15 октября 1997 года началось одно из самых удивительных путешествий в истории космонавтики. Стартовала миссия «Кассини-Гюйгенс», целью которой было изучение Сатурна, его колец и спутников. Однако путь к шестой планете от Солнца оказался далеко не прямым.
Мощная ракета «Титан-4» вывела на орбиту аппарат массой более пяти тонн. Но вместо того чтобы направиться к Сатурну, «Кассини» взял курс... на Венеру. Это не было ошибкой. В апреле 1998 года он сблизился с ней, а затем, вместо долгожданного поворота к цели, полетел обратно к Земле.
Пролетев мимо нашей планеты на безопасном расстоянии, аппарат совершил гравитационный манёвр и в июне 1999 года вновь отправился к Венере. После второго сближения он снова устремился к Земле. 18 августа 1999 года «Кассини» пролетел мимо нас на умопомрачительной скорости — 70 000 км/ч, что в 28 раз быстрее пули. Это событие породило волну сенсационных статей о «летящем к Земле плутониевом реакторе», но, к счастью, всё обошлось.
Только после этого серии гравитационных манёвров аппарат набрал достаточную скорость и отправился в глубины Солнечной системы. Он достиг Юпитера в 2001 году, а своей главной цели, Сатурна, — лишь в 2004-м. Миссия оказалась невероятно успешной: «Кассини» проработал на орбите газового гиганта до 2017 года, а спускаемый модуль «Гюйгенс» в 2005 году совершил историческую посадку на Титан.
Зачем нужны космические «кренделя»?
Возникает резонный вопрос: зачем нужно было так усложнять маршрут? Почему нельзя было полететь по прямой? Ответ кроется в фундаментальных ограничениях ракетной техники.
В космосе самый короткий путь — далеко не всегда самый быстрый или самый экономичный. Прямой полёт к далёким планетам потребовал бы колоссального количества топлива, которое просто не поднять современными ракетами. Например, чтобы разогнать аппарат до скорости, необходимой для полёта к комете Чурюмова-Герасименко (около 135 000 км/ч), потребовался бы двигатель, работающий 20 минут с перегрузкой в 3g. Мощнейший двигатель РД-170 сжёг бы за это время около 3000 тонн топлива. Для сравнения, самые тяжёлые современные ракеты могут вывести на низкую околоземную орбиту лишь около 100 тонн.
Траектория полёта «Кассини» — наглядный пример использования гравитационных манёвров.
Другой пример — аппарат «Розетта». Чтобы догнать комету, он 10 лет летал по сложной траектории, совершая гравитационные манёвры у Земли и Марса.
Аппарат «Розетта» и ядро кометы Чурюмова-Герасименко.
Принцип космической катапульты
Решение этой проблемы гениально и элегантно. Оно называется гравитационный манёвр, или «гравитационная праща». Этот метод позволяет использовать гравитационное поле планет для бесплатного разгона или торможения космических аппаратов без затрат топлива.
Идею впервые детально описал советский учёный Юрий Кондратюк (настоящее имя Александр Шаргей) в начале XX века. Он предложил использовать «пертурбационный манёвр» — то есть использовать гравитационное «возмущение» от планет для изменения траектории и скорости корабля.
Юрий Васильевич Кондратюк (Александр Игнатьевич Шаргей), 1897-1942.
Проще всего понять этот принцип на аналогии. Представьте, что вы стоите на перроне и бросаете упругий мяч в проезжающий мимо поезд. С точки зрения машиниста, мяч ударяется в поезд и отскакивает с определённой скоростью. Но с вашей точки зрения, на перроне, скорость мяча после отскока будет равна скорости поезда плюс скорость отскока. Таким образом, мяч получит значительную прибавку в скорости за счёт энергии движущегося поезда. Масса поезда так велика, что это взаимодействие практически не замедлит его.
Точно так же работает гравитационная праща в космосе. Планета — это «поезд», движущийся по орбите. Космический аппарат — «мяч». Пролетая в гравитационном поле планеты, аппарат меняет свою траекторию и, что самое главное, скорость относительно Солнца. Если он «догоняет» планету, то гравитация разгоняет его. Если летит навстречу — тормозит.
Масса планеты колоссальна, поэтому она отдаёт ничтожную часть своей орбитальной энергии, практически не меняя собственного движения. Аппарат же получает огромный прирост скорости «бесплатно». Например, гравитационный манёвр у Земли может добавить около 7 км/с, а у массивного Юпитера — до 43 км/с.
История и триумфы гравитационной пращи
Впервые этот метод был успешно применён в 1959 году советской станцией «Луна-3», которая, облетев Луну, вернулась к Земле, сделав первые в истории снимки её обратной стороны.
Космический аппарат "Луна 3".
Схема полёта станции "Луна 3" с использованием гравитационного манёвра.
Самый мощный «гравитационный пинок» может дать, конечно, Солнце. Солнечный зонд «Паркер», используя гравитацию нашей звезды, развил скорость около 580 000 км/ч, став самым быстрым рукотворным объектом в истории.
Космический аппарат "Паркер Солар" в представлении художника.
Знаменитые миссии «Пионер» и «Вояджер» к внешним планетам Солнечной системы также стали возможны благодаря гравитационной праще. В конце 1970-х планеты-гиганты удачно выстроились в конфигурацию, позволившую осуществить «Большой тур»: один аппарат, используя последовательные гравитационные манёвры у Юпитера, Сатурна и Урана, смог достичь Нептуна. Такое «парад планет» случается редко, поэтому для других миссий, вроде «Кассини» или «Розетты», инженерам приходится разрабатывать более сложные, петляющие траектории с облётами Венеры и Земли.
Таким образом, гравитационный манёвр — это не просто хитрость, а фундаментальный метод межпланетных путешествий. Он превращает планеты в гигантские космические катапульты, позволяя человечеству исследовать дальние уголки Солнечной системы с помощью существующих технологий. Это блестящий пример того, как понимание законов физики позволяет преодолевать казалось бы непреодолимые технические ограничения.
Друзья, купить журнал «Лучик» можно на «Вайлдберриз» и «Озоне», а оформить подписку – на сайте Почты России – до 11 октября действует скидка на подписку.
Больше интересных статей здесь: Космос.
Источник статьи: Что такое космическая катапульта?.