Что такое гравитационный маневр и для чего он нужен
Что такое гравитационный маневр?
Гравитационный маневр — это способ изменить направление движения космического аппарата, а так же увеличить или уменьшить его скорость, используя гравитацию массивных объектов и не используя ценное топливо на борту космического аппарата.
Вероятно, о возможности подобного гравитационного маневра догадывались ещё античные астрономы и звездочеты древнего Вавилона, когда наблюдали движения комет, меняющих свою траекторию и скорость, когда пролетали рядом с другими небесными телами.
Принцип действия гравитационного маневра можно описать следующим образом: если космический аппарат сближается с внутренней стороной орбиты планеты, то его скорость замедляется. Если же аппарат пролет с внешней стороны орбиты планеты, то его скорость увеличится. Этот принцип действия напоминает работу пращника, метающего снаряды. Именно поэтому часто гравитационный маневр называют «гравитационной пращей».
Использование гравитационного маневра для торможения | www.commons.wikimedia.org/wiki/File:Swingby_dec_anim.gif 
Использование гравитационного маневра для ускорения | www.commons.wikimedia.org/wiki/File:Swingby_acc_anim.gif Следует понимать, что в системе отсчета, связанной с небесным объектом, который используется для гравитационного маневра (например, зонд проходит около Венеры), никакого положительно эффекта для космического аппарата наблюдаться не будет, кроме изменения его траектории полета. Однако относительно других небесных тел (например, Солнца) космический аппарат станет двигаться быстрее/медленнее.
Преимущества гравитационного маневра очевидны. Он позволяет увеличивать/замедлять скорость без необходимости включать двигатели, что ведет к большой экономии топлива. Меньше топлива — больше полезной нагрузки. Соответственно, на один космический аппарат умещается столько полезной нагрузки, сколько бы пришлось нести двум аппаратам, которые не использовали эффект «гравитационной пращи». Сэкономленные в результате деньги можно распределить на другие космические проекты.
Наверное, самым знаменитым аппаратом, использовавшим гравитационный маневр, стал американский «Вояджер-2». Благодаря системе разгонов и торможений, он слетал в турне по Солнечной системе по маршруту «Земля-Юпитер-Сатурн-Уран-Нептун». А сейчас, получив ускорение от планет, уже вышел за границы Солнечной системы.
Не менее интересен аппарат «Вояджер 1». Его текущая скорость в 17 км/с, достигнутая при помощи гравитационных маневров, является самой высокой среди всех рукотворных объектов человека, хотя при старте она была на порядок меньше.
К комбинации гравитационных маневров была вынуждена прибегнуть межпланетная станция «Кассини». Два раза использовав гравитационное поле Венеры и по одному разу Земли и Юпитера, аппарат разогнался до необходимой скорости, использовав при этом в 25 раз (!) меньше топлива, чем ему понадобилось бы без использования гравитационных маневров.
Это интересно: гравитационный маневр выгоднее всего применять вблизи объектов, обладающих большей скоростью и большей гравитацией. Идеальный кандидат на место такого объекта очевиден: звезды. Умы ученых давно будоражит идея пролететь на космическом аппарате вблизи нейтронных звезд. Согласно подсчетам, такой маневр смог бы разогнать корабль до 1/3 скорости света. Вот это величина! С такой скоростью межгалактические полеты уже не кажутся такими уж невозможными…
Иллюстрация: bigstockphoto | 3DSculptor
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Расчёты гравитационных манёвров в космосе или зачем человечеству нужны компьютеры
Что вы делаете, когда вдруг выясняется, что задача, над которой вы работаете не имеет решения? Принципиально не имеет, можно даже не пытаться. Правильно, откладываете до лучших времён, а лучше, забываете о ней, чтоб не портить себе аппетит и психику.
Я недавно писал о манёврах в космосе, использующих гравитационную магию вместо устаревшего топлива для покорения просторов Солнечной Системы. Так вот мало того, что мы не знаем что такое гравитация, мы всё ещё не можем нормально всё посчитать.
