I voli spaziali comportano un enorme consumo di energia. Ad esempio, il veicolo di lancio Soyuz, in piedi sulla rampa di lancio e pronto per il lancio, pesa 307 tonnellate, di cui oltre 270 tonnellate sono carburante, cioè la parte del leone. La necessità di spendere una quantità pazzesca di energia per il movimento nello spazio esterno è in gran parte correlata alle difficoltà di padroneggiare gli angoli più remoti del sistema solare.
Purtroppo non è ancora prevista una svolta tecnica in questa direzione. La massa del propellente rimane uno dei fattori chiave nella pianificazione delle missioni spaziali e gli ingegneri sfruttano ogni opportunità per risparmiare carburante al fine di prolungare il funzionamento del dispositivo. Le manovre di gravità sono un modo per risparmiare denaro.
Come volare nello spazio e cos'è la gravità
Il principio di muovere il dispositivo nel vuoto (un ambiente dal quale è impossibile partire con un'elica, o ruote, o qualsiasi altra cosa) è lo stesso per tutti i tipi di motori a razzo costruiti sulla Terra. Questa è la spinta del getto. La gravità si oppone alla potenza di un motore a reazione. Questa battaglia contro le leggi della fisica è stata vintaScienziati sovietici nel 1957. Per la prima volta nella storia, un apparato realizzato da mani umane, dopo aver acquisito la prima velocità cosmica (circa 8 km/s), è diventato un satellite artificiale del pianeta Terra.
Ci sono volute circa 170 tonnellate di ferro, elettronica, cherosene purificato e ossigeno liquido per lanciare un dispositivo del peso di poco più di 80 kg nell'orbita terrestre bassa.
Di tutte le leggi ei principi dell'universo, la gravità è, forse, una delle principali. Governa tutto, a partire dalla disposizione delle particelle elementari, atomi, molecole e finendo con il movimento delle galassie. È anche un ostacolo all'esplorazione spaziale.
Non solo carburante
Anche prima del lancio del primo satellite artificiale terrestre, gli scienziati hanno capito chiaramente che non solo l'aumento delle dimensioni dei razzi e della potenza dei loro motori poteva essere la chiave del successo. I ricercatori sono stati spinti a cercare tali trucchi dai risultati di calcoli e test pratici, che hanno mostrato quanto consumino i voli al di fuori dell'atmosfera terrestre. La prima decisione del genere per i progettisti sovietici fu la scelta del sito per la costruzione del cosmodromo.
Spieghiamo. Per diventare un satellite artificiale della Terra, il razzo deve accelerare fino a 8 km/s. Ma il nostro pianeta stesso è in continuo movimento. Qualsiasi punto situato sull'equatore ruota a una velocità superiore a 460 metri al secondo. Pertanto, sarà di per sé un razzo lanciato nello spazio senz'aria nell'area del parallelo zeroavere libero quasi mezzo chilometro al secondo.
Ecco perché, nelle vaste distese dell'URSS, è stato scelto un luogo a sud (la velocità di rotazione giornaliera a Baikonur è di circa 280 m/s). Un progetto ancora più ambizioso volto a ridurre l'effetto della gravità sul veicolo di lancio apparve nel 1964. Fu il primo cosmodromo marino "San Marco", assemblato dagli italiani da due piattaforme di perforazione e situato all'equatore. Successivamente, questo principio ha costituito la base del progetto internazionale Sea Launch, che lancia con successo satelliti commerciali fino ad oggi.
Chi è stato il primo
E le missioni nello spazio profondo? Gli scienziati dell'URSS furono pionieri nell'usare la gravità dei corpi cosmici per cambiare la traiettoria di volo. Il retro del nostro satellite naturale, come sapete, è stato fotografato per la prima volta dall'apparato sovietico Luna-1. Era importante che dopo aver volato intorno alla luna, il dispositivo avesse il tempo di tornare sulla Terra in modo che potesse essere girato verso di essa dall'emisfero settentrionale. Dopotutto, le informazioni (le immagini fotografiche ricevute) dovevano essere trasmesse alle persone e le stazioni di rilevamento, le antenne radiofoniche si trovavano proprio nell'emisfero settentrionale.
Non meno riuscito a utilizzare le manovre gravitazionali per cambiare la traiettoria del veicolo spaziale dagli scienziati americani. La navicella interplanetaria automatica "Mariner 10" dopo un sorvolo vicino a Venere ha dovuto ridurre la velocità per entrare in un'orbita circumsolare inferiore eesplorare Mercurio. Invece di utilizzare la spinta del jet dei motori per questa manovra, la velocità del veicolo è stata rallentata dal campo gravitazionale di Venere.
Come funziona
Secondo la legge di gravitazione universale, scoperta e confermata sperimentalmente da Isaac Newton, tutti i corpi di massa si attraggono. La forza di questa attrazione è facilmente misurabile e calcolabile. Dipende sia dalla massa di entrambi i corpi che dalla distanza tra loro. Più vicino, più forte. Inoltre, man mano che i corpi si avvicinano, la forza di attrazione cresce esponenzialmente.
