Painovoiman liike

Gravitaatioliike , harvemmin häiriöliike, on avaruusaluksen liikeradan ja lentonopeuden tarkoituksellinen muutos taivaankappaleiden painovoimakenttien vaikutuksesta .

Sen onnistui ensimmäisen kerran vuonna 1959 Neuvostoliiton automaattinen planeettojenvälinen asema (AMS) Luna-3 . Käytetään usein nopeuttamaan automaattisia planeettojen välisiä asemia, jotka lähetetään aurinkokunnan ja sen ulkopuolella oleville kaukaisille kohteille polttoaineen säästämiseksi ja lentoajan lyhentämiseksi. Tässä sovelluksessa se tunnetaan myös nimellä "gravitational slingshot" ( englannin sanasta  gravitational slingshot ). Sitä voidaan käyttää myös avaruusaluksen hidastamiseen , ja joissain tapauksissa tärkeintä on muuttaa sen liikesuuntaa . Tehokkaimmat gravitaatioliikkeet jättiläisplaneetoilla, mutta liikkeitä käytetään usein lähellä Venusta , Maata , Marsia ja jopa Kuuta .

Manööverin periaate

Gravitaatioliike tarkoittaa kiertävän avaruuslentokoneen lähestymistä, jossa on melko massiivinen taivaankappale (planeetta tai planeettasatelliitti), joka pyörii saman massakeskuksen ympärillä (tähdet tai planeetat, vastaavasti). Esimerkiksi Maan läheisyydessä on mahdollista suorittaa gravitaatioliike lähestymällä Kuuta, ja aurinkokunnan sisällä lentäessä gravitaatioliikkeet ovat mahdollisia lähellä aurinkoa kiertäviä planeettoja [1] .

Yksinkertaistetussa esityksessä [Comm. 1] , gravitaatioliike lähellä yhtä aurinkokunnan planeetoista on seuraava: avaruusalus astuu planeetan toiminta-alueelle [Comm. 2] , jonka nopeus v suhteessa planeettaan. Tämä nopeus määräytyy eron [Comm. 3] laitteen V in ja planeetan V pl nopeudet suhteessa aurinkoon (katso kuvassa kolmio 1). Planetosentrisessä koordinaattijärjestelmässä avaruusalus kiertää planeetan hyperbolista lentorataa pitkin ja poistuu sen toiminta -alueelta nopeudella v out . Tässä tapauksessa nopeudet v sisään ja v ulos ovat absoluuttisesti yhtä suuret , mutta niillä on eri suunta, joka eroaa kulmalla φ . Kun laite poistuu planeetan toiminta-alueelta, sen heliosentrinen nopeus V out on nopeuksien V pl ja v out summa (katso kolmio 2). Nopeuksien V out ja V in (katso kuva 3 ) välistä eroa kutsutaan nopeuden lisäykseksi [Comm. 4] ja se on painovoimaliikkeen tulos.

Nopeuden lisäys ei riipu planeetan kiertoradan nopeudesta, vaan suhteellisesta lähestymisnopeudesta v in , planeetan massasta ja tehollisesta alueesta [Comm. 5] b  — mitä lähempänä avaruusaluksen lentorata kulkee planeettaa, sitä suurempi on poikkeama φ ja sitä suurempi on nopeuden kasvu. Vähimmäisetäisyyttä rajoittaa tarve välttää avaruusalusten kosketusta planeetan (mukaan lukien sen ilmakehän, jos sellainen on) kanssa.

Taivaanmekaniikan laeista seuraa, että suurin mahdollinen nopeuden lisäys saavutetaan, kun v in on yhtä suuri kuin kiertoradan nopeus planeetta lähimpänä lähestymispisteessä. Poikkeutuskulma φ on tässä tapauksessa 60°. Suurin mahdollinen nopeuden lisäysvektorin moduuli painovoiman liikkeissä lähellä aurinkokunnan kappaleita on esitetty taulukossa (arvot km/s):

Merkurius Venus Maapallo Kuu Mars Jupiter Saturnus Uranus Neptunus Pluto
3.005 7.328 7.910 1,680 3,555 42,73 25.62 15.18 16.73 1.09

Käytännössä saavutettavissa oleva nopeuden lisäys riippuu liikkeen tarkoituksesta [6] .

