Что такое космическая катапульта?
15 октября 1997 года отправился в полёт космический аппарат «Кассини-Гюйгенс». Аппарат предназначался для исследований Сатурна.
Супертяжёлая ракета-носитель «Титан-4» вывела пятитонный «Кассини» в космос – и он полетел... к Сатурну, да? А вот и нет. Он полетел к Венере.
Почему? Ошибка в расчётах? Не ту программу ввели? Нет, ошибки не было. И тем не менее – «Кассини» полетел к Венере, с которой сблизился в апреле 1998 года. А потом он полетел... К Сатурну, да?
Вот только не смейтесь – нет! Он полетел обратно к Земле.
Миновав земную орбиту (на довольно большом от нас расстоянии), «Кассини» элегантно развернулся, и отправился... снова к Венере. С которой повторно сблизился в июне 1999 года.
После этого космический аппарат отправился... (давайте уже не будем делать драматических пауз) опять к Земле. 18 августа 1999 года «Кассини» пролетел мимо нашей планеты с сумасшедшей скоростью в 70 тысяч километров в час, или 20 километров в секунду! В 28 раз быстрее пули, вылетающей из ствола автомата Калашникова! Журналисты-скандалисты (куда без них?) даже умудрились навести шороху, понаделав статей в духе «к Земле летит 5-тонный плутониевый реактор» и «Завтра конец света».
Светопреставления не произошло, и после сближения с Землёй и Луной «Кассини» наконец отправился в дальнюю Солнечную систему. В самом начале 2001 года аппарат достиг Юпитера, пятой планеты. А до цели своего путешествия, до Сатурна, аппарат долетел только в 2004 году.
Миссия «Кассини» оказалась просто суперуспешной, зонд проработал на орбите Сатурна до 2017 года и передал на Землю огромное количество уникальных научных данных. В частности, в 2005 году 300-килограммовый зонд «Гюйгенс» (он был пристыкован к «Кассини») совершил мягкую посадку на поверхность Титана, крупнейшего спутника Сатурна. Но это уже, как говорится, «совсем другая история».
Так почему же «Кассини» несколько лет мотался туда-сюда? Зачем аппарат для исследований Сатурна летал к Венере – целых два раза? Неужели нельзя было сразу отправить аппарат к Сатурну?
Внимание, правильный ответ. Если бы «Кассини» не летал два раза к Венере, то, возможно, он летел бы до Сатурна до сих пор. Удивлены?
На Земле мы привыкли считать, что самый короткий путь между двумя точками – это прямая линия. Однако стоит нам отправиться в космос – и тут вдруг выяснится, что самый короткий путь между двумя точками вполне может быть редкостной и запутанной «кривулиной».
Траектория полёта «Кассини»
Вот другой космический аппарат – «Розетта», созданный для исследований кометы Чурюмова-Герасименко. С кометой аппарат повстречался в 2014 году, а запущен был... в 2004 году! Для того, чтобы добраться до ядра кометы, «Розетта» летала туда-сюда 10 лет, причём пролетела мимо Земли, затем мимо Марса, затем ещё два раза мимо Земли – согласитесь, замысловатый получился маршрутец?
Аппарат Розетта и ядро кометы
Ну как, есть варианты? Догадываетесь, в чём загвоздка? Давайте-ка ещё раз перечитаем: аппарат «Кассини» с массой свыше 5 тонн пролетел мимо Земли со скоростью 70 000 километров в час, или 20 километров в секунду... Ну, поняли, наконец?
Конечно! Дело именно в скорости! Нам с вами скорость в 70 тысяч километров в час кажется запредельно большой, но на самом деле... Та же самая комета Чурюмова-Герасименко, двигаясь по орбите, развивает максимальную скорость в два раза быстрее: 135 тысяч километров в час, или 38 километров в секунду! И «Розетте» для того, чтобы сблизиться с кометой, «догнать» её, сфотографировать, произвести посадку на поверхность и вообще заниматься исследованиями, нужно было набрать как минимум такую же скорость!
