Польоти космічних апаратів пов'язані з величезною витратою енергії. Наприклад, ракета-носій «Союз», що стоїть на стартовому столі і готова до запуску, важить 307 тонн, з яких понад 270 тонн становить паливо, тобто левова частка. З необхідністю витрачати божевільне кількість енергії на пересування в космічному просторі багато в чому пов'язані труднощі освоєння далеких рубежів Сонячної системи. На превеликий жаль, технічного прориву на цьому напрямі поки що не очікується. Маса палива залишається одним з ключових чинників при плануванні космічних місій, і інженери користуються будь можливістю заощадити пальне, щоб продовжити роботу апарату. Одним із способів економії є гравітаційні маневри.

Як літають у космосі і що таке гравітація

Принцип переміщення апарата в безповітряному просторі (середовищі, від якої неможливо відштовхнутися ні гвинтом, ні колесами, нічим іншим) єдиний для всіх типів, виготовлених на Землі, ракетних двигунів. Це – реактивна тяга. Протистоїть потужності реактивного двигуна гравітація. Це бій з законами фізики було виграно радянськими вченими в 1957 році. Вперше в історії апарат, зроблений руками людини, придбавши першу космічну швидкість (близько 8 км/с), став штучним супутником планети Земля. Для того щоб вивести на навколоземну орбіту апарат вагою понад 80 кг, знадобилося близько 170 тонн (саме стільки важила ракета Р-7 доставила супутник на орбіту) заліза, електроніки, очищеного гасу і рідкого кисню.


З усіх законів і принципів світобудови гравітація – це, мабуть, один з основних. Вона заправляє всім, починаючи з пристрою елементарних частинок, атомів, молекул і закінчуючи рухом галактик. Вона ж є і перешкодою на шляху освоєння космічного простору.

Не тільки паливо

Ще до запуску першого штучного супутника Землі вчені чітко розуміли, що не тільки збільшення розмірів ракет і потужності їх двигунів може бути запорукою успіху. До пошуку таких хитрощів дослідників підштовхнули результати розрахунків і практичних випробувань, які показали наскільки затратні за пальному польоти за межі земної атмосфери. Першим таким рішенням для радянських конструкторів став вибір майданчика будівництва космодрому. Объяснимся. Щоб стати штучним супутником Землі, ракеті необхідно розігнатися до 8 км/с. Але і наша планета сама перебуває в безперервному русі. Будь-яка точка, розташована на екваторі, обертається зі швидкістю більше 460 метрів в секунду. Таким чином, ракета, яка вийшла в безповітряний простір в районі нульової паралелі, сама по собі буде мати безкоштовних майже півкілометра в секунду. Саме тому на широких просторах СРСР було вибрано місце південніше (швидкість добового обертання в Байконурі становить близько 280 м/с). Ще більш амбітний проект, спрямований на те, щоб зменшити вплив гравітації на ракету-носій, з'явився в 1964 році. Ним став перший морський космодром «Сан-Марко», зібраний італійцями з двох бурових платформ і розташований на екваторі. Пізніше цей принцип ліг в основу міжнародного проекту «Морський старт», успішно запускає комерційні супутники донині.

Хто був першим

А як з далекими космічними місіями? Піонерами у використанні гравітації космічних тіл для зміни траєкторії польоту були вчені з СРСР. Зворотна сторона нашого природного супутника, як відомо, уперше була сфотографована радянським апаратом «Луна-1». Важливо було, щоб після обльоту Місяця апарат встиг повернутися до Землі так, щоб та була звернена до нього північним півкулею. Адже інформацію (отримані фотозображення) необхідно було передати людям, а станції стеження, тарілки радіоантен знаходилися саме в північній півкулі. Не менш вдало вдалося використати гравітаційні маневри для зміни траєкторії космічного апарату американським ученим. Межпланетному автоматичного кораблю «Марінер 10» після прольоту поблизу Венери необхідно було зменшити швидкість, для того щоб перейти на більш низьку околосолнечную орбіту і досліджувати Меркурій. Замість того щоб використовувати для цього маневру реактивну тягу двигунів, швидкість руху апарату була сповільнена гравітаційним полем Венери.

