پروازهای فضاپیما مستلزم مصرف انرژی زیاد است. مثلاً پرتابگر سایوز که روی سکوی پرتاب ایستاده و آماده پرتاب است، 307 تن وزن دارد که بیش از 270 تن آن سوخت است، یعنی سهم شیر. نیاز به صرف مقدار دیوانه وار انرژی برای حرکت در فضای بیرونی تا حد زیادی با مشکلات تسلط بر نقاط دوردست منظومه شمسی مرتبط است.
متاسفانه هنوز پیشرفت فنی در این راستا انتظار نمی رود. جرم پیشران یکی از عوامل کلیدی در برنامه ریزی ماموریت های فضایی است و مهندسان از هر فرصتی برای صرفه جویی در سوخت استفاده می کنند تا کارکرد دستگاه را طولانی تر کنند. مانورهای جاذبه یکی از راه‌های صرفه‌جویی در پول است.
چگونه در فضا پرواز کنیم و گرانش چیست
اصل حرکت دستگاه در خلاء (محیطی که خارج شدن از آن با ملخ یا چرخ یا هر چیز دیگری غیرممکن است) برای همه انواع موتورهای موشک ساخته شده روی زمین یکسان است. این جت تراست است. جاذبه با قدرت موتور جت مخالف است. این نبرد علیه قوانین فیزیک پیروز شده استدانشمندان شوروی در سال 1957. برای اولین بار در تاریخ، دستگاهی که به دست انسان ساخته شده بود، با به دست آوردن اولین سرعت کیهانی (حدود 8 کیلومتر بر ثانیه) به ماهواره مصنوعی سیاره زمین تبدیل شد.
حدود 170 تن آهن، وسایل الکترونیکی، نفت سفید خالص و اکسیژن مایع لازم بود تا دستگاهی با وزن کمی بیش از 80 کیلوگرم به مدار پایین زمین پرتاب شود.
در میان همه قوانین و اصول جهان، گرانش، شاید یکی از اصلی ترین آنها باشد. همه چیز را کنترل می کند، از آرایش ذرات بنیادی، اتم ها، مولکول ها و پایان دادن به حرکت کهکشان ها. همچنین مانعی برای اکتشافات فضایی است.
نه فقط سوخت
حتی قبل از پرتاب اولین ماهواره مصنوعی زمین، دانشمندان به وضوح دریافتند که نه تنها افزایش اندازه موشک ها و قدرت موتور آنها می تواند کلید موفقیت باشد. نتایج محاسبات و آزمایشات عملی که نشان می داد پروازهای خارج از اتمسفر زمین چقدر مصرف کننده سوخت هستند، محققان را بر آن داشت تا چنین ترفندهایی را جستجو کنند. اولین تصمیم برای طراحان اتحاد جماهیر شوروی، انتخاب مکان برای ساخت کیهان بود.
بیایید توضیح دهیم. برای تبدیل شدن به ماهواره مصنوعی زمین، موشک باید تا 8 کیلومتر بر ثانیه شتاب بگیرد. اما خود سیاره ما در حال حرکت دائمی است. هر نقطه در استوا با سرعت بیش از 460 متر در ثانیه می چرخد. بنابراین موشکی که به فضای بدون هوا در ناحیه موازی صفر پرتاب می شود به خودی خود خواهد بودتقریباً نیم کیلومتر در ثانیه رایگان داشته باشید.
به همین دلیل است که در گستره های وسیع اتحاد جماهیر شوروی، مکانی به سمت جنوب انتخاب شد (سرعت چرخش روزانه در بایکونور حدود 280 متر بر ثانیه است). یک پروژه حتی بلندپروازانه تر با هدف کاهش اثر گرانش بر وسیله نقلیه پرتاب در سال 1964 ظاهر شد. این اولین کیهان دریایی "سان مارکو" بود که توسط ایتالیایی ها از دو سکوی حفاری جمع آوری شد و در خط استوا قرار داشت. بعدها، این اصل اساس پروژه بین‌المللی پرتاب دریا را تشکیل داد که با موفقیت ماهواره‌های تجاری را تا به امروز پرتاب می‌کند.
