Tyngdkraftsmanöver

Tyngdkraftsmanöver , mer sällan störningsmanöver, är en målmedveten förändring av en rymdfarkosts bana och flyghastighet under påverkan av himlakroppars gravitationsfält .

Det genomfördes först framgångsrikt 1959 av den sovjetiska automatiska interplanetära stationen (AMS) Luna-3 . Används ofta för att accelerera automatiska interplanetära stationer som skickas till avlägsna objekt i solsystemet och bortom, för att spara bränsle och minska flygtiden. I den här applikationen är det också känt som "gravitational slingshot" (från engelska  gravitational slingshot ). Den kan också användas för att sakta ner rymdfarkosten , och i vissa fall är det viktigaste att ändra riktningen för dess rörelse . De mest effektiva gravitationsmanövrarna på jätteplaneterna, men manövrar används ofta nära Venus , Jorden , Mars och till och med Månen .

Principen för manövern

En gravitationsmanöver innebär närmandet av en kretsande rymdflygningsapparat med en ganska massiv himlakropp (planet eller planetarisk satellit) som kretsar kring samma masscentrum (stjärnor eller planeter). Till exempel, i närheten av jorden, är det möjligt att utföra en gravitationsmanöver genom att närma sig månen, och när man flyger inom solsystemet är gravitationsmanövrar möjliga nära planeterna som kretsar runt solen [1] .

I en förenklad framställning [Komm. 1] , är gravitationsmanövern nära en av solsystemets planeter som följer: rymdfarkosten går in i planetens verkningssfär [Komm. 2] , med en hastighet v i förhållande till planeten. Denna hastighet bestäms av skillnaden [Komm. 3] hastigheterna för apparaten V in och planeten V pl i förhållande till solen (se triangel 1 i illustrationen). I det planetocentriska koordinatsystemet kretsar rymdfarkosten planeten längs en hyperbolisk bana och lämnar sin verkningssfär med en hastighet v ut . I detta fall är hastigheterna v in och v ut lika i absolut värde , men har en annan riktning, skiljer sig åt med en vinkel φ . Efter att enheten lämnar planetens verkningssfär är dess heliocentriska hastighet V out summan av hastigheterna V pl och v out (se triangel 2). Betecknad som Δ V, skillnaden mellan hastigheterna V ut och V in (se figur 3) kallas hastighetsökningen [Komm. 4] och är resultatet av en gravitationsmanöver.

Hastighetsökningen beror inte på hastigheten för planetens omloppsrörelse, utan på den relativa inflygningshastigheten v in , planetens massa och det effektiva området [Komm. 5] b  — ju närmare rymdfarkostens bana passerar planeten, desto större blir avvikelsen φ och desto större blir hastighetsökningen. Minimiavståndet begränsas av behovet av att undvika rymdfarkosters kontakt med planeten (inklusive dess atmosfär, om någon).

Det följer av himlamekanikens lagar att största möjliga ökning av hastigheten uppnås när v in är lika med den cirkulära omloppshastigheten vid den punkt där planeten närmar sig närmast planeten. Avböjningsvinkeln φ är i detta fall lika med 60°. Den maximalt möjliga modulen för hastighetsökningsvektorn under gravitationsmanövrar nära vissa kroppar i solsystemet presenteras i tabellen (värden i km/s):

Merkurius Venus Jorden Måne 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

I praktiken beror den uppnåbara hastighetsökningen på syftet med manövern [6] .

Tyngdkraftens roll vid utforskning av rymden

Innan den praktiska utvecklingen av gravitationsmanövrar förblev studiet av större delen av solsystemet problematiskt. Avgångshastigheten från jorden, som kunde uppnås med hjälp av kemiska raketer , gjorde det möjligt att flyga med en artificiell satellit från destinationsplaneten i omloppsbana endast till planeterna närmast jorden: Venus och Mars. För Merkurius, Jupiter och Saturnus var det teoretiskt möjligt endast för ett kort besök i planetens närhet. Utforskning av de mer avlägsna områdena i solsystemet och gå bortom det med hjälp av kemiska raketer ansågs omöjligt eller opraktiskt på grund av den för långa flygtiden längs energieffektiva elliptiska ( Hohmann ) banor. Således verkade studien av regioner i solsystemet långt från jorden i slutet av 50-talet - början av 60-talet av XX-talet för forskare vara en uppgift i en avlägsen framtid, vilket kräver utveckling av mer effektiva jetmotorer (till exempel kärnkraft eller elektrisk ) [7] .