Painovoiman rooli avaruustutkimuksessa

Ennen gravitaatioliikkeen käytännön kehittämistä suurimman osan aurinkokunnasta tutkiminen jäi ongelmalliseksi. Kemiallisten rakettien avulla saavutettavissa oleva maasta poistumisnopeus mahdollisti kohdeplaneetan keinotekoisen satelliitin lennon kiertoradalle vain maapalloa lähinnä oleville planeetoille: Venukselle ja Marsille. Merkuriukselle, Jupiterille ja Saturnukselle se oli teoriassa mahdollista vain lyhyt vierailu planeetan läheisyydessä. Aurinkokunnan kauempana olevien alueiden tutkimista ja sen ylittämistä kemiallisten rakettien avulla pidettiin mahdottomina tai epäkäytännöllisenä johtuen liian pitkästä lentoajasta energiatehokkaita elliptisiä ( Hohmann ) lentoratoja pitkin. Näin ollen aurinkokunnan alueiden, jotka ovat kaukana maasta 50-luvun lopulla - 1960-luvun alussa, tutkiminen näytti tutkijoille kaukaisen tulevaisuuden tehtävältä, joka vaati tehokkaampien suihkumoottoreiden (esimerkiksi ydin- tai sähkömoottorien ) kehittämistä. ) [7] .

  • Painovoimaliikkeen käyttäminen:

  • hidastaa lentoa

  • nopeuttaa lentoa - "painovoimahihna"

Gravitaatioliike lähellä kiertoradalla liikkuvaa massiivista taivaankappaletta - planeetta tai planeetan suuri luonnollinen satelliitti - mahdollistaa avaruusaluksen kineettisen energian muuttamisen ilman polttoaineen kulutusta. Itse asiassa puhumme taivaankappaleen ja avaruusaluksen kineettisen energian uudelleenjaosta. Sikäli kuin laitteen liike-energia muuttuu, myös taivaankappaleen kiertoradalla liikkumisen kineettinen energia muuttuu vastakkaiseen suuntaan. Koska keinotekoisen avaruusaluksen massa on katoavan pieni verrattuna minkä tahansa gravitaatioliikenteeseen soveltuvan taivaankappaleen (mukaan lukien planeettasatelliitit) massaan, tämän kappaleen kiertoradan muutos osoittautuu mitättömäksi [Comm. 6] . Siten gravitaatioliike on "ilmainen" ja tehokas tapa nopeuttaa, hidastaa tai muuttaa avaruusalusten suuntaa, jotta voidaan tutkia koko aurinkokuntaa ja mennä sen pidemmälle olemassa olevien rakettitekniikoiden avulla.

Historia

Jo satoja vuosia sitten tähtitieteilijät olivat tietoisia muutoksista komeettojen liikeradassa ja kineettisessä energiassa heidän lähestyessään massiivisia kappaleita, esimerkiksi Jupiteria [9] . Ajatus suurten taivaankappaleiden vetovoiman tarkoituksellisesta käyttämisestä avaruusalusten lennon suunnan ja nopeuden muuttamiseksi esitettiin 1900-luvulla eri kirjoittajien toimesta, usein toisistaan ​​riippumatta.

Vuonna 1938 yksi kosmonautikan perustajista Yu. V. Kondratyuk luovutti ilmailuhistorioitsijalle B. N. Vorobjoville käsikirjoituksen "Niille, jotka lukevat rakentaakseen" [10] . Se ilmaisee ajatuksen käyttää planeettojen satelliittien painovoimaa planeettojen välisen lennon aikana avaruusaluksen lisäkiihdytykseen matkan alussa ja hidastamiseen matkan lopussa [11] . Kondratyuk itse päiväsi käsikirjoituksen vuosille 1918-19, mutta T. M. Melkumovin mukaan [Comm. 7] tämä päivämäärä on kyseenalainen [13] .

