Raumschiffflüge sind mit einem enormen Energieverbrauch verbunden. Zum Beispiel wiegt die Sojus-Trägerrakete, die auf der Startrampe steht und startbereit ist, 307 Tonnen, von denen mehr als 270 Tonnen Treibstoff sind, also der Löwenanteil. Die Notwendigkeit, eine verrückte Menge Energie für die Bewegung im Weltraum aufzuwenden, hängt weitgehend mit den Schwierigkeiten zusammen, die Weiten des Sonnensystems zu beherrschen.
Ein technischer Durchbruch in diese Richtung ist leider noch nicht zu erwarten. Die Masse des Treibstoffs bleibt einer der Schlüsselfaktoren bei der Planung von Weltraummissionen, und Ingenieure nutzen jede Gelegenheit, um Treibstoff zu sparen, um den Betrieb des Geräts zu verlängern. Schwerkraftmanöver sind eine Möglichkeit, Geld zu sparen.
Wie man im Weltraum fliegt und was Schwerkraft ist
Das Prinzip, das Gerät in einem Vakuum zu bewegen (einer Umgebung, aus der es unmöglich ist, sich mit einem Propeller, Rädern oder irgendetwas anderem abzustoßen), ist für alle auf der Erde hergestellten Raketentriebwerke gleich. Das ist Jet-Thrust. Die Schwerkraft wirkt der Kraft eines Strahltriebwerks entgegen. Dieser Kampf gegen die Gesetze der Physik ist gewonnenSowjetische Wissenschaftler im Jahr 1957. Zum ersten Mal in der Geschichte wurde ein von Menschenhand hergestellter Apparat, der die erste kosmische Geschwindigkeit (etwa 8 km / s) erreicht hatte, zu einem künstlichen Satelliten des Planeten Erde.
Es waren etwa 170 Tonnen Eisen, Elektronik, gereinigtes Kerosin und flüssiger Sauerstoff erforderlich, um ein etwas über 80 kg schweres Gerät in eine erdnahe Umlaufbahn zu bringen.
Von allen Gesetzen und Prinzipien des Universums ist die Schwerkraft vielleicht eines der wichtigsten. Es regiert alles, angefangen bei der Anordnung von Elementarteilchen, Atomen, Molekülen bis hin zur Bewegung von Galaxien. Es ist auch ein Hindernis für die Weltraumforschung.
Nicht nur Kraftstoff
Schon vor dem Start des ersten künstlichen Erdsatelliten war den Wissenschaftlern klar, dass nicht nur die Vergrößerung von Raketen und die Leistungssteigerung ihrer Triebwerke der Schlüssel zum Erfolg sein könnten. Auf der Suche nach solchen Tricks veranlassten die Forscher die Ergebnisse von Berechnungen und Praxistests, die zeigten, wie treibstoffverbrauchend Flüge außerhalb der Erdatmosphäre sind. Die erste derartige Entscheidung für sowjetische Designer war die Wahl des Standorts für den Bau des Kosmodroms.
Lass es uns erklären. Um ein künstlicher Satellit der Erde zu werden, muss die Rakete auf 8 km/s beschleunigt werden. Aber unser Planet selbst ist in ständiger Bewegung. Jeder Punkt am Äquator dreht sich mit einer Geschwindigkeit von mehr als 460 Metern pro Sekunde. Somit wird eine Rakete, die im Bereich der Nullparallele in den luftleeren Weltraum gestartet wird, an sich seinhabe fast einen halben Kilometer pro Sekunde frei.
Deshalb wurde in den Weiten der UdSSR ein Ort im Süden gewählt (die Geschwindigkeit der täglichen Rotation in Baikonur beträgt etwa 280 m/s). Ein noch ehrgeizigeres Projekt zur Verringerung der Wirkung der Schwerkraft auf die Trägerrakete erschien 1964. Es war das erste marine Kosmodrom "San Marco", das von den Italienern aus zwei Bohrplattformen zusammengebaut wurde und sich am Äquator befindet. Dieses Prinzip bildete später die Grundlage für das internationale Projekt Sea Launch, das bis heute erfolgreich kommerzielle Satelliten ins All bringt.
