טיסות לחלל כרוכות בצריכת אנרגיה עצומה. כך למשל שיגור סויוז, העומד על משטח השיגור ומוכן לשיגור, שוקל 307 טון, מתוכם למעלה מ-270 טון דלק, כלומר חלק הארי. הצורך לבזבז כמות מטורפת של אנרגיה על תנועה בחלל החיצון קשור במידה רבה לקשיים של השליטה במקומות הרחוקים של מערכת השמש.
למרבה הצער, פריצת דרך טכנית בכיוון זה עדיין לא צפויה. מסת חומר ההנעה נותרה אחד הגורמים המרכזיים בתכנון משימות חלל, ומהנדסים מנצלים כל הזדמנות כדי לחסוך בדלק על מנת להאריך את פעולת המכשיר. תמרוני כבידה הם דרך אחת לחסוך כסף.
איך לטוס בחלל ומהי כוח המשיכה
העיקרון של הזזת המכשיר בוואקום (סביבה שאי אפשר לדחוף ממנה לא באמצעות מדחף, או גלגלים, או כל דבר אחר) זהה לכל סוגי מנועי הטילים המיוצרים על פני כדור הארץ. זהו דחף סילון. כוח הכבידה מתנגד לכוחו של מנוע סילון. הקרב הזה נגד חוקי הפיזיקה ניצחמדענים סובייטים ב-1957. לראשונה בהיסטוריה, מכשיר שנוצר בידי אדם, לאחר שרכש את המהירות הקוסמית הראשונה (כ-8 קמ ש), הפך ללוויין מלאכותי של כדור הארץ.
נדרשו כ-170 טונות של ברזל, אלקטרוניקה, נפט מטוהר וחמצן נוזלי כדי לשגר מכשיר במשקל של קצת יותר מ-80 ק ג למסלול נמוך של כדור הארץ.
מכל החוקים והעקרונות של היקום, כוח הכבידה הוא, אולי, אחד המרכזיים שבהם. הוא שולט בכל, החל בסידור של חלקיקים יסודיים, אטומים, מולקולות וכלה בתנועת הגלקסיות. זה גם מכשול לחקר החלל.
לא רק דלק
עוד לפני שיגור הלוויין המלאכותי הראשון של כדור הארץ, מדענים הבינו בבירור שלא רק הגדלת גודל הרקטות ועוצמת המנועים שלהן יכולה להיות המפתח להצלחה. החוקרים התבקשו לחפש טריקים כאלה על ידי תוצאות חישובים ובדיקות מעשיות, שהראו עד כמה טיסות צריכות דלק מחוץ לאטמוספירה של כדור הארץ. ההחלטה הראשונה כזו עבור מעצבים סובייטים הייתה בחירת האתר לבניית הקוסמודרום.
בוא נסביר. כדי להפוך ללוויין מלאכותי של כדור הארץ, הרקטה צריכה להאיץ ל-8 קמ ש. אבל הפלנטה שלנו עצמה נמצאת בתנועה מתמדת. כל נקודה הממוקמת על קו המשווה מסתובבת במהירות של יותר מ-460 מטר לשנייה. לפיכך, רקטה ששוגרה לחלל חסר אוויר באזור המקבילה האפסית תהיה כשלעצמהיש פנוי כמעט חצי קילומטר לשנייה.
לכן, במרחבים הרחבים של ברית המועצות, נבחר מקום דרומה (מהירות הסיבוב היומי בביקונור היא כ-280 מ'/שניה). פרויקט שאפתני עוד יותר שמטרתו להפחית את השפעת כוח המשיכה על רכב השיגור הופיע ב-1964. זה היה הקוסמודרום הימי הראשון "סן מרקו", שהרכיבו האיטלקים משתי פלטפורמות קידוח וממוקם על קו המשווה. מאוחר יותר, עיקרון זה היווה את הבסיס לפרויקט ה- Sea Launch הבינלאומי, אשר משגר בהצלחה לוויינים מסחריים עד היום.
מי היה הראשון
מה לגבי משימות חלל עמוק? מדענים מברית המועצות היו חלוצים בשימוש בכוח המשיכה של גופים קוסמיים כדי לשנות את נתיב הטיסה. הצד האחורי של הלוויין הטבעי שלנו, כידוע, צולם לראשונה על ידי מכשיר לונה-1 הסובייטי. חשוב היה שלאחר טיסה סביב הירח, המכשיר יספיק לחזור לכדור הארץ כדי שיופנה אליו על ידי חצי הכדור הצפוני. הרי את המידע (התמונות שהתקבלו) היה צריך להעביר לאנשים, ותחנות המעקב, צלחות אנטנות רדיו אותרו בדיוק בחצי הכדור הצפוני.
הצליח לא פחות בהצלחה להשתמש בתמרוני כבידה כדי לשנות את מסלול החללית על ידי מדענים אמריקאים. החללית האוטומטית הבין-כוכבית "Mariner 10" לאחר טיסה ליד נוגה נאלצה להפחית את המהירות כדי להיכנס למסלול circumsolar נמוך יותר.לחקור את מרקורי. במקום להשתמש בדחף הסילון של המנועים לתמרון זה, מהירות הרכב הואטה על ידי שדה הכבידה של נוגה.
איך זה עובד
לפי חוק הכבידה האוניברסלית, שהתגלה ואושר בניסוי על ידי אייזק ניוטון, כל הגופים בעלי המסה מושכים זה את זה. חוזקה של אטרקציה זו נמדדת ומחושבת בקלות. זה תלוי גם במסה של שני הגופים וגם במרחק ביניהם. כמה שיותר קרוב, יותר חזק. יתרה מכך, ככל שגופים מתקרבים זה לזה, כוח המשיכה גדל באופן אקספוננציאלי.