К рубежу 19-20 веков прогрессивное человечество столкнулось с доказательством невозможности создания волшебных и точных математических формул, описывающих наше бытие. Например, к 1899 году французский математик Анри Пуанкаре доказал, что существует бесконечно много частных решений задачи трёх тел. Другими словами, существует бесконечно много разных формул, описывающих движение, например, космического тела в поле тяготения двух других. Для каждого объекта, момента времени, положения в пространстве надо всё считать отдельно, и пока считаешь, задача потеряет актуальность, комета улетит, а мы облажаемся с гравитационным манёвром и эта чёртова консервная банка с надписью NASA станет нашим гробом. А чтобы описать поведение системы множества тел, потребуется время, сопоставимое с возрастом Вселенной. Распаковывай чемоданы обратно, мы никуда не летим, дорогая.
Приблизительные траектории трёх одинаковых тел, находившихся в вершинах неравнобедренного треугольника и обладавших нулевыми начальными скоростями
Как считаем
Однако на наше счастье помимо аналитических методов решения задач весь 19 век разрабатывались и численные методы, основанные в первую очередь на разложении неизвестных, непонятных и сложных функций на сумму известных и простых. Например, степенных или экспоненциальных полиномов. (я не силён в «матане» от слова совсем, и стало быть хватит его на сегодня). Поэтому к началу того же 20 века учёные уже определились, в каком направлении они будут искать инструменты для описания реальности, данной им в ощущениях результатах наблюдений и экспериментов. Если пресловутые ряды сходятся к искомой функции, то и слава богу. За конечное время мы найдём приемлемые для нас численные значения искомых параметров исследуемого тела (например нашего космического кораблика). С этим можно работать, это уже можно посчитать, посадив 10000 сотрудников с логарифмическими линейками, например. Звучит абсурдно, но принципиально нерешаемая задача свелась к всего лишь сложной. Это был первый прорыв. Человечество, наконец, получило принципиальную возможность обуздать гравитацию, хоть и не понимая её сути.
Если честно, то на 3 курсе физического факультета я испытал настоящий экзистенциальный шок, поняв что дальше не будет «тёплых, ламповых» аналитических функций, в написании которых содержалось понимание сути явлений. А будут только эти вот бездушные ряды. «Заткнись и считай» — вот это всё. Фундаментальная наука для меня тогда закончилась, но не будем о грустном.
В первой половине 20 века практически никто не помышлял о гравитационных манёврах — во-первых, было совсем не до того, все были заняты либо войной либо подготовкой к войне. Во-вторых стремительно развивались двигатели внутреннего сгорания и только начинались попытки осмысления и применения реактивного движения. Впервые идею гравитационного манёвра высказали Фридрих Артурович Цандер и Юрий Васильевич Кондратюк еще в 1920—1930-х годах. Но это были лишь идеи — практические расчёты делать было не на чем, да и незачем.
Я не буду распространяться об истории вычислительной техники — уж тут об этом написано немало. Отмечу только, что тысячи логарифмических линеек сменили наборы реле (кратное увеличение плотности размещения и скорости обработки данных), реле сменили лампы (кратное увеличение плотности размещения и скорости обработки данных), а лампы уступили место транзисторам и интегральным микросхемам (кратное увеличение плотности размещения и скорости обработки данных). Это был второй прорыв. Принципиально нерешаемая задача свелась к всего лишь дорогой.
ЭВМ Стрела
Выводу на орбиту первого искусственного спутника земли, запуску первого пилотируемого космического корабля и всем последующим пилотируемым запускам вплоть до кораблей «Союз» мы обязаны созданной в 1954 году межконтинентальной баллистической ракете Р-7 со всеми её последующими модификациями. Но без точных расчётов траектории полёта успешный запуск был бы попросту невозможен. И за эти расчеты отвечала первая в СССР серийно выпускавшаяся ЭВМ — «Стрела». Она же считала первый в истории гравитационный манёвр: облёт Луны станцией Луна-3. При кажущейся примитивности этот манёвр был уникален тем, что менял плоскость орбиты станции. В нынешнее время подобные изменения траектории также исполняются обязательно с использованием гравитации планет. Иначе бы расход топлива был бы кошмарным: на высоких скоростях (а при приближении к планете скорость максимальна) должное изменение вектора скорости можно осуществить лишь импульсом, сопоставимым с импульсом уже летящего корабля.
В дальнейшем всевозможные «руления двигателем» стали стараться выполнять при минимальных скоростях — в открытом космосе, при удалении от планет, рассчитывая дальнейшие поправки.