اولین نفر کی بود
در مورد ماموریت های فضای عمیق چطور؟ دانشمندان اتحاد جماهیر شوروی در استفاده از گرانش اجسام کیهانی برای تغییر مسیر پرواز پیشگام بودند. همانطور که می دانید سمت عقب ماهواره طبیعی ما برای اولین بار توسط دستگاه Luna-1 شوروی عکسبرداری شد. مهم این بود که دستگاه پس از پرواز به دور ماه، زمان بازگشت به زمین را داشته باشد تا توسط نیمکره شمالی به سمت آن بچرخد. از این گذشته، اطلاعات (تصاویر عکاسی دریافتی) باید به مردم منتقل می شد و ایستگاه های ردیابی، بشقاب های آنتن رادیویی دقیقاً در نیمکره شمالی قرار داشتند.
با موفقیت کمتری توانست از مانورهای گرانشی برای تغییر مسیر فضاپیما توسط دانشمندان آمریکایی استفاده کند. فضاپیمای خودکار بین سیاره‌ای "مارینر 10" پس از پرواز در نزدیکی زهره مجبور شد سرعت خود را کاهش دهد تا به مدار کمتر دور خورشیدی برود وکاوش عطارد به جای استفاده از رانش جت موتورها برای این مانور، سرعت وسیله نقلیه توسط میدان گرانشی ناهید کاهش یافت.
چگونه کار می کند
طبق قانون گرانش جهانی که به طور تجربی توسط اسحاق نیوتن کشف و تأیید شد، تمام اجسام با جرم یکدیگر را جذب می کنند. قدرت این جاذبه به راحتی اندازه گیری و محاسبه می شود. هم به جرم هر دو جسم و هم به فاصله بین آنها بستگی دارد. هر چه نزدیک تر، قوی تر. علاوه بر این، با نزدیک شدن اجسام به یکدیگر، نیروی جاذبه به طور تصاعدی افزایش می‌یابد.
شکل نشان می دهد که چگونه فضاپیماها که در نزدیکی یک جرم کیهانی بزرگ (یک سیاره) پرواز می کنند، مسیر خود را تغییر می دهند. علاوه بر این، مسیر حرکت دستگاه تحت شماره 1، که در دورترین فاصله از جسم عظیم پرواز می کند، بسیار کمی تغییر می کند. چیزی که نمی توان در مورد دستگاه شماره 6 گفت. سیاره نما به طور چشمگیری جهت پرواز خود را تغییر می دهد.
اسلینگ گرانشی چیست. چگونه کار می کند
استفاده از مانورهای گرانشی نه تنها به تغییر جهت فضاپیما اجازه می دهد، بلکه سرعت آن را نیز تنظیم می کند.
شکل مسیر یک فضاپیما را نشان می دهد که معمولاً برای شتاب دادن به آن استفاده می شود. اصل عملکرد چنین مانوری ساده است: در قسمتی از مسیر که با رنگ قرمز مشخص شده است، به نظر می رسد دستگاه در حال فرار از سیاره است. یک جسم بسیار پرجرم تر، جسم کوچکتری را با نیروی گرانش خود می کشد و آن را پراکنده می کند.
به هر حال، نه تنها فضاپیماها از این طریق شتاب می گیرند. مشخص است که اجرام آسمانی که به ستارگان گره نخورده اند با قدرت و اصلی در کهکشان پرسه می زنند. اینها می توانند هم سیارک های نسبتاً کوچکی باشند (که اتفاقاً یکی از آنها اکنون در حال بازدید از منظومه شمسی است) و هم سیارات با اندازه مناسب. اخترشناسان بر این باورند که این زنجیر گرانشی، یعنی برخورد یک جسم کیهانی بزرگتر است که اجرام با جرم کمتری را از منظومه هایشان به بیرون پرتاب می کند و آنها را به سرگردانی ابدی در سرمای یخی فضای خالی محکوم می کند.
چگونه سرعت را کم کنیم
اما با استفاده از مانورهای گرانشی فضاپیماها، نه تنها می توانید شتاب بگیرید، بلکه حرکت آنها را نیز کاهش دهید. طرح چنین ترمزگیری در شکل نشان داده شده است.