Як це працює

Відповідно до закону всесвітнього тяжіння, відкритого і підтвердженого експериментально Ісааком Ньютоном, всі тіла, що володіють масою, притягують один одного. Сила цього тяжіння легко вимірюється і розраховується. Вона залежить як від маси обох тіл, так і від відстані між ними. Чим ближче, тим сильніше. Причому з наближенням тіл один до одного сила тяжіння зростає в геометричній прогресії. На малюнку видно, як космічні апарати, пролітаючи поблизу великого космічного тіла (якоїсь планети), змінюють свою траєкторію. Причому курс руху апарату під номером 1 пролітає далі всіх від масивного об'єкта, змінюється зовсім незначно. Чого не скажеш про апараті № 6. Планетоид змінює його напрямок польоту кардинально.

Що таке гравітаційна пращі. Як вона діє

Використання гравітаційних маневрів дозволяє не тільки змінити напрямок руху космічного корабля, але і скорегувати його швидкість. На малюнку зображена траєкторія космічного корабля, зазвичай використовувана для його розгону. Принцип дії такого маневру простий: на виділений червоним кольором ділянці траєкторії апарат як ніби наздоганяє тікала від нього планету. Набагато більш масивне тіло силою свого тяжіння захоплює менша за собою, розганяючи його. До речі, таким чином розганяються не лише космічні кораблі. Відомо, що по галактиці щосили розгулюють небесні тіла, не прив'язані до зірок. Це можуть бути як порівняно невеликі астероїди (один з яких, до речі, зараз відвідує Сонячну систему), так і планетоїди пристойних розмірів. Астрономи вважають, що саме гравітаційна праща, тобто вплив більш великого космічного тіла, викидає менш масивні об'єкти за межі своїх систем, прирікаючи їх на вічні поневіряння в крижаному холоді порожнього космосу.

Як знизити швидкість

Але, застосовуючи гравітаційні маневри космічних апаратів, можна не тільки прискорювати, але і уповільнювати їх рух. Схема такого гальмування показана на малюнку. На виділений червоним кольором ділянці траєкторії тяжіння планети, на відміну від варіанту з гравітаційної пращ, буде затормаживать рух апарату. Адже вектор сили тяжіння і напрямок польоту корабля протилежні. В яких випадках це використовується? В основному для виходу автоматичних міжпланетних станцій на орбіти мов планет, а також для вивчення околосолнечных областей. Справа в тому, що при русі до Сонця або, наприклад, до найближчої до світила планеті Меркурію будь-який апарат, якщо не вживати заходів для гальмування, волею-неволею розганятися. Наша зірка володіє неймовірною масою і величезною силою тяжіння. Набрав надмірну швидкість космічний апарат не зможе вийти на орбіту Меркурія – найменшої планети сонячної сімейства. Корабель просто проскочить повз, крихітка Меркурій не зможе досить сильно притягнути його. Для гальмування можна використовувати двигуни. Але траєкторія польоту до Сонця з гравітаційним маневром, скажімо у Місяця і потім Венери, дозволить мінімізувати використання ракетної тяги. Значить, знадобиться менше палива, і звільнився вагу можна буде використовувати для розміщення додаткової дослідницької апаратури.

Потрапити в голкове вушко

Якщо перші гравітаційні маневри проводилися боязко й нерішуче, маршрути останніх міжпланетних космічних місій практично завжди плануються з гравітаційної коригуванням. Вся справа в тому, що зараз астрофізикам, завдяки розвитку комп'ютерної техніки, а також наявності точних даних про тіла Сонячної системи, в першу чергу їх масі і щільності, доступні більш точні обчислення. А розраховувати гравітаційний маневр необхідно надзвичайно точно. Так, прокладка траєкторії далі від планети, ніж потрібно, чревата тим, що дорога техніка полетить зовсім не туди, куди планувалося. А недооцінка маси і зовсім може загрожувати зіткнення корабля з поверхнею.

Чемпіон за маневрів

Таким, безумовно, можна вважати другий космічний апарат місії «Вояджер». Запущений у 1977 році апарат в даний час покидає межі рідної зоряної системи, віддаляючись у невідомість. За час роботи апарат відвідав Сатурн, Юпітер, Уран і Нептун. На нього на всьому протязі польоту діяло тяжіння Сонця, від якого корабель поступово віддалявся. Але, завдяки грамотно розрахованим гравітаційних маневрів, у кожної з планет його швидкість не зменшувалася, а зростала. У кожній дослідженій планети маршрут був побудований за принципом гравітаційної пращі. Без застосування гравітаційної корекції «Вояджер» не вдалося б відправити так далеко. Крім «Вояджерів» гравітаційні маневри були використані при запуску таких всім відомих місій, як «Розетта» або «Нові горизонти». Так, «Розетта», перш ніж відправитися на пошуки комети Чурюмова-Герасименко, зробила аж 4 розгінних гравітаційних маневрів у Землі і Марса.