La figura mostra come i veicoli spaziali, volando vicino a un grande corpo cosmico (qualche pianeta), cambiano la loro traiettoria. Inoltre, il corso del movimento del dispositivo sotto il numero 1, volando più lontano dall'oggetto massiccio, cambia leggermente. Cosa non si può dire del dispositivo numero 6. Il planetoide cambia drasticamente la sua direzione di volo.
Cos'è un'imbracatura a gravità. Come funziona
L'uso delle manovre gravitazionali permette non solo di cambiare la direzione del veicolo spaziale, ma anche di regolarne la velocità.
La figura mostra la traiettoria di un veicolo spaziale, solitamente utilizzato per accelerarlo. Il principio di funzionamento di tale manovra è semplice: nel tratto della traiettoria evidenziato in rosso, il dispositivo sembra mettersi alla pari con il pianeta in fuga da esso. Un corpo molto più massiccio attira un corpo più piccolo con la sua forza di gravità, disperdendolo.
A proposito, non solo le astronavi vengono accelerate in questo modo. È noto che i corpi celesti che non sono legati alle stelle vagano per la galassia con potenza e forza. Questi possono essere sia asteroidi relativamente piccoli (uno dei quali, tra l' altro, sta ora visitando il sistema solare), sia planetoidi di dimensioni decenti. Gli astronomi ritengono che sia l'imbracatura gravitazionale, cioè l'impatto di un corpo cosmico più grande, a scagliare fuori dai loro sistemi oggetti meno massicci, condannandoli a peregrinazioni eterne nel freddo gelido dello spazio vuoto.
Come rallentare
Ma, usando le manovre gravitazionali dei veicoli spaziali, puoi non solo accelerare, ma anche rallentarne il movimento. Lo schema di tale frenatura è mostrato in figura.
Nel tratto di traiettoria evidenziato in rosso, l'attrazione del pianeta, in contrasto con la variante con fionda gravitazionale, rallenterà il movimento del dispositivo. Dopotutto, il vettore di gravità e la direzione di volo della nave sono opposti.
Quando viene utilizzato? Principalmente per il lancio di stazioni interplanetarie automatiche nelle orbite dei pianeti studiati, nonché per lo studio delle regioni quasi solari. Il fatto è che quando ci si sposta verso il Sole o, ad esempio, verso il pianeta Mercurio più vicino alla stella, qualsiasi dispositivo, se non si applicano misure per la frenata, accelererà, volenti o nolenti. La nostra stella ha una massa incredibile e un'enorme forza di attrazione. Un veicolo spaziale che ha guadagnato velocità eccessiva non sarà in grado di entrare nell'orbita di Mercurio, il pianeta più piccolo della famiglia solare. La nave scivolerà viada, il piccolo Mercurio non riesce a tirarlo abbastanza forte. I motori possono essere utilizzati per la frenatura. Ma una traiettoria gravitazionale verso il Sole, diciamo sulla Luna e poi su Venere, minimizzerebbe l'uso della propulsione a razzo. Ciò significa che sarà necessario meno carburante e il peso liberato può essere utilizzato per ospitare apparecchiature di ricerca aggiuntive.
Infilati nella cruna di un ago
Mentre le prime manovre gravitazionali sono state condotte timidamente ed esitante, le rotte delle ultime missioni spaziali interplanetarie sono quasi sempre pianificate con aggiustamenti gravitazionali. Il fatto è che ora gli astrofisici, grazie allo sviluppo della tecnologia informatica, nonché alla disponibilità dei dati più accurati sui corpi del sistema solare, in primo luogo la loro massa e densità, hanno a disposizione calcoli più accurati. Ed è necessario calcolare la manovra di gravità in modo estremamente accurato.
Quindi, tracciare una traiettoria più lontana dal pianeta del necessario è irto del fatto che apparecchiature costose non voleranno affatto dove erano state pianificate. E la sottovalutazione della massa può persino minacciare la collisione della nave con la superficie.
Campione nelle manovre
Questo, ovviamente, può essere considerato il secondo veicolo spaziale della missione Voyager. Lanciato nel 1977, il dispositivo sta attualmente lasciando il suo sistema stellare nativo, per ritirarsi nell'ignoto.
Durante il suo funzionamento, l'apparato visitò Saturno, Giove, Urano e Nettuno. Durante il volo, l'attrazione del Sole ha agito su di esso, da cui la nave si è gradualmente allontanata. Ma, grazie alla gravitazionale ben calcolatamanovre, per ciascuno dei pianeti, la sua velocità non diminuiva, ma cresceva. Per ogni pianeta esplorato, il percorso è stato costruito sul principio di una fionda gravitazionale. Senza l'applicazione della correzione gravitazionale, la Voyager non sarebbe stata in grado di inviarla così lontano.
Oltre ai Voyager, le manovre gravitazionali sono state utilizzate per lanciare missioni famose come Rosetta o New Horizons. Quindi, Rosetta, prima di andare alla ricerca della cometa Churyumov-Gerasimenko, fece ben 4 manovre gravitazionali in accelerazione vicino alla Terra e a Marte.