  • Använda gravitationsmanöver:

  • för att sakta ner flygningen

  • för att påskynda flygningen - "gravity sling"

En gravitationsmanöver nära en massiv himlakropp som rör sig i omloppsbana - en planet eller en stor naturlig satellit på planeten - låter dig ändra den kinetiska energin hos ett rymdskepp utan bränsleförbrukning. Faktum är att vi talar om omfördelningen av den kinetiska energin hos en himlakropp och en rymdfarkost. Så långt som apparatens kinetiska energi förändras, ändras också den kinetiska energin för en himlakropps rörelse längs dess bana i motsatt riktning. Eftersom massan av en artificiell rymdfarkost är försvinnande liten jämfört med massan av någon himlakropp som är lämplig för gravitationsmanöver (inklusive planetariska satelliter), visar sig förändringen i denna kropps omloppsbana vara försumbar [Komm. 6] . Således är gravitationsmanövern ett "fritt" och effektivt sätt att accelerera, bromsa eller ändra riktning på rymdfarkoster för att utforska hela solsystemet och gå bortom det med befintlig raketteknologi.

Historik

Redan för hundratals år sedan var astronomer medvetna om förändringar i kometernas banor och kinetiska energi under deras närmande till massiva kroppar, till exempel Jupiter [9] . Idén om att målmedvetet använda attraktionen av stora himlakroppar för att ändra riktningen och hastigheten för rymdfarkosternas flygning lades fram på 1900-talet av olika författare, ofta oberoende av varandra.

1938 överlämnade en av kosmonautikens grundare , Yu. V. Kondratyuk , till flyghistorikern B. N. Vorobyov manuskriptet "Till dem som kommer att läsa för att bygga" [10] . Det uttrycker idén om att använda gravitationen hos planeternas satelliter under en interplanetär flygning för ytterligare acceleration av rymdfarkosten i början och sakta ner den i slutet av resan [11] . Kondratyuk själv daterade manuskriptet till 1918-19, men enligt T. M. Melkumov [Komm. 7] denna datering är tveksam [13] .

F. A. Zander beskrev i detalj principerna för att ändra riktningen och hastigheten för en rymdfarkost när den flyger runt planeterna och deras satelliter i artikeln "Flights to other planets (theory of interplanetary travel)", daterad 1924–25 och publicerad 1961 [ 14] .

Sedan 1930-talet har gravitationsmanövrar varit med i science fiction. Ett exempel är Lester del Reys novell "Habit", som först publicerades 1939. Berättelsens hjälte vinner rymdkapplöpningen genom att använda Jupiters gravitation för att vända sitt skepp utan att tappa fart.

År 1954 noterade en medlem av British Interplanetary Society, matematikern Derek Lowden att ett antal författare föreslår att minska bränsleförbrukningen när de flyger till andra planeter med hjälp av attraktionen av olika kroppar i solsystemet, men metoderna för att beräkna sådana manövrar är inte väl förstådda [9] .

1956, vid den sjunde internationella kongressen för astronautik, föreslog den italienska vetenskapsmannen Gaetano Crocco en plan för en bemannad flygning utan avbrott längs jorden-Mars-Venus-jordbanan, beräknad på ett sådant sätt att rymdfarkostens avböjning av Venus attraktion kompenserar för den avvikelse som introduceras av Mars attraktion när man flyger runt den på kort avstånd. Flygplanen förutsåg endast en acceleration av rymdfarkosten med en jetmotor, och restiden var exakt ett år, vilket gynnsamt skiljde den från flygningen till Mars längs Hohmanns banor . Den fick berömmelse som " Croco's Great Journey " [15] .