Wer war der Erste
Was ist mit Weltraummissionen? Wissenschaftler aus der UdSSR waren Pioniere bei der Nutzung der Schwerkraft kosmischer Körper zur Änderung der Flugbahn. Wie Sie wissen, wurde die Rückseite unseres natürlichen Satelliten zuerst vom sowjetischen Luna-1-Apparat fotografiert. Es war wichtig, dass das Gerät nach dem Umrunden des Mondes Zeit hatte, zur Erde zurückzukehren, damit es von der Nordhalbkugel zu ihr gedreht wurde. Schließlich mussten die Informationen (die empfangenen fotografischen Bilder) an die Menschen übermittelt werden, und die Ortungsstationen, Radioantennenschüsseln befanden sich genau auf der Nordhalbkugel.
Nicht weniger erfolgreich gelang es amerikanischen Wissenschaftlern, mithilfe von Gravitationsmanövern die Flugbahn des Raumfahrzeugs zu ändern. Die interplanetare automatische Raumsonde „Mariner 10“musste nach einem Vorbeiflug an der Venus die Geschwindigkeit reduzieren, um in eine niedrigere zirkumsolare Umlaufbahn zu gelangenMerkur erkunden. Statt den Strahlschub der Triebwerke für dieses Manöver zu nutzen, wurde die Geschwindigkeit des Fahrzeugs durch das Gravitationsfeld der Venus gebremst.
Wie es funktioniert
Nach dem Gesetz der universellen Gravitation, entdeckt und experimentell bestätigt von Isaac Newton, ziehen sich alle Körper mit Masse gegenseitig an. Die Stärke dieser Anziehung lässt sich leicht messen und berechnen. Sie hängt sowohl von der Masse beider Körper als auch vom Abstand zwischen ihnen ab. Je näher, desto stärker. Außerdem wächst die Anziehungskraft exponentiell, wenn sich Körper einander nähern.
Die Abbildung zeigt, wie Raumfahrzeuge, die in der Nähe eines großen kosmischen Körpers (irgendeines Planeten) fliegen, ihre Flugbahn ändern. Außerdem ändert sich der Bewegungsablauf des Geräts unter Nummer 1, das am weitesten von dem massiven Objekt wegfliegt, sehr geringfügig. Was man über Gerät Nummer 6 nicht sagen kann. Der Planetoid ändert seine Flugrichtung dramatisch.
Was ist eine Schwerkraftschlinge. Wie es funktioniert
Der Einsatz von Gravitationsmanövern ermöglicht es nicht nur, die Richtung des Raumfahrzeugs zu ändern, sondern auch seine Geschwindigkeit anzupassen.
Die Abbildung zeigt die Flugbahn eines Raumfahrzeugs, das normalerweise verwendet wird, um es zu beschleunigen. Das Funktionsprinzip eines solchen Manövers ist einfach: In dem rot hervorgehobenen Abschnitt der Flugbahn scheint das Gerät den davonlaufenden Planeten einzuholen. Ein viel massiverer Körper zieht einen kleineren Körper mit seiner Schwerkraft an und zerstreut ihn.
Übrigens werden nicht nur Raumschiffe auf diese Weise beschleunigt. Es ist bekannt, dass Himmelskörper, die nicht an die Sterne gebunden sind, mit Macht und Kraft die Galaxie durchstreifen. Dies können sowohl relativ kleine Asteroiden (von denen einer übrigens gerade das Sonnensystem besucht) als auch Planetoiden von anständiger Größe sein. Astronomen glauben, dass es die Gravitationsschleuder ist, d.h. der Aufprall eines größeren kosmischen Körpers, der weniger massive Objekte aus ihren Systemen schleudert und sie zu ewigen Wanderungen in der eisigen Kälte des leeren Weltraums verdammt.