Летом 1961 года аспирант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Майкл Минович приступил к поиску численного решения задачи трёх тел. Он использовал для этой цели принадлежащий университету IBM 7090 — мощнейший компьютер, из существовавших на тот момент. К концу лета ему удалось установить что при определённых условиях встречи с планетой, космический аппарат получает прибавку к скорости, а при других — её теряет. В ходе стажировки в Лаборатории реактивного движения (далее JPL) летом следующего года он убедил своего начальника выдать ему более точные данные положения планет, и его расчёты подтвердились.
Первый транзисторный мэйнфрейм — IBM 7090
Это был третий прорыв. Теперь ни один полёт к дальним планетам не обходился без гравитационных манёвров, нужно только посчитать. В течение десяти лет эти расчёты лягут в основу миссий Маринер-10 и аппаратов Пионер-10 и 11 — освоение Солнечной Системы началось.
В начале статьи я упомянул, что волшебных точных формул для гравитационных расчётов не существует, поэтому рассчитать, где окажется аппарат спустя месяцы, а то и годы полета, можно только сложным численным моделированием. Задаются начальное положение и скорость аппарата, определяется, как относительно него расположены планеты и какие силы действуют с их стороны. По ним рассчитывается, где окажется аппарат спустя небольшое время, скажем, спустя час, и как изменится его скорость. Затем цикл вычислений повторяется, и так шаг за шагом просчитывается вся траектория. Скорее всего, она попадет не совсем туда, куда нужно. Тогда начальные условия немного меняют и повторяют расчет, пока не будет получен требуемый результат. Как вы уже догадываетесь, при удалении корабля от матери-Земли необходимо, чтобы он мог производить необходимые расчёты «на борту» — скорость распространения радиосигнала, к сожалению, конечна, и на астрономических расстояниях задержка в получении данных и команд становится уже фатальной. Поэтому уже в 1966 году корабли миссий Gemini были оснащены бортовыми навигационными компьютерами. это позволило в данном случае астронавтам миссий получать координаты корабля, рассчитывать оптимальные места приземления и работать, когда наземная сеть передачи данных выходит за пределы орбитальной плоскости.
Бортовой навигационный компьютер для корабля Gemini-8
Но как бы тщательно ни была рассчитана траектория, ракета не сможет идеально точно вывести на нее аппарат. Поэтому с самого начала рассчитывается целый пучок слегка расходящихся траекторий — изогнутый конус, внутри которого аппарат должен оказаться после старта. Например, при полете к Венере отклонение начальной скорости от расчетной всего на 1 м/с обернется у цели промахом в 10 000 километров — больше размера планеты. Поэтому уже во время полета параметры движения аппарата уточняются по телеметрическим данным (скорость, например, до миллиметров в секунду), а затем в расчетный момент включаются двигатели и орбиты корректируются. Коррекции тоже не бесконечно точны, после каждой из них аппарат попадает в новый конус траекторий, но они не так сильно расходятся у точки назначения, поскольку часть пути уже пройдена. Если у цели аппарату предстоит гравитационный маневр, это повышает требования к точности навигации. Например, при пролете в 10 000 километрах от той же Венеры ошибка в навигации на 1000 километров приведет к тому, что после маневра станция собьется с курса примерно на градус. Исправить такое отклонение коррекционным двигателям, скорее всего, окажется не под силу.
Расходящийся конус траекторий — следствие погрешностей выведения космического аппарата
С конца 1960-х годов корабли каждой миссии были оснащены бортовыми компьютерами, обеспечивающими решение задач навигации, позиционирования и управления. В ходе каждого полёта к Луне по программе Аполлон (за исключением Аполлон-8, в составе которого не было лунного модуля) на борту командного и лунного модулей присутствовало по одному Apollo Guidance Computer. AGC командного модуля был основным вычислительным средством системы навигации и управления, а AGC лунного модуля работал со своей собственной системой управления, навигации и контроля, называвшейся PGNCS (Primary Guidance, Navigation and Control System). В программах Викинг и Вояджер использовалась дублированная вычислительная трёхмодульная система формирования и передачи телеметрии и управления системой ориентации.