F. A. Zander kuvasi yksityiskohtaisesti periaatteet avaruusaluksen suunnan ja nopeuden muuttamisesta lentäessä planeettojen ja niiden satelliittien ympäri artikkelissa "Lennot muille planeetoille (planeettojen välisen matkan teoria)", joka on päivätty 1924–25 ja julkaistu vuonna 1961 . 14] .

1930-luvulta lähtien painovoimaliikkeet ovat olleet esillä tieteiskirjallisuudessa. Yksi esimerkki on Lester del Reyn novelli "Habit", joka julkaistiin ensimmäisen kerran vuonna 1939. Tarinan sankari voittaa avaruuskilpailun käyttämällä Jupiterin painovoimaa kääntämään aluksensa ympäri menettämättä nopeutta.

Vuonna 1954 British Interplanetary Societyn jäsen, matemaatikko Derek Lowden totesi, että monet kirjoittajat ehdottavat polttoaineenkulutuksen vähentämistä lentäessäsi muille planeetoille käyttämällä aurinkokunnan eri kappaleiden vetovoimaa, mutta tällaisten laskentamenetelmien avulla. liikkeitä ei ymmärretä hyvin [9] .

Vuonna 1956 seitsemännessä kansainvälisessä astronautiikkakongressissa italialainen tiedemies Gaetano Crocco ehdotti suunnitelmaa non-stop-miehitetylle lennolle maa-Mars-Venus-Maa -radalla, joka laskettiin siten, että avaruusaluksen taipuma Venuksen vetovoima kompensoi Marsin vetovoiman aiheuttamaa poikkeamaa lentäessään sen ympärillä lyhyellä matkalla. Lentosuunnitelmassa oli vain yksi avaruusaluksen kiihdytys suihkumoottorilla ja matka-aika oli tasan vuosi, mikä erotti sen suotuisasti Hohmannin lentoratoja pitkin lennosta Marsiin . Se sai mainetta nimellä " Croco's Great Journey " [15] .

Vuonna 1957 Neuvostoliiton tiedeakatemian V. A. Steklovin matemaattisen instituutin (OPM MIAN) sovelletun matematiikan laitoksen jatko-opiskelija V. A. Egorov julkaisi artikkelin "Joistain Kuuhun lentämisen dynamiikan ongelmista", joka sai maailmanlaajuisesti. tunnustaminen [16] . Tämä työ sisälsi gravitaatioliikkeiden tutkimuksen Kuun lähellä avaruusaluksen nopeuttamiseksi tai hidastamiseksi. Egorovin johtopäätökset osoittautuivat lähellä Zanderin päätelmiä [17] .

Käytännössä gravitaatiooperaation suoritti ensimmäisen kerran vuonna 1959 Neuvostoliiton avaruusasema Luna-3 , joka otti kuvia kuun toiselta puolelta . Avaruusaluksen kiertoradan muutos Kuun painovoiman vaikutuksesta laskettiin siten, että sen paluumatka Maahan kulki pohjoisen pallonpuoliskon yli , jonne Neuvostoliiton havaintoasemat olivat keskittyneet [18] [19] . Manööverin laskenta perustui M. V. Keldyshin johdolla suoritettuun OPM MIANin tutkimukseen , jossa käytettiin Egorovin työn tuloksia [20] .

Vuonna 1961 Michael Minovich , Kalifornian yliopiston Los Angelesissa jatko-opiskelija , joka työskenteli NASAn Jet Propulsion Laboratoryssa (JPL), alkoi tutkia kysymystä painovoima- apujen käytöstä planeettojen välisissä lennoissa. Kolmen kappaleen ongelman numeeriseen ratkaisuun hän käytti IBM 7090 -tietokonetta , jolla oli tuon ajan nopeusennätys [21] . Vuonna 1963 hän julkaisi teoksen The Determination and Characteristics of Ballistic Interplanetary Trajectories Under the Influence of Multiple Planetary Attractions, jossa tarkasteltiin gravitaatioliikkeen käyttöä planeettojen välisillä lennoilla, mukaan lukien toistuvasti saman tehtävän aikana [22] .

