per segon. Així, un coet llançat a l'espai sense aire a la zona del paral·lel zero serà en si mateixtenir gairebé mig quilòmetre per segon lliure.
Per això, a les grans extensions de l'URSS, es va triar un lloc al sud (la velocitat de rotació diària a Baikonur és d'uns 280 m/s). El 1964 va aparèixer un projecte encara més ambiciós destinat a reduir l'efecte de la gravetat sobre el vehicle de llançament. Va ser el primer cosmòdrom marí "San Marco", muntat pels italians a partir de dues plataformes de perforació i situat a l'equador. Més tard, aquest principi va ser la base del projecte internacional Sea Launch, que llança amb èxit satèl·lits comercials fins avui.
Qui va ser el primer
Què passa amb les missions a l'espai profund? Els científics de l'URSS van ser pioners a utilitzar la gravetat dels cossos còsmics per canviar la trajectòria de vol. El revers del nostre satèl·lit natural, com sabeu, va ser fotografiat per primera vegada per l'aparell soviètic Luna-1. Era important que, després de volar al voltant de la Lluna, l'aparell tingués temps de tornar a la Terra perquè l'hemisferi nord el tornés cap a ella. Al cap i a la fi, la informació (les imatges fotogràfiques rebudes) s'havia de transmetre a la gent, i les estacions de seguiment, les antenes de ràdio es trobaven precisament a l'hemisferi nord.
Científics nord-americans van aconseguir fer servir maniobres gravitacionals per canviar la trajectòria de la nau espacial amb menys èxit. La nau espacial automàtica interplanetària "Mariner 10" després d'un sobrevol a prop de Venus va haver de reduir la velocitat per anar a una òrbita circumsolar inferior iexplorar Mercuri. En lloc d'utilitzar l'empenta dels motors per a aquesta maniobra, el camp gravitatori de Venus va reduir la velocitat del vehicle.
Com funciona
Segons la llei de la gravitació universal, descoberta i confirmada experimentalment per Isaac Newton, tots els cossos amb massa s'atrauen. La força d'aquesta atracció es mesura i es calcula fàcilment. Depèn tant de la massa dels dos cossos com de la distància entre ells. Com més a prop, més fort. A més, a mesura que els cossos s'acosten, la força d'atracció creix exponencialment.
La figura mostra com les naus espacials, volant a prop d'un gran cos còsmic (algun planeta), canvien la seva trajectòria. A més, el curs del moviment del dispositiu sota el número 1, que vola més lluny de l'objecte massiu, canvia molt lleugerament. Què no es pot dir sobre el dispositiu número 6. El planetoide canvia dràsticament la seva direcció de vol.
Què és una eslinga de gravetat. Com funciona
L'ús de maniobres de gravetat permet no només canviar la direcció de la nau espacial, sinó també ajustar-ne la velocitat.
La figura mostra la trajectòria d'una nau espacial, normalment utilitzada per accelerar-la. El principi de funcionament d'aquesta maniobra és senzill: a la secció de la trajectòria destacada en vermell, el dispositiu sembla que s'està posant al dia amb el planeta que s'escapa d'ell. Un cos molt més massiu atrau un cos més petit amb la seva força de gravetat, dispersant-lo.
Per cert, no només les naus espacials s'acceleren d'aquesta manera. Se sap que els cossos celestes que no estan lligats a les estrelles recorren la galàxia amb força i força. Poden ser tant asteroides relativament petits (un dels quals, per cert, ara visita el sistema solar) com planetoides de mida decent. Els astrònoms creuen que és la fona gravitatòria, és a dir, l'impacte d'un cos còsmic més gran, la que llença objectes menys massius dels seus sistemes, condemnant-los a errants eterns en el fred gelat de l'espai buit.
Com reduir la velocitat
Però, utilitzant les maniobres gravitatòries de les naus espacials, no només podeu accelerar, sinó també alentir-ne el moviment. L'esquema d'aquesta frenada es mostra a la figura.
A la secció de la trajectòria destacada en vermell, l'atracció del planeta, en contrast amb la variant amb una fona gravitatòria, frenarà el moviment de l'aparell. Després de tot, el vector de la gravetat i la direcció de vol del vaixell són oposats.
Quan s'utilitza? Principalment per llançar estacions interplanetàries automàtiques a les òrbites dels planetes estudiats, així com per estudiar regions properes al sol. El cas és que en moure's cap al Sol o, per exemple, cap al planeta Mercuri més proper a l'estrella, qualsevol aparell, si no apliques mesures de frenada, no voldrà o no s'accelerarà. La nostra estrella té una massa increïble i una enorme força d'atracció. Una nau espacial que hagi guanyat una velocitat excessiva no podrà entrar a l'òrbita de Mercuri, el planeta més petit de la família solar. El vaixell només es lliscaràPer tant, el petit Mercuri no pot tirar-ho prou fort. Els motors es poden utilitzar per frenar. Però una trajectòria gravitatòria cap al Sol, per exemple a la Lluna i després a Venus, minimitzaria l'ús de la propulsió de coets. Això vol dir que es necessitarà menys combustible i que el pes alliberat es pot utilitzar per acomodar equips de recerca addicionals.
Entrar-se a l'ull d'una agulla
Si bé les primeres maniobres gravitatòries es van dur a terme de manera tímida i vacil·lant, les rutes de les últimes missions espacials interplanetàries gairebé sempre es planifiquen amb ajustos gravitatoris. El cas és que ara els astrofísics, gràcies al desenvolupament de la tecnologia informàtica, així com a la disponibilitat de les dades més precises sobre els cossos del sistema solar, principalment la seva massa i densitat, disposen de càlculs més precisos. I és necessari calcular la maniobra de gravetat amb molta precisió.
Per tant, establir una trajectòria més allunyada del planeta del necessari està ple del fet que els equips cars no volaran gens allà on estava previst. I la subestimació de la massa pot fins i tot amenaçar la col·lisió del vaixell amb la superfície.
Campió de maniobres
Aquesta, per descomptat, es pot considerar la segona nau espacial de la missió Voyager. Llançat l'any 1977, el dispositiu actualment abandona el seu sistema estel·lar natiu i es retira al desconegut.
Durant el seu funcionament, l'aparell va visitar Saturn, Júpiter, Urà i Neptú. Durant tot el vol va actuar sobre ell l'atracció del Sol, de la qual el vaixell es va allunyant gradualment. Però, gràcies a la gravitació ben calculadamaniobres, per a cadascun dels planetes, la seva velocitat no disminuïa, sinó que creixia. Per a cada planeta explorat, la ruta es va construir sobre el principi d'una fona gravitatòria. Sense l'aplicació de la correcció gravitatòria, la Voyager no hauria estat capaç d'enviar-la tan lluny.
A més dels Voyagers, s'han utilitzat maniobres de gravetat per llançar missions tan conegudes com Rosetta o New Horizons. Així doncs, Rosetta, abans d'anar a buscar el cometa Churyumov-Gerasimenko, va fer fins a 4 maniobres gravitatòries accelerades prop de la Terra i Mart.