Бортовая вычислительная система миссий Аполлон и человечий интерфейс управления
Однако не стоит обольщаться. Бортовые системы космических станций непригодны для детального прогнозирования поведения траекторий аппаратов в космосе. Они выполняют критически важные текущие расчёты, но обработка максимально полной информации о космической ситуации возможна лишь на Земле. Бортовые системы экономят время, но настоящая работа проводится задолго до запуска, и в дело вступают по-настоящему большие штучки наподобие UNIVAC 1108 Лаборатории Реактивного Движения Калифорнийского Технологического Института (той самой JPL). Например, ходе подготовки программы полётов кораблей миссии Вояджер были рассмотрены 10 тысяч возможных траекторий, прежде чем две из них стали утверждёнными траекториями аппаратов.
Распределённые вычисления и бигдата
Центры управления полетами и их оборудование расположены далеко от стартовой площадки. Управление пилотируемой миссией НАСА началось в 1961 году с проекта Mercury в районе запуска мыса Канаверал, но его компьютеры находились в Центре космических полетов Годдарда недалеко от Вашингтона, округ Колумбия. С 1964 года, в начале программы Gemini, и компьютеры, и контроллеры были размещены в Космическом центр Джонсона в Хьюстоне. Беспилотные околоземные миссии НАСА в основном управляются из Центра Годдарда, при этом большинство полетов в дальний космос осуществляется через Центр космических полетов Лаборатории реактивного движения в Пасадене, Калифорния.
Система IBM 360 model 20 из Космического центра Джонсона, США. На ней установлена операционная система реального времени. Слышали про такие?
Помимо центров управления для поддержки миссий требуются многочисленные станции слежения для сбора и обработки данных телеметрии и радаров, которые помогают в мониторинге и навигации, а также для передачи команд. Эти разбросанные по нашей планете станции и центры управления связаны между собой Сетью связи НАСА (NASCOM) со штаб-квартирой в Центре Годдарда. Сеть слежения за космосом и сбора данных (STADAN) использовалась для специализации на беспилотных космических аппаратах и, объединившись с сетью пилотируемых космических полетов (MSFN) в 1972 году, стала общей сетью. Когда все спутники слежения и ретрансляции данных встали в строй, они взяли на себя большую часть пилотируемой полетной связи, но отслеживание по-прежнему остается обязанностью STADAN. Лунные и планетарные зонды являются узлами сети Deep Space Network, которая управляется тремя главными станциями в Голдстоуне, (Калифорния), Мадриде (Испания), и Канберре (Австралия), каждая с различными антеннами диаметром до 64 метров. Сеть Deep Space Network помогла в пилотируемых лунных миссиях, когда космический корабль «Аполлон» прошел в десятке тысяч километрах от Земли.
Глобальная сеть STADAN
Планируя компьютерное обеспечение для бортовых систем Вояджера, в JPL обнаружили, что функционально распределенные «маленькие» компьютеры предлагали более высокую надежность и экономию, чем огромные однопроцессорные системы. Лаборатория внедрила распределенную систему для удовлетворения своих потребностей в наземном управлении Вояджером. Викинг был последней миссией, которую поддерживал большой мэйнфрейм. Когда миссии приближались к критическим фазам, таким как запуск или подлёт к планете, программное обеспечение всего процессорного блока приходилось замораживать до тех пор, пока фаза не прошла. И с увеличением числа космических кораблей, время, доступное для изменения программного обеспечения, стало весьма малым. В распределенной же системе можно было вносить изменения, не затрагивая другое программное обеспечение.
К началу 1980-х годов сеть Deep Space Network активно использовала распределенные вычисления. Она инициировала внедрение систем ModComp 2 на станциях слежения и заказала три суперминикомпьютера Digital Equipment Corporation 11/780 VAK компании Digital Equipment Corporation (DEC) для использования в JPL. Около 100 миникомпьютеров были подключены к сети Ethernet. Использование языков высокого уровня стало скорее правилом, чем исключением. Наступила эра кластерных вычислений.
VAX-кластер представляет собой слабосвязанную многомашинную систему с общей внешней памятью, обеспечивающую единый механизм управления и администрирования
Первый кластерный проект — Beowulf возник в научно-космическом центре NASA, в Годдарде (GSFC), точнее в созданном на его основе CESDIS (Center of Excellence in Space Data and Information Sciences). Этот проект стартанул летом 1994 года сборкой в 16-процессорного кластера (на процессорах 486DX4/100MHz, 16MB памяти и 3 сетевых адаптера на каждом узле, 3 «параллельных» Ethernet-кабеля по 10Mbit). Данный кластер, который и был назван «Beowulf», создавался как вычислительный ресурс проекта Earth and Space Sciences Project (ESS).