Minovichin tutkimus ei saanut välitöntä tunnustusta JPL-kollegoilta. Hänen ohjelmaa ja laskentatuloksiaan ei käytetty suoraan, mutta vuonna 1964 ne tarjosivat tilaisuuden tutkia käytännön mahdollisuutta lentää Merkuriukseen käyttämällä painovoimaapua Venuksen lähellä [9] . Samana vuonna he saivat toisen JPL-harjoittelijan, Gary Flandron huomion , joka tutki mahdollisuutta käyttää painovoimaapua säästääkseen polttoainetta ja aikaa lentäessään robottiluotaimia aurinkokunnan ulkoplaneetoille. Ennen kuin hän tutustui Minovichin työhön, hän turvautui Hohmannin ja Croccon työhön sekä Erike Krafftin vuoden kirjaan " Space Flight", joka sisälsi kuvauksen gravitaatioliikkeen käsitteestä.

Flandro alkoi itsenäisesti laskea "realistisia tehtäväprofiileja", jotka mahdollistaisivat painovoima-avustimen käytön Jupiterin lähellä saavuttaakseen kaukaiset planeetat tunnetuilla hyötykuormilla ja taatun avaruusalusten käytettävyyden. Laskeessaan "laukaisuikkunoita" hän huomasi Minovichista riippumatta, että 1980-luvun alussa olisi mahdollisuus lentää Jupiter, Saturnus, Uranus ja Neptunus yhdellä laitteella harvinaisen (kerran 176 vuodessa) lähestymisen vuoksi. näistä planeetoista kiertoradalla. Hyödyntääkseen tätä tilaisuutta avaruusaluksen piti lähteä maasta 1970-luvun lopulla. Flandro esitteli tutkimuksensa tulokset sisäisessä JPL:n julkaisussa vuonna 1965, ja vuonna 1966 hän julkaisi Fast Reconnaissance Missions to the Outer Solar Systemin, joka hyödyntää Jupiterin gravitaatiokentästä peräisin olevaa energiaa [22] .

Vuonna 1965, työskennellessään Stanley Kubrickin kanssa elokuvassa 2001: A Space Odyssey , englantilainen tieteiskirjailija Arthur C. Clarke ehdotti Discovery 1 -avaruusaluksen painovoima-avustajan kuvaamista Jupiterin painovoimakentässä keinona saavuttaa Saturnus. Tätä ideaa ei toteutettu elokuvassa Saturnuksen realistiseen kuvaamiseen tarvittavien erikoistehosteiden monimutkaisuuden vuoksi, mutta se sisällytettiin Clarkin samannimiseen romaaniin , joka julkaistiin vuonna 1968 [23] .

Vuonna 1969 NASA kehitti projektin laajamittaiselle avaruusohjelmalle ulkoplaneettojen tutkimiseksi. Projekti perustui Flandron kehitykseen, ja nimi " Grand Tour " lainattiin Croccolta. Korkeiden kustannusten vuoksi hanke toteutui vain osittain vuonna 1977 Voyager -avaruusohjelman muodossa .Mutta jo ennen Voyagerien laukaisua, gravitaatiojarrutusoperaatio Venuksen painovoimakentässä Merkuriuksen saavuttamiseksi suoritettiin onnistuneesti vuonna 1973 käynnistetyssä Mariner 10 -tehtävässä [22] .

Myöhemmin gravitaatioliikkeitä käytettiin laajasti eri avaruusjärjestöjen planeettojen välisissä tehtävissä.

Oberth-efekti

Gravitaatioliike ymmärretään joskus yhdistettynä menetelmänä avaruusalusten kiihdyttämiseksi "Obert-ilmiön" avulla. Tämän menetelmän ydin on siinä, että gravitaatioliikettä suorittaessaan laite käynnistää moottorin planeetan ympärillä olevan lentoradan kehäkeskuksen läheisyydessä käyttääkseen polttoaineenergiaa mahdollisimman tehokkaasti liike-energian lisäämiseen. laitteesta.