År 1957 publicerade en doktorand vid Institutionen för tillämpad matematik vid V. A. Steklov Mathematical Institute of the USSR Academy of Sciences (OPM MIAN) V. A. Egorov en artikel "Om några problem med dynamiken i flygningen till månen", som mottogs över hela världen. erkännande [16] . Detta arbete inkluderade studiet av gravitationsmanövrar nära månen för att accelerera eller bromsa rymdfarkosten. Egorovs slutsatser visade sig ligga nära Zanders [17] .

I praktiken utfördes gravitationsmanövern först 1959 av den sovjetiska rymdstationen Luna-3 , som tog bilder av månens bortre sida . Förändringen i rymdfarkostens bana under påverkan av månens gravitation beräknades så att banan för dess återkomst till jorden löpte över norra halvklotet , där sovjetiska observationsstationer var koncentrerade [18] [19] . Beräkningen av manövern baserades på studien av OPM MIAN under ledning av M. V. Keldysh , som använde resultaten av Egorovs arbete [20] .

1961 började Michael Minovich , en doktorand vid University of California i Los Angeles , som gjorde praktik vid Jet Propulsion Laboratory (JPL) vid NASA, att studera frågan om att använda gravitationshjälp vid interplanetära flygningar . För den numeriska lösningen av trekroppsproblemet använde han en IBM 7090-dator med hastighetsrekord för den tiden [21] . 1963 publicerade han The Determination and Characteristics of Ballistic Interplanetary Trajectories Under Influence of Multiple Planetary Attractions, som övervägde användningen av gravitationsmanövrar i interplanetära flygningar, inklusive upprepade gånger under samma uppdrag [22] .

Minovichs forskning fick inte omedelbart erkännande från JPL-kollegor. Hans program och beräkningsresultat användes inte direkt, men 1964 tjänade de som ett tillfälle att studera den praktiska möjligheten att flyga till Merkurius med hjälp av en gravitationsmanöver nära Venus [9] . Samma år uppmärksammades de på en annan JPL-praktikant, Gary Flandro , som studerade möjligheten att använda gravitationsmanövrar för att spara bränsle och tid när man flyger robotsonder till solsystemets yttre planeter. Innan han lärde känna Minovichs arbete förlitade han sig på Hohmanns och Croccos arbete, liksom Erike Kraffts bok "Rymdflygning från 1962 , som innehöll en beskrivning av begreppet gravitationsmanövrar.

Flandro började självständigt beräkna "realistiska uppdragsprofiler" som skulle tillåta användningen av en gravitationshjälp nära Jupiter för att nå avlägsna planeter med känd nyttolast och garanterad upptid för rymdfarkoster. När han beräknade "uppskjutningsfönstren" upptäckte han, oberoende av Minovich, att det i början av 1980-talet skulle finnas möjligheten att Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus skulle flyga förbi med en apparat, på grund av det sällsynta (en gång på 176 år) tillvägagångssätt. av dessa planeter i banor. För att dra nytta av denna möjlighet var rymdfarkosten tvungen att skjuta upp från jorden i slutet av 1970-talet. Flandro presenterade resultaten av sin forskning i en intern JPL-publikation 1965, och 1966 publicerade han Fast Reconnaissance Missions to the Outer Solar System som använder energi som härrör från Jupiters gravitationsfält [22] .

1965, medan han arbetade med Stanley Kubrick på 2001: A Space Odyssey , föreslog den engelske science fiction-författaren Arthur C. Clarke att man skulle porträttera gravitationshjälpen för rymdfarkosten Discovery 1 i Jupiters gravitationsfält som ett sätt att nå Saturnus. Denna idé förverkligades inte i filmen på grund av komplexiteten i specialeffekterna som krävs för en realistisk skildring av Saturnus, men ingick i Clarks roman med samma namn , publicerad 1968 [23] .