Далее в GSFC и других подразделениях NASA были собраны другие, более мощные кластеры. Например, TheHIVE (64 узла по 2 процессора Pentium Pro/200MHz и 4GB памяти в каждом, 5 коммутаторов Fast Ethernet ), Avalon в Лос-Аламосе на базе процессоров DEC Alpha/533MHz, 512-процессорный супер-кластер LosLobos в Альбукерке (256 двухпроцессорных серверов IBM Netfinity с процессорами Intel Pentium III/733 MHz).
Эти и другие кластеры помимо прочего позволили собирать модели движения космических аппаратов, учитывая всё более увеличивающиеся объёмы данных о Солнечной системе. К тому же тренд на стандартизацию оборудования, заданный НАСА ещё в середине 1980-х годов, принёс дополнительные плоды. С развитием сетей передачи данных, и, разумеется, Интернет появилась возможность (теоретически) объединять в расчётные проекты практически неограниченные ресурсы пользователей по всему миру. Ну или по крайней мере консолидировать усилия большого количества университетских вычислительных центров.
Гравитационный симулятор в CCRG
Подобные вычислительные комплексы открывают перед человечеством возможность предварительных расчётов траекторий космических аппаратов с учётом всех открытых на сегодняшний день объектов Солнечной системы включая астероиды. А там и до «гравитационного» расписания полётов недалеко. По крайней мере новости об открытии «скоростных гравитационных шоссе» уже мелькают.
VDS серверы от Маклауд быстрые и безопасные.
Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!
Гравицапа для межпланетных перелётов или гравитационный манёвр
Вопрос эмиграции в последние десятилетия стоит наиболее остро. И если 40 лет назад пределом мечтаний было перебраться за океан, то в XXI веке умами овладела мечта о релокейшне на Марс, например. Однако там тоже в скором времени может стать тесно. Остаётся одна дорога — колонизация Солнечной Системы и экзопланет. Допустим, мы собрались покинуть внутреннюю область Солнечной Системы, а, если повезёт, то и совсем выбраться за её пределы. Помимо невероятных объёмов тушёнки и кислорода, необходимых для выживания в суровом Космосе, нам потребуется в разы на порядки большее количество топлива, чтобы всё это добро дотащить. И ещё столько же топлива, чтобы тащить то топливо. И ещё топливо.
И самое обидное, что скорее всего мы закончим свой век среди троянских астероидов Юпитера, померев от тоски. Потому что топлива всё равно ни на что не хватит. Однако присмотримся к нашей Солнечной системе повнимательнее. Вот те же «троянцы и греки» — не просто так столпились в точках Лагранжа L4 и L5 Юпитера. Их туда «затолкала» гравитация планеты-гиганта, не потратив ни единой капли гидразина.
Давайте же и мы применим дармовую энергию Природы для достижения благородной цели доставки полезной нагрузки в далёкий космос.
Юпитер — оранжевый, «Троянцы» — зелёные за ним, «греки» — зелёные перед ним
Как это работает
Идея использования гравитации пролетающей мимо планеты довольно проста. Все что нужно — это наличие вблизи трассы полета небесного тела, обладающего достаточно сильной гравитацией и подходящими для целей миссии положением и скоростью. Космический аппарат, попав в поле тяготения планеты обязательно изменит свою скорость. Здесь внимательный читатель может заметить, что аппарат, ускорившись гравитацией планеты, ею же и тормозится после сближения с небесным телом и что в результате никакого ускорения не будет. Действительно, скорость относительно планеты, используемой в качестве «гравитационной пращи», не изменится по модулю. Но она поменяет направление! А в гелиоцентрической (связанной с Солнцем) системе отсчета окажется, что скорость меняется не только по направлению, но и по величине, поскольку складывается из скорости аппарата относительно планеты и, по крайней мере частично, скорости самой планеты относительно Солнца. Бинго! Планеты будут «брать на буксир» наших путешественников.