האיור מראה כיצד חלליות, שטסות ליד גוף קוסמי גדול (פלנטה כלשהי), משנות את מסלולן. יתר על כן, מהלך התנועה של המכשיר מתחת למספר 1, הטס הכי רחוק מהאובייקט המאסיבי, משתנה מעט מאוד. מה לא ניתן לומר על המכשיר מספר 6. הפלנטואיד משנה את כיוון הטיסה שלו באופן דרמטי.
מהו קלע כבידה. איך זה עובד
השימוש בתמרוני כבידה מאפשר לא רק לשנות את כיוון החללית, אלא גם להתאים את מהירותה.
האיור מציג את מסלולה של חללית, המשמשת בדרך כלל להאצתה. עקרון הפעולה של תמרון כזה הוא פשוט: בקטע המסלול המודגש באדום, נראה שהמכשיר מדביק את הקצב שבורח ממנו. גוף הרבה יותר מסיבי מושך גוף קטן יותר בכוח הכובד שלו, ומפזר אותו.
אגב, לא רק ספינות חלל מואצות בדרך זו. ידוע שגופים שמימיים שאינם קשורים לכוכבים מסתובבים בגלקסיה בעוצמה ובעיקר. אלה יכולים להיות גם אסטרואידים קטנים יחסית (שאחד מהם, אגב, מבקר כעת במערכת השמש), וגם כוכבי לכת בגודל הגון. אסטרונומים מאמינים כי קלע הכבידה, כלומר פגיעה של גוף קוסמי גדול יותר, הוא זו שמשליך עצמים פחות מסיביים אל מחוץ למערכותיהם, מה שקובע אותם לנדודים נצחיים בקור הקפוא של החלל הריק.
איך להאט
אבל, באמצעות תמרוני הכבידה של חלליות, אתה יכול לא רק להאיץ, אלא גם להאט את תנועתם. התוכנית של בלימה כזו מוצגת באיור.
בקטע של המסלול המודגש באדום, המשיכה של כוכב הלכת, בניגוד לגרסה עם מתלה כבידה, תאט את תנועת המכשיר. אחרי הכל, וקטור הכבידה וכיוון הטיסה של הספינה הפוכים.
מתי משתמשים בו? בעיקר לשיגור תחנות בין-כוכביות אוטומטיות למסלולי כוכבי הלכת הנחקרים, כמו גם לחקר אזורים קרובים לשמש. העובדה היא שכאשר נעים לכיוון השמש או, למשל, לכיוון כוכב הלכת מרקורי הקרוב ביותר לכוכב, כל מכשיר, אם לא מיישמים אמצעים לבלימה, מאיץ ברצון. לכוכב שלנו יש מסה מדהימה וכוח משיכה עצום. חללית שצברה מהירות מופרזת לא תוכל להיכנס למסלולו של מרקורי, כוכב הלכת הקטן ביותר במשפחת השמש. הספינה פשוט תחמוקעל ידי, מרקורי הקטן לא יכול למשוך את זה מספיק חזק. ניתן להשתמש במנועים לבלימה. אבל מסלול כבידה לשמש, נניח בירח ולאחר מכן נוגה, ימזער את השימוש בהנעת רקטה. המשמעות היא שיהיה צורך בפחות דלק, וניתן להשתמש במשקל הפנוי כדי להכיל ציוד מחקר נוסף.
להיכנס לעין של מחט
בעוד שתמרוני כבידה מוקדמים נערכו בביישנות ובהיסוס, המסלולים של משימות החלל הבין-כוכביות האחרונות מתוכננים כמעט תמיד עם התאמות כבידה. העניין הוא שכעת לאסטרופיזיקאים, הודות להתפתחות טכנולוגיית המחשב, כמו גם הזמינות של הנתונים המדויקים ביותר על גופי מערכת השמש, בעיקר המסה והצפיפות שלהם, יש חישובים מדויקים יותר. ויש צורך לחשב את תמרון הכבידה בצורה מדויקת ביותר.
לכן, הנחת מסלול רחוק יותר מכדור הארץ מהנדרש כרוכה בעובדה שציוד יקר לא יעוף כלל לאן שתוכנן. והערכת חסר של המסה יכולה אפילו לאיים על התנגשות הספינה עם פני השטח.
אלוף בתמרונים
זו, כמובן, יכולה להיחשב לחללית השנייה של משימת וויאג'ר. המכשיר, שהושק בשנת 1977, עוזב כעת את מערכת הכוכבים המקומית שלו, פורש אל הלא נודע.
במהלך פעולתו, המנגנון ביקר בשבתאי, צדק, אורנוס ונפטון. לאורך כל הטיסה פעלה עליו משיכה של השמש, ממנה התרחקה הספינה בהדרגה. אבל, הודות לכבידה מחושבת היטבתמרונים, עבור כל אחד מכוכבי הלכת, מהירותו לא ירדה, אלא גדלה. עבור כל כוכב לכת שנחקר, המסלול נבנה על פי העיקרון של קלע כבידה. ללא יישום תיקון כבידה, וויאג'ר לא הייתה יכולה לשלוח אותו עד כאן.
מלבד הוויאג'רס, נעשה שימוש בתמרוני כבידה לשיגור משימות ידועות כמו רוזטה או ניו הורייזנס. אז, רוזטה, לפני שיצאה לחפש את השביט צ'וריומוב-גרסימנקו, ביצעה עד 4 תמרוני כבידה מואצים ליד כדור הארץ ומאדים.