در قسمتی از مسیر که با رنگ قرمز مشخص شده است، جاذبه سیاره، بر خلاف نوع با یک زنجیر گرانشی، حرکت دستگاه را کاهش می دهد. به هر حال، بردار جاذبه و جهت پرواز کشتی مخالف هستند.
چه زمانی استفاده می شود؟ عمدتاً برای پرتاب ایستگاه های بین سیاره ای خودکار به مدار سیارات مورد مطالعه و همچنین برای مطالعه مناطق نزدیک به خورشید. واقعیت این است که هنگام حرکت به سمت خورشید یا به عنوان مثال به سمت سیاره عطارد که نزدیکترین ستاره به ستاره است، هر وسیله ای، اگر اقداماتی را برای ترمز اعمال نکنید، خواه ناخواه شتاب می گیرد. ستاره ما جرمی باورنکردنی و نیروی جاذبه عظیمی دارد. فضاپیمایی که سرعت بیش از حدی به دست آورده است، نمی تواند وارد مدار عطارد، کوچکترین سیاره خانواده خورشیدی شود. کشتی فقط از بین خواهد رفتعطارد کوچولو نمی تواند آن را به اندازه کافی محکم بکشد. می توان از موتورها برای ترمز استفاده کرد. اما یک مسیر گرانشی به سمت خورشید، مثلاً در ماه و سپس زهره، استفاده از نیروی محرکه موشک را به حداقل می رساند. این بدان معناست که سوخت کمتری مورد نیاز خواهد بود و وزن آزاد شده را می توان برای قرار دادن تجهیزات تحقیقاتی اضافی مورد استفاده قرار داد.
وارد سوراخ سوزن شوید
در حالی که مانورهای گرانشی اولیه با ترس و تردید انجام می شدند، مسیرهای آخرین مأموریت های فضایی بین سیاره ای تقریباً همیشه با تنظیمات گرانشی برنامه ریزی می شوند. مسئله این است که اکنون اخترفیزیکدانان، به لطف توسعه فناوری رایانه، و همچنین در دسترس بودن دقیق ترین داده ها در مورد اجسام منظومه شمسی، در درجه اول جرم و چگالی آنها، محاسبات دقیق تری در دسترس دارند. و محاسبه مانور گرانش بسیار دقیق ضروری است.
بنابراین، قرار دادن مسیری دورتر از سیاره از آنچه لازم است مملو از این واقعیت است که تجهیزات گران قیمت به هیچ وجه در جایی که برنامه ریزی شده بود پرواز نمی کنند. و دست کم گرفتن جرم حتی می تواند برخورد کشتی با سطح را تهدید کند.
قهرمان در مانور
البته این را می توان دومین فضاپیمای ماموریت وویجر در نظر گرفت. این دستگاه که در سال 1977 راه اندازی شد، در حال حاضر سیستم ستاره ای بومی خود را ترک می کند و به سمت ناشناخته بازنشسته می شود.
در طول عملیات خود، این دستگاه از زحل، مشتری، اورانوس و نپتون بازدید کرد. در تمام طول پرواز، جاذبه خورشید روی آن عمل می کرد که کشتی به تدریج از آن دور شد. اما، به لطف گرانش به خوبی محاسبه شده استمانورها، برای هر یک از سیارات، سرعت آن کاهش نمی یابد، بلکه رشد می کند. برای هر سیاره کاوش شده، مسیر بر اساس اصل یک زنجیر گرانشی ساخته شده است. بدون اعمال تصحیح گرانشی، وویجر نمی‌توانست آن را تا اینجا ارسال کند.
علاوه بر Voyagers، از مانورهای جاذبه برای پرتاب مأموریت های معروفی مانند Rosetta یا New Horizons استفاده شده است. بنابراین، روزتا، قبل از جستجوی دنباله‌دار چوریوموف-گراسیمنکو، 4 مانور گرانشی شتاب‌دهنده در نزدیکی زمین و مریخ انجام داد.