Wie man langsamer wird
Aber mit den Gravitationsmanövern von Raumfahrzeugen kann man ihre Bewegung nicht nur beschleunigen, sondern auch verlangsamen. Das Schema eines solchen Bremsens ist in der Abbildung dargestellt.
Auf dem rot markierten Abschnitt der Flugbahn wird die Anziehungskraft des Planeten im Gegensatz zur Variante mit Gravitationsschleuder die Bewegung des Geräts verlangsamen. Schließlich sind der Gravitationsvektor und die Flugrichtung des Schiffes entgegengesetzt.
Wann wird es verwendet? Hauptsächlich für den Start automatischer interplanetarer Stationen in die Umlaufbahnen der untersuchten Planeten sowie für die Untersuchung sonnennaher Regionen. Tatsache ist, dass jedes Gerät, wenn Sie sich in Richtung Sonne oder beispielsweise in Richtung des Planeten Merkur bewegen, der dem Stern am nächsten ist, wenn Sie keine Maßnahmen zum Bremsen ergreifen, wohl oder übel beschleunigen. Unser Stern hat eine unglaubliche Masse und eine enorme Anziehungskraft. Ein Raumschiff, das übermäßig schnell geworden ist, kann nicht in die Umlaufbahn von Merkur, dem kleinsten Planeten der Sonnenfamilie, eintreten. Das Schiff wird einfach durchschlüpfender kleine Merkur kann es nicht fest genug ziehen. Motoren können zum Bremsen verwendet werden. Aber eine Gravitationsbahn zur Sonne, sagen wir zum Mond und dann zur Venus, würde den Einsatz von Raketenantrieben minimieren. Das bedeutet, dass weniger Kraftstoff benötigt wird und das freigesetzte Gewicht zur Unterbringung zusätzlicher Forschungsausrüstung verwendet werden kann.
Geh ins Nadelöhr
Während frühe Gravitationsmanöver zaghaft und zögerlich durchgeführt wurden, werden die Routen der neuesten interplanetaren Weltraummissionen fast immer mit Gravitationsanpassungen geplant. Die Sache ist die, dass Astrophysiker jetzt dank der Entwicklung der Computertechnologie sowie der Verfügbarkeit der genauesten Daten über die Körper des Sonnensystems, vor allem ihrer Masse und Dichte, genauere Berechnungen zur Verfügung haben. Und es ist notwendig, das Schwerkraftmanöver äußerst genau zu berechnen.
Also ist eine Flugbahn, die weiter vom Planeten entfernt ist als nötig, mit der Tatsache behaftet, dass teure Ausrüstung überhaupt nicht dorthin fliegt, wo sie geplant war. Und bei Unterschätzung der Masse kann sogar die Kollision des Schiffes mit der Oberfläche drohen.
Manövermeister
Dies kann natürlich als das zweite Raumschiff der Voyager-Mission betrachtet werden. Das 1977 gestartete Gerät verlässt derzeit sein ursprüngliches Sternensystem und zieht sich ins Unbekannte zurück.
Während seines Betriebs besuchte der Apparat Saturn, Jupiter, Uranus und Neptun. Während des gesamten Fluges wirkte die Anziehungskraft der Sonne darauf, von der sich das Schiff allmählich entfernte. Aber dank gut berechneter GravitationManöver, für jeden der Planeten nahm seine Geschwindigkeit nicht ab, sondern wuchs. Für jeden erkundeten Planeten wurde die Route nach dem Prinzip einer Gravitationsschleuder aufgebaut. Ohne die Anwendung der Gravitationskorrektur hätte die Voyager es nicht so weit schicken können.
Neben den Voyagern wurden Gravitationsmanöver verwendet, um so bekannte Missionen wie Rosetta oder New Horizons zu starten. Also führte Rosetta, bevor sie sich auf die Suche nach dem Kometen Churyumov-Gerasimenko machte, bis zu 4 beschleunigende Gravitationsmanöver in der Nähe der Erde und des Mars durch.