Käyttöesimerkkejä

Gravitaatiooperaation suoritti ensimmäisen kerran onnistuneesti vuonna 1959 automaattinen planeettojenvälinen asema (AMS) Luna-3 . Siitä lähtien gravitaatioliikkeitä on käytetty laajalti planeettojen välisillä lennoilla. Esimerkiksi vuonna 1974 AMS Mariner-10 käytti gravitaatioliikettä  - Venuksen kanssa tehtiin kohtaaminen, jonka jälkeen laite suuntasi Merkuriukseen .

AMS Voyager 1 ja Voyager 2 käyttivät painovoimaharjoituksia Jupiterin ja Saturnuksen ympärillä, minkä ansiosta ne saavuttivat ennätysnopeudet aurinkokunnasta. Vuonna 2006 lanseerattu AMS New Horizons suoritti vain yhden painovoima-avustuksen lähellä Jupiteria, mikä johti matkailijoille lähtönopeuden menettämiseen suuremmasta laukaisunopeudesta huolimatta [24] .

AMS Cassini käytti monimutkaista gravitaatioliikkeiden yhdistelmää (laitteen kiihdyttämiseen käytettiin kolmen planeetan - Venuksen (kahdesti), Maan ja Jupiterin) ja Rosettan (neljä gravitaatioliikettä lähellä Maata ja Marsia) gravitaatiokenttää.

Vuonna 1998 PAS-22- viestintäsatelliitin laukaisuvaiheessa kaatuneelle henkilölle kehitettiin ja otettiin käyttöön lento-ohjelma , jossa kahden Kuun lähellä tapahtuneen painovoimaliikkeen ansiosta oli mahdollista siirtää rajallisella polttoainemäärällä satelliitti suunnittelemattomalta pitkänomaiselta elliptiseltä geosiirtoradalta geosynkroniselle kiertoradalle , jonka parametrit sopivat kaupalliseen hyödyntämiseen. Teoria siirtymisestä geostationaariseen kiertoradalle Kuun gravitaatiokentän avulla kehitettiin aiemmin soveltavan matematiikan instituutissa. M.V. Keldysh RAS . Nämä tutkimukset muodostivat perustan satelliittipelastusohjelmalle [25] .

Katso myös

Muistiinpanot

Kommentit

  1. ↑ Tässä kuvauksessa ei oteta huomioon muiden kappaleiden kuin planeetan painovoiman vaikutusta avaruusalukseen, planeetan liikkeen suunnan muutosta liikkeen aikana [2] ja muita vaikeuttavia tekijöitä.
  2. ↑ Planeetan vaikutusalue on ehdollinen alue, jossa avaruusaluksen liikeradan voidaan katsoa olevan Keplerin kiertorata tämän planeetan ympäri [3] .
  3. ↑ Tässä ja alla tarkoitamme vektorieroja ja nopeuksien summia.
  4. ↑ On ymmärrettävä, että gravitaatioliikkeen seurauksena tapahtuva nopeuden lisäys on vektorisuure , eikä se sinänsä tarkoita avaruusaluksen kiihtymistä tai hidastumista. Laitteen heliosentrisen nopeuden moduulin muutos liikkeen seurauksena ei riipu pelkästään nopeuden lisäyksen suuruudesta , vaan myös sen suunnasta suhteessa liikkeen alkunopeuteen [4] .
  5. ↑ Avaruusmekaniikan tähtäysetäisyys on planeetan lennon hyperbolisen liikeradan asymptootin ja sen fokuksen välinen etäisyys, joka on sama kuin planeetan keskusta [5] .
  6. ↑ Esimerkiksi Jupiterin nopeuden muutos, jonka ansiosta Voyager sai yli 64 000 km/h lisäkiihtyvyyden , on 0,2 mm/miljardi vuotta [8] .
  7. ↑ T. M. Melkumov on kirjoittanut johdantoartikkelin kokoelmasta "Pioneers of Rocket Technology", jossa Kondratyukin käsikirjoitus "To niille, jotka lukevat rakentamaan" julkaistiin ensimmäisen kerran [12] .