1969 utvecklade NASA ett projekt för ett storskaligt rymdprogram för att utforska de yttre planeterna. Projektet baserades på utvecklingen i Flandro, och namnet " Grand Tour " lånades från Crocco. På grund av den höga kostnaden realiserades projektet endast delvis 1977 i form av rymdprogrammet Voyager .Men redan före lanseringen av Voyagers, utfördes gravitationsbromsningsmanövern i Venus gravitationsfält för att nå Merkurius framgångsrikt i Mariner 10- uppdraget , som sjösattes 1973 [22] .

Därefter användes gravitationsmanövrar i stor utsträckning i interplanetära uppdrag av olika rymdorganisationer.

Oberth effekt

Gravitationsmanövern förstås ibland som en kombinerad metod för att accelerera rymdfarkoster med hjälp av "Obert-effekten". Kärnan i denna metod ligger i det faktum att när man utför en gravitationsmanöver slår apparaten på motorn i närheten av pericentrum av banan som omsluter planeten för att använda bränsleenergin med maximal effektivitet för att öka den kinetiska energin av apparaten.

Användningsexempel

Gravitationsmanövern genomfördes först framgångsrikt 1959 av den automatiska interplanetära stationen (AMS) Luna-3 . Sedan dess har gravitationsmanövrar använts i stor utsträckning vid interplanetära flygningar. Till exempel, 1974, användes gravitationsmanövern av AMS Mariner-10  - ett möte med Venus gjordes, varefter enheten gick mot Merkurius .

AMS Voyager 1 och Voyager 2 använde gravitationsmanövrar runt Jupiter och Saturnus, tack vare vilka de förvärvade rekordhastigheter från solsystemet. AMS New Horizons , som lanserades 2006, utförde endast en gravitationsassistans nära Jupiter, vilket resulterade i en förlust för Voyagers i avgångshastighet, trots en högre uppskjutningshastighet [24] .

En komplex kombination av gravitationsmanövrar användes av AMS Cassini (för att accelerera använde apparaten gravitationsfältet för tre planeter - Venus (två gånger), Jorden och Jupiter) och Rosetta (fyra gravitationsmanövrar nära jorden och Mars).

1998 utvecklades och implementerades ett flygprogram för de kraschade under uppskjutningsfasen av kommunikationssatelliten PAS-22 , där det, tack vare två gravitationsmanövrar nära månen, var möjligt, med en begränsad bränsletillförsel, att överföra satellit från en oplanerad långsträckt elliptisk geoöverföringsbana till en geosynkron bana med parametrar lämpliga för kommersiell exploatering. Teorin om övergång till en geostationär bana med hjälp av månens gravitationsfält utvecklades tidigare vid Institutet för tillämpad matematik. M.V. Keldysh RAS . Det var dessa studier som låg till grund för satelliträddningsprogrammet [25] .

Se även

Anteckningar

Kommentarer

  1. ↑ Denna beskrivning tar inte hänsyn till effekten på rymdfarkosten av gravitationen hos andra kroppar än planeten, förändringen i riktningen av planetens rörelse under manövern [2] och andra komplicerande faktorer.
  2. ↑ En planets påverkanssfär är ett villkorat område där en rymdfarkosts bana kan betraktas som en Kepler-bana runt denna planet [3] .
  3. ↑ Här och nedan menar vi vektorskillnader och summor av hastigheter.
  4. ↑ Det bör förstås att ökningen av hastigheten som ett resultat av en gravitationsmanöver är en vektorstorhet och i sig betyder inte acceleration eller retardation av rymdfarkosten. Förändringen i modulen för apparatens heliocentriska hastighet som ett resultat av manövern beror inte bara på storleken på hastighetsökningen , utan också på dess riktning i förhållande till den initiala rörelsehastigheten [4] .
  5. ↑ Inriktningsområdet i rymdmekaniken är avståndet mellan asymptoten för planetens hyperboliska bana och dess fokus , som sammanfaller med planetens centrum [5] .
  6. ↑ Till exempel är förändringen i Jupiters hastighet, på grund av vilken Voyager fick en extra acceleration på mer än 64 000 km/h , 0,2 mm/miljard år [8] .
  7. ↑ T. M. Melkumov är författare till den inledande artikeln till samlingen "Pioneers of Rocket Technology", där Kondratyuks manuskript "Till dem som ska läsa för att bygga" publicerades för första gången [12] .