Подобным способом можно без затрат топлива изменить кинетическую энергию межпланетной станции. При полетах к дальним, внешним, планетам Солнечной системы гравитационный манёвр используется для разгона (для этого траектория корабля должна пролегать «за» планетой, или как говорят, с внешней стороны орбиты):
… а при миссиях к внутренним планетам — напротив, для гашения гелиоцентрической скорости (тут, соответственно, пролетаем «перед» планетой):
Упрощая, можно сказать, что сближение аппарата с планетой с внутренней стороны ее орбиты приводит к тому, что аппарат отдает планете часть своего углового момента и замедляется; и наоборот, сближение с внешней стороны орбиты приводит к увеличению момента и скорости аппарата. Интересно, что никакими акселерометрами на борту зарегистрировать изменение скорости аппарата в маневрах невозможно, — они постоянно регистрируют состояние невесомости. Сила притяжения планеты уравновешивает центробежную силу, когда мы закладываем такой поворот.
Причём экономия топлива, достигаемая использованием волшебной силы гравитации колоссальная. Первая космическая скорость — 8 км/с обеспечивает нам вращение вокруг Земли. Для перехода на более высокую орбиту скорость надо увеличивать, и каждые 3 км/с дополнительного разгона втрое увеличивают стартовую массу космической ракеты. Чтобы с низкой околоземной орбиты (скорость 8 км/с) отправиться на марсианскую по эллиптической («гомановской») траектории, надо набрать около 3,5 км/с, к Юпитеру — 6 км/с, к Плутону — 8—9 км/с. Таким образом полезная нагрузка при полете к дальним планетам составляет лишь несколько процентов от выведенной на орбиту массы, а та, в свою очередь, лишь несколько процентов стартовой массы ракеты. А вот какой максимальный прирост скорости может дать нам гравитация планет:
Меркурий: 3,005 км/с
Венера: 7,328 км/с
Земля (надо же): 7,910 км/с
Луна (тоже мне планета): 1,680 км/с
Марс: 3,555 км/с
Юпитер: 42,73 км/с
Сатурн: 25,62 км/с
Уран: 15,18 км/с
Нептун: 16,73
Плутон (уже не планета, но всё же): 1,09
Если присмотреться, данные теоретические пределы приращения скорости примерно равны первой космической скорости для этих планет. При этом ваш трактор космический аппарат отклонится на 60 градусов от первоначальной траектории.
Может показаться, что топливо при подобных путешествиях вообще не нужно, но это, разумеется, не так. Во-первых, до ближайшего гравитирующего тела надо ещё долететь. Причём желательно долететь до Юпитера. Впрочем, для полётов к Юпитеру есть свои лайфхаки, о которых ниже. Во-вторых, далеко не всегда направление полёта после ускорения планетой нас устраивает, поэтому траекторию нужно корректирвать двигателями. Кстати это делать лучше в моменты, когда скорость минимальна — то есть ещё до входа в вираж, предварительно просчитав конус траекторий наперёд. Ну и в-третьих, в момент максимального действия гравитационной пращи, находясь в ближайшей окрестности планеты и обладая пиковой скоростью хорошо бы как следует подработать маршевым двигателем. При движении с высокой скоростью топливо имеет больше энергии, доступной для использования за счёт эффекта Оберта (причём при скорости, превышающей половину скорости реактивной струи, полученная кинетическая энергия может превысить потенциальную химическую энергию сгораемого топлива — радуйтесь, торсионщики!)
Хватит болтать — в дорогу!
Ракета с модулем Пионер 10 стартовала 3 марта 1972 года с базы ВВС США на мысе Канаверал носителем Атлас-Центавр. Гравитационный маневр вокруг Юпитера позволил станции превысить третью космическую скорость, достаточную для того, чтобы навсегда покинуть Солнечную систему. Пересечь орбиту Сатурна «Пионер-10» смог к февралю 1976 года, в июле 1979 года оказался за орбитой Урана, в 1983 году первым в истории пересек орбиту Нептуна. Последние данные от станции получены 23 января 2003 года, после чего «Пионер-10» прекратил свою работу. Сейчас аппарат находится на расстоянии 120 астрономических единиц от Солнца и через пару миллионов лет наконец-то приблизится к звезде Альдебаран.
Однако первый гравитационный манёвр совершила советская станция Луна-3 в 1959 году для того, чтобы вернуться обратно. Ну ладно, такой себе вираж, — зато это был манёвр с изменением плоскости траектории полёта. Подобные полёты и сегодня совершаются только при помощи гравитационной пращи. Например, аппарат для исследования полярных областей Солнца «Улисс» был вынужден «давать крюк» мимо Юпитера. Стартовав в 1990, он в 1992 году подлетел к газовому гиганту на расстояние 6 его радиусов и в 1994 году уже созерцал южный полюс Солнца с безопасного расстояния. Тут можете посмотреть на анимацию его полёта (гифка 3 мегабайта).