Lähteet

  1. ↑ Levantovsky, 1980 , s. 230, 325.
  2. ↑ Levantovsky, 1980 , s. 325.
  3. ↑ Levantovsky, 1980 , s. 68-72.
  4. ↑ Levantovsky, 1980 , s. 328.
  5. ↑ Mirer S. A. Avaruuslennon mekaniikka. Orbitaalinen liike . - M. V. Keldysh RAS:n mukaan nimetty soveltavan matematiikan instituutti , 2013. - S. 38. - 106 s. Arkistoitu 23. marraskuuta 2018 Wayback Machineen
  6. ↑ Levantovsky, 1980 , s. 325-329.
  7. ↑ Dowling et al., 2007 , Suurimman osan aurinkokunnasta tutkimisen mahdottomuus klassisella avaruusmatkateorialla, s. 343-346.
  8. ↑ Carl Sagan . Luku 6. Matkailijan voitto // Blue Dot. Ihmiskunnan avaruustulevaisuus / käännös. englanniksi: Oleg Sivchenko. - M. : ANF, 2016. - 404 s. - ISBN 978-5-91671-573-6 .
  9. ↑ 1 2 3 Tony Reichhardt. Gravity's overdrive  (englanti)  // Air & Space Smithsonian : aikakauslehti. - 1994. - Helmi-/maaliskuu ( osa 8 ). - s. 72-78 . — ISSN 0886-2257 .
  10. ↑ "Rakettitekniikan pioneerit", 1964 , s. 624.
  11. ↑ "Rakettitekniikan pioneerit", 1964 , s. 533-534.
  12. ↑ "Rakettitekniikan pioneerit", 1964 , s. 9.
  13. ↑ "Rakettitekniikan pioneerit", 1964 , s. kahdeksan.
  14. ↑ Zander, 1961 , s. 285, 333-348.
  15. ↑ Luis Spairani. Gaetano A. Croccon suuri kiertue jatkuu  . Tecnologie di Frontiera (30. lokakuuta 2016). Haettu 16. elokuuta 2018. Arkistoitu alkuperäisestä 1. joulukuuta 2017.
  16. ↑ Ivashkin, 2010 , s. 74.
  17. ↑ Zander, 1961 , s. 19.
  18. ↑ Lasten tietosanakirja, 1965 , s. 163.
  19. ↑ Eneev ja Akim, 2007 .
  20. ↑ Ivashkin, 2010 , s. 87-97.
  21. ↑ Christopher Riley ja Dallas Campbell . Matematiikka, joka teki Voyagerin mahdolliseksi  , BBC News (  23. lokakuuta 2012). Arkistoitu alkuperäisestä 16. tammikuuta 2022. Haettu 16. elokuuta 2018.
  22. ↑ 1 2 3 Stephen J. Pyne. Suuri kiertue syntyi // Voyager: Tutkimus, avaruus ja kolmas suuri löytökausi. - Pingviini, 2010. - 343 s. — ISBN 978-1-101-19029-6 .
  23. ↑ Stephanie Schwam. The Making of 2001: A Space Odyssey . — Random House Publishing Group, 21.7.2010. — 415 s. — ISBN 9780307757609 . Arkistoitu 17. elokuuta 2018 Wayback Machinessa
  24. ↑ Scharf, Caleb A. Nopein avaruusalus koskaan?  (eng.) , Scientific American Blog Network  (25. helmikuuta 2013). Arkistoitu alkuperäisestä 27. joulukuuta 2021. Haettu 30. joulukuuta 2017.
  25. ↑ V. Agapov. HGS-1: pitkä tie geostationaariseen kiertoradalle // Kosmonautiikkauutiset  : päiväkirja. - FSUE TsNIIMash , 1998. - V. 8 , nro 14 (181) . - S. 18-20 .
  26. ↑ Michael Martin Nieto, John D. Anderson Earth Flyby Anomalies Arkistoitu 6. helmikuuta 2020 Wayback Machinessa // arxiv.org, 7. lokakuuta 2009

Kirjallisuus

Linkit

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
Bibliografisissa luetteloissa
 kiertoradat