Källor

  1. ↑ Levantovsky, 1980 , sid. 230, 325.
  2. ↑ Levantovsky, 1980 , sid. 325.
  3. ↑ Levantovsky, 1980 , sid. 68-72.
  4. ↑ Levantovsky, 1980 , sid. 328.
  5. ↑ Mirer S. A. Rymdfärdens mekanik. Orbital rörelse . - Institutet för tillämpad matematik uppkallad efter M. V. Keldysh RAS, 2013. - S. 38. - 106 sid. Arkiverad 23 november 2018 på Wayback Machine
  6. ↑ Levantovsky, 1980 , sid. 325-329.
  7. ↑ Dowling et al., 2007 , Omöjligheten att utforska större delen av solsystemet med den klassiska teorin om rymdresor, s. 343-346.
  8. ↑ Carl Sagan . Kapitel 6. The Triumph of Voyager // Blue Dot. Rymdens framtid för mänskligheten / övers. från engelska: Oleg Sivchenko. - M. : ANF, 2016. - 404 sid. - ISBN 978-5-91671-573-6 .
  9. ↑ 1 2 3 Tony Reichhardt. Gravity's overdrive  (engelska)  // Air & Space Smithsonian : magazine. - 1994. - Februari / Mars ( vol. 8 ). - S. 72-78 . — ISSN 0886-2257 .
  10. ↑ "Pionjärer av raketteknologi", 1964 , sid. 624.
  11. ↑ "Pionjärer av raketteknologi", 1964 , sid. 533-534.
  12. ↑ "Pionjärer av raketteknologi", 1964 , sid. 9.
  13. ↑ "Pionjärer av raketteknologi", 1964 , sid. åtta.
  14. ↑ Zander, 1961 , sid. 285, 333-348.
  15. ↑ Luis Spairani. Gaetano A. Croccos stora turné fortsätter  . Tecnologie di Frontiera (30 oktober 2016). Hämtad 16 augusti 2018. Arkiverad från originalet 1 december 2017.
  16. ↑ Ivashkin, 2010 , sid. 74.
  17. ↑ Zander, 1961 , sid. 19.
  18. ↑ Children's Encyclopedia, 1965 , sid. 163.
  19. ↑ Eneev och Akim, 2007 .
  20. ↑ Ivashkin, 2010 , sid. 87-97.
  21. ↑ Christopher Riley och Dallas Campbell . Matematiken som gjorde Voyager möjlig  , BBC News (  23 oktober 2012). Arkiverad från originalet den 16 januari 2022. Hämtad 16 augusti 2018.
  22. ↑ 1 2 3 Stephen J. Pyne. The Grand Tour tänkt // Voyager: Exploration, Space, and the Third Great Age of Discovery. - Penguin, 2010. - 343 sid. — ISBN 978-1-101-19029-6 .
  23. ↑ Stephanie Schwam. The Making of 2001: A Space Odyssey . — Random House Publishing Group, 2010-07-21. — 415 sid. — ISBN 9780307757609 . Arkiverad 17 augusti 2018 på Wayback Machine
  24. ↑ Scharf, Caleb A . Den snabbaste rymdfarkosten någonsin?  (eng.) , Scientific American Blog Network  (25 februari 2013). Arkiverad från originalet den 27 december 2021. Hämtad 30 december 2017.
  25. ↑ V. Agapov. HGS-1: en lång väg till geostationär omloppsbana // Cosmonautics news  : journal. - FSUE TsNIIMash , 1998. - V. 8 , nr 14 (181) . - S. 18-20 .
  26. ↑ Michael Martin Nieto, John D. Anderson Earth Flyby Anomalies Arkiverad 6 februari 2020 på Wayback Machine // arxiv.org, 7 oktober 2009

Litteratur

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger
 Banor