Chuyến bay của tàu vũ trụ liên quan đến việc tiêu thụ năng lượng rất lớn. Ví dụ, phương tiện phóng Soyuz, đứng trên bệ phóng và sẵn sàng phóng, nặng 307 tấn, trong đó hơn 270 tấn là nhiên liệu, tức là phần sư tử. Việc phải tiêu tốn một lượng lớn năng lượng cho chuyển động trong không gian vũ trụ chủ yếu liên quan đến những khó khăn trong việc làm chủ các vùng xa của hệ mặt trời.
Thật không may, một bước đột phá kỹ thuật theo hướng này vẫn chưa được mong đợi. Khối lượng thuốc phóng vẫn là một trong những yếu tố quan trọng trong việc lập kế hoạch cho các sứ mệnh không gian, và các kỹ sư tận dụng mọi cơ hội để tiết kiệm nhiên liệu nhằm kéo dài thời gian hoạt động của thiết bị. Diễn tập trọng lực là một cách để tiết kiệm tiền.
Làm thế nào để bay trong không gian và trọng lực là gì
Nguyên tắc di chuyển của thiết bị trong chân không (môi trường mà từ đó không thể đẩy ra bằng cánh quạt, bánh xe hoặc bất cứ thứ gì khác) giống nhau đối với tất cả các loại động cơ tên lửa được sản xuất trên Trái đất. Đây là lực đẩy phản lực. Lực hấp dẫn đối lập với sức mạnh của động cơ phản lực. Trận chiến chống lại các định luật vật lý này đã giành được chiến thắngCác nhà khoa học Liên Xô năm 1957. Lần đầu tiên trong lịch sử, một bộ máy do bàn tay con người tạo ra, đạt tốc độ vũ trụ đầu tiên (khoảng 8 km / s), đã trở thành vệ tinh nhân tạo của hành tinh Trái đất.
Phải mất khoảng 170 tấn sắt, thiết bị điện tử, dầu hỏa tinh khiết và oxy lỏng để phóng một thiết bị chỉ nặng hơn 80 kg vào quỹ đạo thấp của Trái đất.
Trong tất cả các định luật và nguyên tắc của vũ trụ, có lẽ lực hấp dẫn là một trong những định luật chính. Nó chi phối mọi thứ, bắt đầu với sự sắp xếp của các hạt cơ bản, nguyên tử, phân tử và kết thúc bằng sự chuyển động của các thiên hà. Nó cũng là một trở ngại cho việc khám phá không gian.
Không chỉ là nhiên liệu
Ngay cả trước khi phóng vệ tinh Trái đất nhân tạo đầu tiên, các nhà khoa học đã hiểu rõ rằng không chỉ tăng kích thước tên lửa và sức mạnh của động cơ mới có thể là chìa khóa thành công. Các nhà nghiên cứu đã được thúc đẩy tìm kiếm các thủ thuật như vậy nhờ kết quả của các tính toán và thử nghiệm thực tế, cho thấy các chuyến bay tiêu tốn nhiên liệu như thế nào bên ngoài bầu khí quyển của trái đất. Quyết định đầu tiên như vậy đối với các nhà thiết kế Liên Xô là lựa chọn địa điểm xây dựng vũ trụ.
Hãy giải thích. Để trở thành vệ tinh nhân tạo của Trái đất, tên lửa cần tăng tốc tới 8 km / s. Nhưng bản thân hành tinh của chúng ta luôn chuyển động. Bất kỳ điểm nào nằm trên đường xích đạo đều quay với tốc độ hơn 460 mét / giây. Do đó, một tên lửa được phóng vào không gian không có không gian trong khu vực của vĩ tuyến 0 sẽ tự nó làcó gần nửa km miễn phí mỗi giây.
Đó là lý do tại sao, trong phạm vi rộng lớn của Liên Xô, một nơi ở phía nam đã được chọn (tốc độ quay hàng ngày ở Baikonur là khoảng 280 m / s). Một dự án thậm chí còn tham vọng hơn nhằm giảm tác động của trọng lực lên phương tiện phóng đã xuất hiện vào năm 1964. Đây là sân bay vũ trụ biển đầu tiên "San Marco", do người Ý lắp ráp từ hai giàn khoan và nằm trên đường xích đạo. Sau đó, nguyên tắc này đã hình thành cơ sở của dự án Sea Launch quốc tế, dự án phóng thành công các vệ tinh thương mại cho đến ngày nay.