«А в чём, собственно, проблема? – спросите вы. – Вон школьный учебник физики, там есть простейшая формула, которая связывает скорость, ускорение и время! «Вэ равно а умноженное на тэ», даже двоечник запомнит!»
Правильно. И чтобы развить скорость 38 километров в секунду с ускорением 10 метров на секунду в квадрате (то есть без перегрузок, в «один же»), нам понадобится всего-навсего 3800 секунд работы ракетного двигателя. То есть час с небольшим. А с перегрузкой в «три же» – и вовсе 20 минут! Хм... Всего 20 минут, то есть 1200 секунд, да... Возьмём, скажем, мощный российский ракетный двигатель – РД-170. За одну секунду этот двигатель сжигает 2 с половиной тонны топлива (точнее, горючего и окислителя, но пусть будет просто «топливо»). Умножаем 1200 секунд на 2 с половиной – сами подсчитаете или подсказать? Три тысячи тонн топлива. Одного только топлива!
Реактивный двигатель РД-170 за 1 секунду сжигает 2 с половиной тонны топлива
Для сравнения – максимальный вес, который мы сейчас умеем «забрасывать» на низкую орбиту (это где летает Международная Космическая Станция) – около 100 тонн. А на орбиту, скажем, Луны – в пять раз меньше, то есть 20 тонн. А аппарат «Кассини» весил, напоминаем, 5 тонн «с хвостиком». И «прицепить» к этому аппарату ещё и «бензобак» на три тысячи тонн – сами понимаете, вариант абсолютно невозможный. Нет у нас таких сверхмощных ракет, увы, и в ближайшем будущем не предвидится. Возможности наших химических реактивных двигателей, как показывают расчёты, «на пределе».
Но как же тогда мы летаем к Юпитеру? К Сатурну? К Плутону? Как учёные смогли разогнать ту же самую «Розетту» до чудовищной скорости в 135 тысяч километров в час, чтобы она смогла догнать комету?! Что ж, тут как в детских сказках – там, где не получается «взять силой», вполне можно «взять хитростью».
По-научному эта «хитрость» называется «гравитационный манёвр», или «гравитационная праща». Впервые этот манёвр описал в своей книге «Тем, кто будет читать, чтобы строить» замечательный учёный Юрий Васильевич Кондратюк. Он называл его «пертурбационным маневром», то есть в переводе с латинского «использующим возмущение». Астрономы часто используют термин «возмущение» для описания отклонения движения небесного тела от своей расчётной орбиты – например, «возмущение Нептуном орбиты Урана». Юрий Кондратюк предложил использовать «гравитационное возмущение», то есть гравитационное поле планет и спутников, для «бесплатного» разгона и торможения космических аппаратов.
Юрий Васильевич Кондратюк (настоящее имя Александр Игнатьевич Шаргей) 1897-1942
Понять красоту, простоту и эффективность этой задумки можно с помощью воображаемого опыта. Представим себе мягкий очень упругий резиновый мячик. Допустим, мы стоим на платформе железнодорожной станции, и к нам приближается электричка – со скоростью 60 километров в час. Если мы кинем в электричку мячик (наш опыт чисто воображаемый, на практике кидать любые предметы в проезжающие поезда строго нельзя!) со скоростью, скажем, 20 километров в час – то с какой скоростью мячик отскочит от электрички и пролетит мимо вас?
«Ерундовский вопрос! – скажет многомудрый семиклассник, уже начавший изучать физику. – Шестьдесят километров в час плюс двадцать километров в час будет восемьдесят километров в час! Делов-то!». Ответ быстрый, но... неверный. На самом деле мячик просвистит мимо вашей головы с нехилой скоростью 140 километров в час... Хорошо если не в лоб!
Поняли, в чём секрет? Всякое механическое движение в нашем мире относительно, то есть любая скорость существует только внутри какой-либо системы отсчёта. (Это не та относительность, которая у Эйнштейна – это так называемый «принцип относительности Галилея».)
В нашей задаче есть две системы отсчёта – первая неподвижная, связанная с вами и железнодорожной платформой. Это то, как видим событие мы, стоящие на платформе. Вторая система движется относительно нас, и связана с электричкой –«как видит машинист».
