Гравітаційний маневр: як космічні кораблі використовують планетарну силу для збільшення швидкості.

Дослідники розкрили механізм дії гравітаційного маневру в реальному житті та підкреслили його важливість як критично важливого інструмента для міжпланетних експедицій.

Сцени з науково-фантастичних фільмів, де космічний корабель використовує гравітацію планети для прискорення та втечі від небезпеки, виявляються не такими вже й фантастичними. Гравітаційний маневр, який науковці частіше називають гравітаційною допомогою, є реальним та надзвичайно важливим інструментом для більшості міжпланетних місій.

Принцип виглядає досить простим: коли космічний апарат підходить до великого об'єкта, такого як планета, її гравітаційне поле викривляє його траєкторію, змінюючи шлях руху. Однак справжня цінність цього маневру полягає в тому, що апарат може використовувати гравітацію планети для отримання прискорення або, навпаки, сповільнення після проходження, що значно спрощує подорожі до зовнішніх чи внутрішніх планет.

Найбільш незрозумілою частиною цього процесу є можливість зміни швидкості, адже це суперечить симетрії гравітації. Якщо кинути гумовий м'яч з певної висоти, він прискориться під час падіння, а потім уповільниться під час підскоку. У кращому випадку він підстрибне на ту саму висоту, з якої впав, оскільки кінетична енергія, набута під час падіння, втрачається під час підйому.

Аналогічна ситуація спостерігається й у випадку космічного апарата, що наближається до планети. Гравітаційне поле планети прискорює його на етапі зближення, після чого він проходить в найближчій точці, а згодом втрачає частину швидкості під час віддалення, оскільки на нього все ще впливає гравітація планети. Як тільки гравітаційний вплив стає менш інтенсивним, космічний апарат продовжує рухатися відносно планети із тією ж швидкістю, з якою він спочатку підійшов.

Ключ до розуміння того, як цей маневр може прискорити космічний апарат, криється у фразі "відносно планети". Якщо наблизитися до планети зі швидкістю двадцять кілометрів на секунду, то й покинути її з тією самою швидкістю. Але це швидкість, виміряна відносно планети.

Водночас планета також обертається навколо Сонця. Якщо наблизитися до планети ззаду, тобто в напрямку її руху, то коли планетарна гравітація надасть прискорення, вона також, з геліоцентричної точки зору, потягне космічний апарат за собою, додаючи частину своєї орбітальної швидкості до його швидкості. Це дає поштовх відносно Сонця, прискорюючи рух до пункту призначення. По суті, космічний апарат отримує чистий приріст швидкості, крадучи трохи орбітальної кінетичної енергії планети.

Це свідчить про те, що планета насправді дещо сповільнює свій рух на орбіті навколо Сонця, що може викликати певні занепокоєння. Проте, це уповільнення є пропорційним масі планети у порівнянні із космічним апаратом. Якщо взяти до уваги, що типовий зонд важить приблизно одну тонну, а планета — мільйони мільярдів тонн, то її сповільнення взагалі не є помітним. Навіть якщо запустити мільйон зондів до неї, це не вплине на її орбітальну швидкість. Насправді, навіть бактерія, що випадково відскакує від людини під час прогулянки, має значно більший вплив.

Причина, чому варто інвестувати зусилля в гравітаційні маневри, полягає в обмеженнях ракетних технологій. Космічні апарати запускаються за допомогою ракет, які здатні досягати лише певного максимального прискорення. Для сучасних ракет ці швидкості є недостатніми, а відстані між планетами — настільки великими, що навіть найшвидші та найпряміші польоти займають роки або навіть десятиліття, коли мова йде про цілі в зовнішніх регіонах Сонячної системи.

Можна завантажити космічний апарат більшою кількістю палива для швидшого руху, але й тут є межі. Паливо має масу, і потрібно прискорювати цю додаткову масу, що вимагає більше палива, яке має більшу масу. Ця дилема описується рівнянням ракети і означає, що кількість палива, яку потрібно додати для навіть незначного збільшення швидкості, швидко досягає заборонних масштабів.

Отже, для скорочення часу подорожі потрібно використовувати інші підходи, наприклад, скористатися гравітаційним полем великої планети. Яскравим прикладом може слугувати зонд Кассіні, запущений у 1997 році. Цей величезний космічний апарат, розміром зі шкільний автобус, важив близько двох з половиною тонн без урахування пального. З додаванням пального, необхідного для виконання місії поблизу Сатурна, а також пускової установки та іншого обладнання, загальна маса досягла п'яти з половиною тонн. Використання ракет того часу для досягнення Сатурна зайняло б майже безмежно багато часу.

Тому планувальники місії скористалися Юпітером, відправивши космічний апарат повз нього на прискорювальному гравітаційному маневрі, який значно скоротив час подорожі. Насправді, щоб просто дістатися до Юпітера, Кассіні також виконав два економні прольоти повз Венеру та один повз Землю, щоразу крадучи планетарну орбітальну енергію.

Гравітаційна допомога працює і в протилежному напрямку. Земля обертається навколо Сонця зі швидкістю понад тридцять кілометрів на секунду, тому запуск зонда до Сонця або внутрішніх планет надзвичайно складний через всю цю бічну швидкість. Натомість планувальники місій віддають перевагу більш обхідному маршруту. Вони запускають космічний апарат із достатньою швидкістю в протилежному напрямку від шляху Землі навколо Сонця, щоб опуститися перед, скажімо, Венерою, де він може передати частину своєї орбітальної енергії планеті, щоб ще більше наблизитися до Сонця.

БепіКоломбо, спільна місія Європейського космічного агентства та Японського агентства аерокосмічних досліджень до Меркурія, зробила саме це, пройшовши повз Землю один раз і повз Венеру двічі, щоб дістатися околиць Меркурія. Навіть тоді довелося виконати загалом шість гравітаційних маневрів повз Меркурій, щоб відповідати орбітальній швидкості планети навколо Сонця. Останній маневр відбувся у січні дві тисячі двадцять п'ятого року, а вихід на орбіту Меркурія заплановано на листопад дві тисячі двадцять шостого року.

Гравітаційні маневри є яскравим прикладом того, чому космічні подорожі складні. Це справді ракетна наука. Гравітація є найбільшим винуватцем; просто відірватися від Землі є найбільшою частиною проблеми. Іронічно, що саме гравітація може зробити досягнення більшості решти Сонячної системи набагато легшим.