Американский Маринер 10 в 1974 году, наоборот, совершал торможение «об Венеру» для последующих сближений с Меркурием (весьма и весьма точных — 705 и 318 км!). Этот же метод используется и по сей день для исследования Меркурия — например, в миссиях «MESSENGER» и «БепиКоломбо». Тут я положил ссылочку на 8-мегабайтную гифку с анимацией движения последнего модуля за период 2019-2025 годы.
Если до соседней планеты лететь далеко и топлива жалко, можно сделать вот такой финт:
Аппарат миссии Юнона, взлетел с Земли, но с орбиты не сошёл, а произвёл гравитационный манёвр так же с Землёй, после чего направился на орбиту Юпитера. Таким же макаром разгонялся «Galileo Orbiter». Сначала аппарат направился к Венере, мимо которой прошел в феврале 1990 г. Затем по новой траектории в декабре он вернулся к Земле. Были переданы многочисленные фотографии Венеры, Земли и Луны, а наш герой понёсся далее.
7 декабря 1995-го исследовательский аппарат «Галилео» прибыл к Юпитеру и направил к нему исследовательский зонд (синие точки)
Про миссию Кассини-Гюйгенс, посадившую спускаемый аппарат на поверхность спутника Сатурна — Титана, говорить можно не один день. Шутка-ли — 20 лет работы на различных орбитах. Эти 20 лет стали возможны в том числе и благодаря максимально возможному использованию гравитации планет Солнечной Системы для экономии топлива.
Помимо плотной серии пиков в конце графика (когда аппарат вышел на орбиту Сатурна, и начал вращаться на его орбите) отчётливо видны моменты встреч с планетами (во время которых у аппарата прибавляется скорость), плавное снижение скорости (когда аппарат летел на встречу Сатурну, выбираясь из «гравитационной ямы» Солнца) с небольшим изломом у Юпитера.
Легендарный Кассини в общей сложности сделал 293 оборота вокруг Сатурна, среди которых выполнил 162 прохода вблизи его спутников и открыл 7 новых из них.
Разумеется, для выполнения гравитационных маневров дата старта должна быть выдержана весьма точно. Баллистики оперируют понятием «окно запуска» — это интервал дат, в пределах которого эффективность запланированных гравитационных маневров максимальна. Ближе к краям «окна» эффект становится меньше, а потребности в топливе — больше. Если же выйти за его границы, то носитель просто не сможет вывести аппарат на нужную орбиту, что приведет к срыву полета или недопустимому возрастанию его длительности. Например, запуск «Новых горизонтов», добывших нам такие милые фотографии Плутона, неоднократно переносился по погодным и техническим причинам. Задержись старт еще на несколько дней, и зонд отправился бы в полет уже без расчета на «гравитационную помощь» Юпитера и с меньшими шансами на успех.
Прибавка к скорости в 4 км/с позволила добраться до Плутона прежде чем на нём начала замерзать атмосфера (так как планетоид сейчас удаляется от Солнца). Поэтому он тут такой красивый.
«Лестница Лагранжа»
В начале статьи я упомянул о точках Лагранжа на просто так. Они есть у каждой пары космических тел (обычно — Солнца и планеты, но есть и у планет со спутниками) и вблизи них космический аппарат может находиться довольно долго в состоянии неустойчивого равновесия и быть почти неподвижным относительно этой планеты. Например, точки L1 и L2 Земли находятся на оси Земля-Солнце.
На таких орбитах станции будут обращаться вокруг Солнца, оставаясь неподвижными относительно Земли, — в направлении к Солнцу и от него. Это так называемые точки Лагранжа L1 и L2, где космический аппарат может неподвижно висеть, не расходуя топлива. Этим уже давно пользуются: в L1 работает солнечная обсерватория SOHO, а в L2 — астрофизический зонд WMAP. Туда же планируется вывести 6-метровый телескоп имени Джеймса Уэбба, который строится на смену стареющему «Хабблу».