Ai là người đầu tiên
Còn nhiệm vụ không gian sâu thì sao? Các nhà khoa học của Liên Xô là những người tiên phong trong việc sử dụng lực hấp dẫn của các thiên thể vũ trụ để thay đổi đường bay. Mặt trái của vệ tinh tự nhiên của chúng ta, như bạn đã biết, lần đầu tiên được chụp ảnh bởi thiết bị Luna-1 của Liên Xô. Điều quan trọng là sau khi bay quanh mặt trăng, thiết bị phải có thời gian quay trở lại Trái đất để nó quay về phía Bắc bán cầu. Rốt cuộc, thông tin (hình ảnh nhận được) phải được truyền đến mọi người, và các trạm theo dõi, các đĩa ăng-ten vô tuyến được đặt chính xác ở Bắc bán cầu.
Không ít nhà khoa học Mỹ đã thành công trong việc sử dụng các thao tác điều khiển lực hấp dẫn để thay đổi quỹ đạo của tàu vũ trụ. Tàu vũ trụ tự động liên hành tinh "Mariner 10" sau khi bay đến gần Sao Kim đã phải giảm tốc độ để đi vào quỹ đạo vòng tròn thấp hơn vàkhám phá sao Thủy. Thay vì sử dụng lực đẩy phản lực của động cơ cho thao tác này, tốc độ của xe bị làm chậm lại do trường hấp dẫn của sao Kim.
Cách thức hoạt động
Theo định luật vạn vật hấp dẫn, được khám phá và xác nhận bằng thực nghiệm bởi Isaac Newton, tất cả các vật thể có khối lượng đều hút nhau. Sức mạnh của lực hút này có thể dễ dàng đo lường và tính toán. Nó phụ thuộc cả vào khối lượng của cả hai vật thể và khoảng cách giữa chúng. Càng gần, càng mạnh. Hơn nữa, khi các cơ thể tiếp cận nhau, lực hút sẽ tăng lên theo cấp số nhân.
Hình vẽ cho thấy cách tàu vũ trụ, bay gần một thiên thể vũ trụ lớn (hành tinh nào đó), thay đổi quỹ đạo của chúng. Hơn nữa, quá trình chuyển động của thiết bị ở vị trí số 1, bay xa nhất so với vật thể lớn, thay đổi rất nhẹ. Không thể nói gì về thiết bị số 6. Máy bay hỗ trợ thay đổi hướng bay của nó một cách đáng kể.
Dây treo trọng lực là gì. Cách hoạt động
Việc sử dụng các thao tác điều khiển trọng lực không chỉ cho phép thay đổi hướng của tàu vũ trụ mà còn có thể điều chỉnh tốc độ của nó.
Hình thể hiện quỹ đạo của một con tàu vũ trụ, thường được sử dụng để tăng tốc nó. Nguyên tắc hoạt động của một cơ động như vậy rất đơn giản: trong phần của quỹ đạo được tô màu đỏ, thiết bị dường như đang đuổi kịp hành tinh đang chạy khỏi nó. Một vật thể nặng hơn nhiều sẽ kéo một vật thể nhỏ hơn bằng lực hấp dẫn của nó, làm nó phân tán.
Nhân tiện, không chỉ tàu vũ trụ được tăng tốc theo cách này. Người ta biết rằng các thiên thể không bị ràng buộc với các ngôi sao đi lang thang trong thiên hà với sức mạnh và chính. Đây có thể là cả những tiểu hành tinh tương đối nhỏ (nhân tiện, một trong số đó hiện đang ghé thăm hệ mặt trời) và những hành tinh có kích thước khá. Các nhà thiên văn học tin rằng chính lực hấp dẫn, tức là tác động của một thiên thể vũ trụ lớn hơn, sẽ ném các vật thể có khối lượng nhỏ hơn ra khỏi hệ thống của chúng, đưa chúng đến những cuộc phiêu lưu vĩnh viễn trong cái lạnh băng giá của không gian trống rỗng.