Взгляните на эту непростую траекторию аппарата ISEE-3/ICE:
Труженик ISEE-3/ICE четыре года (1978—1982) изучал Солнце с орбиты вокруг точки Лагранжа L1, а затем путем сложных гравитационных маневров у Земли и Луны он был направлен на встречу с кометами Джакобини — Циннера (1985) и Галлея (1986). В 2012 году он вернулся к нам, но интерес к миссии был уже потерян, и даже оборудование для связи с ним было списано. И в 2014 году связь с ним была окончательно потеряна, ну да ладно.
Среди многочисленных траекторий ухода от точки L1 есть такие, которые на время приводят аппарат на орбиту вокруг L2 (и наоборот). Причем для этого не требуется серьезных затрат топлива. Для случая с нашей планетой это не столь важно. То ли дело — система Юпитера или Сатурна, в которых для каждого большого спутника есть пара таких точек. Например, для Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто на орбите Юпитера. Двигаясь вокруг планеты, внутренние спутники обгоняют внешние, и если правильно подгадать, то ценой совсем небольших затрат топлива аппарат может перепрыгнуть с неустойчивой орбиты вокруг точки L2, скажем, спутника Ио на такую же орбиту вокруг точки L1 Европы. Покрутившись там и проведя наблюдения, можно подняться еще на одну ступеньку «лестницы» — к точке L2 Европы, а оттуда в нужный момент прыгнуть к L1 Ганимеда, а там и до Каллисто недалеко. Спускаться по этой «лестнице Лагранжа» тоже не возбраняется.
Именно такой план полета предлагался для большой исследовательской станции JIMO (NASA). Однако эту экспедицию отменили враги, и теперь вместо неё будет миссия JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer), которую Европейское Космическое Агентство готовит для изучения галилеевых спутников Юпитера. До сих пор спутники Юпитера исследовались только с пролетных траекторий. «Лестница Лагранжа» позволит станции подолгу зависать над спутником — изучать его поверхность и отслеживать происходящие на ней процессы.
Каковы перспективы? Автостопом до облака Оорта?
В нашей звёздной системе насчитывается несколько десятков крупных и тысячи не очень массивных космических тел. Разумеется, бросается в глаза «великолепная пятёрка»: Солнце, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Однако гравитационные возмущения в траектории полётов космических аппаратов вносят все тела Солнечной системы, не забывая возмущать орбиты друг друга. И сейчас мы уже можем позволить рассчитывать гравитационное влияние и малых планет Солнечной систем. Вот, например, миссия Rosetta к комете Чюрюмова-Герасименко (2004-2016 гг). Вначале аппарат двинулся к Солнцу и, обогнув его, вновь вернулся к Земле, откуда двинулся навстречу Марсу. Обогнув Марс, аппарат вновь сблизился с Землёй и затем снова вышел за орбиту Марса. К этому моменту комета находилась за Солнцем и ближе к нему, чем Rosetta. Новое сближение с Землёй направило аппарат в направлении кометы, которая в этот момент направлялась от Солнца вовне Солнечной системы. В конце концов Rosetta сблизилась с кометой с требуемой скоростью. Столь сложная траектория позволила снизить расход топлива за счёт использования гравитационных полей Солнца, Земли и Марса. Тут гифка с полным маршрутом аппарата.
А вот выход на орбиту кометы в целях её исследования и отправки на её поверхность спускаемого аппарата «Филы»:
Расчёт баллистических траекторий это «не решаемая» в лоб задача многих тел, требующая колоссальных вычислительных мощностей для совершения достаточного числа итераций. Но вот неуклонный рост этих самых вычислительных мощностей позволяет учитывать влияние всё большего числа массивных объектов, переводя это влияние из разряда неизбежной погрешности вычислений в разряд заранее предсказанных. Таким образом число «окон запуска» только растёт.
Вот тут, например, в очередной раз сообщается об обнаружении «скоростного хайвея» в Солнечной Системе — сложного переплетения гравитационных возмущений от тел Солнечной Системы, позволяющих точнее рассчитать траектории аппаратов и использовать ещё больше гравитационных манёвров вместо траты драгоценного топлива.
Постепенно расчёты полётов по нашей планетной системе будут становиться похожими больше на автобусное расписание нежели на ожидание у моря погоды. Точность небесной механики, помноженная на точность наблюдений и вычислений, способна совершить переворот в наших взглядах на космические путешествия.
Облачные серверы от Маклауд идеально подходят для расчета траектории вашего побега на Марс.
Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!