Làm thế nào để giảm tốc độ
Nhưng, bằng cách sử dụng lực hấp dẫn của tàu vũ trụ, bạn không chỉ có thể tăng tốc mà còn có thể làm chậm chuyển động của chúng. Sơ đồ của phanh như vậy được thể hiện trong hình.
Trên phần của quỹ đạo được tô màu đỏ, lực hút của hành tinh, trái ngược với biến thể có đai hấp dẫn, sẽ làm chậm chuyển động của thiết bị. Rốt cuộc, vectơ trọng lực và hướng bay của con tàu ngược nhau.
Nó được sử dụng khi nào? Chủ yếu là để phóng các trạm liên hành tinh tự động vào quỹ đạo của các hành tinh được nghiên cứu, cũng như để nghiên cứu các vùng gần mặt trời. Thực tế là khi di chuyển về phía Mặt trời hoặc, ví dụ, về phía hành tinh sao Thủy gần ngôi sao nhất, bất kỳ thiết bị nào, nếu bạn không áp dụng các biện pháp phanh, sẽ có thể tăng tốc nhanh chóng. Ngôi sao của chúng ta có một khối lượng đáng kinh ngạc và một lực hút khổng lồ. Một tàu vũ trụ đã đạt tốc độ quá mức sẽ không thể đi vào quỹ đạo của Sao Thủy, hành tinh nhỏ nhất trong họ Mặt trời. Con tàu sẽ đi quabởi, sao Thủy bé nhỏ không thể kéo nó đủ mạnh. Động cơ có thể được sử dụng để phanh. Nhưng quỹ đạo hấp dẫn đối với Mặt trời, chẳng hạn như tại Mặt trăng và sau đó là Sao Kim, sẽ giảm thiểu việc sử dụng động cơ đẩy tên lửa. Điều này có nghĩa là sẽ cần ít nhiên liệu hơn và trọng lượng giải phóng có thể được sử dụng để chứa các thiết bị nghiên cứu bổ sung.
Lăn kim trong mắt
Trong khi các cuộc điều động trọng trường ban đầu được tiến hành một cách rụt rè và do dự, các lộ trình của các sứ mệnh không gian liên hành tinh mới nhất hầu như luôn được lên kế hoạch với các điều chỉnh về lực hấp dẫn. Vấn đề là hiện nay các nhà vật lý thiên văn, nhờ sự phát triển của công nghệ máy tính, cũng như sự sẵn có của dữ liệu chính xác nhất về các thiên thể trong hệ mặt trời, chủ yếu là khối lượng và mật độ của chúng, đã có những phép tính chính xác hơn. Và cần phải tính toán cơ động trọng lực cực kỳ chính xác.
Vì vậy, đặt một quỹ đạo xa hành tinh hơn mức cần thiết đi kèm với thực tế là thiết bị đắt tiền sẽ không bay đúng nơi mà nó đã được lên kế hoạch. Và việc đánh giá thấp khối lượng thậm chí có thể đe dọa sự va chạm của con tàu với bề mặt.
Vô địch trong diễn tập
Đây, tất nhiên, có thể được coi là con tàu vũ trụ thứ hai của sứ mệnh Voyager. Ra mắt vào năm 1977, thiết bị hiện đang rời khỏi hệ sao bản địa của nó, lui vào ẩn số.
Trong quá trình hoạt động, bộ máy này đã ghé thăm Sao Thổ, Sao Mộc, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương. Trong suốt chuyến bay, lực hút của Mặt trời tác dụng lên nó, từ đó con tàu dần xa dần. Nhưng, nhờ lực hấp dẫn được tính toán kỹ lưỡngđối với mỗi hành tinh, tốc độ của nó không giảm mà còn tăng lên. Đối với mỗi hành tinh được khám phá, tuyến đường được xây dựng dựa trên nguyên tắc của một dây treo trọng lực. Nếu không có ứng dụng hiệu chỉnh lực hấp dẫn, Voyager sẽ không thể gửi nó đi xa như vậy.
Ngoài Du hành, diễn tập trọng lực đã được sử dụng để khởi động các nhiệm vụ nổi tiếng như Rosetta hoặc Chân trời mới. Vì vậy, Rosetta, trước khi tìm kiếm sao chổi Churyumov-Gerasimenko, đã thực hiện 4 lần di chuyển gia tốc trọng trường gần Trái đất và Sao Hỏa.