Как выглядят события с точки зрения машиниста? Для машиниста неподвижной является «его» система – с его точки зрения не поезд подъезжает к станции, а станция движется в сторону поезда – со скоростью 60 км/ч. Глупый мальчишка кидает в сторону поезда резиновый мячик – и этот мячик ударяется о поезд со скоростью 60+20 = 80 км/ч. Поскольку наш мячик очень упругий, то скорость отскока будет равна скорости столкновения – то есть мячик отскочит от поезда со скоростью 80 км/ч.
А теперь вернёмся в «нашу» систему отсчёта, на станцию. Мячик действительно отскочит от поезда со скоростью 80 км/ч – но это для машиниста, для «его» системы отсчёта! А для нас и электричка, и машинист внутри движутся – со скоростью 60 км/ч. Значит, чтобы «вернуть» мячик в «нашу» систему отсчёта, надо к его скорости (80 км/ч) добавить скорость электрички (60 км/ч). Итого получаем скорость мячика в 60+80 = 140 километров в час.
Но позвольте! – скажет читатель поопытнее. – Ведь есть закон сохранения энергии. Откуда же мячик взял энергию для разгона до такой большой скорости? Мы его бросили со скоростью 20 км/ч, а он возвращается обратно со скоростью 140 км/ч – нет ли здесь нарушения закона сохранения энергии? Откуда взялась добавочная скорость?»
Никакого нарушения тут нет. Добавочную скорость (в неподвижной системе отсчёта) наш мячик получил от взаимодействия с поездом. Сам мячик стал двигаться намного быстрее, а вот поезд, передавший ему энергию, замедлился – но на крохотную, совсем незаметную величину. Потому что масса поезда в миллионы раз превышает массу мячика...
А теперь перенесёмся с железнодорожной платформы в космос. Планеты и их спутники движутся по орбитам, как по рельсам. Кстати, движутся с очень приличными скоростями – скажем, наша с вами Земля (и всё на ней, и вы, и я тоже!) несётся вокруг Солнца со скоростью примерно 30 км/с, или 108 000 километров в час. Мы с вами этой чудовищной скорости не замечаем – потому что в нашей системе отсчёта наша скорость равна нулю. Назовём «нашу» систему отсчёта геоцентрической, или планетоцентрической.
А вот в «другой» системе отсчёта, связанной с Солнцем – то есть гелиоцентрической системе – мы вместе планетой Земля летим со скоростью 108 000 км/ч.
Но в какой системе отсчёта движется космический аппарат внутри Солнечной системы? В гелиоцентрической, верно? И измерять его скорость мы будем не относительно Земли (это бессмысленно), а относительно Солнца!
Представим теперь, что наш корабль в полёте подлетает к планете – скажем, к той же Земле – и попадает в её гравитационное поле. Он просто пролетает мимо, ничего не делает – как в нашем опыте мячик подлетает к движущейся системе со скоростью 80 км/ч, так и отскакивает от неё тоже со скоростью 80 км/ч, помните? В планетоцентрической системе отсчёта скорость корабля не изменяется. Но вот с точки зрения Солнца, в гелиоцентрической системе, наш космический корабль скорость изменит, да ещё как! Если корабль «догонял» планету по орбите, то его скорость увеличится, если же «двигался навстречу», то скорость, напротив, упадёт, произойдёт торможение.
Расчёты показывают, что гравитационный маневр возле Земли может обеспечить дополнительные 7 километров в секунду (25200 километров в час) скорости. Но если взять более массивное тело, то и прирост скорости будет выше – скажем, гигант Юпитер может выдать нашему кораблю «гравитационного пинка» скоростью в 43 километра в секунду (154800 км/ч). Недурно, правда?
Снова возникает вопрос о том «а откуда берётся дополнительная скорость», «откуда берётся энергия для разгона». Ничего сложного – происходит взаимодействие масс и корабль «забирает» эту энергию у движущейся планеты. Но масса корабля в сравнении с массой планеты настолько ничтожно мала (помните опыт про мячик и поезд?), что потеря кинетической энергии планетой будет абсолютно незаметна.
Впервые успешный гравитационный маневр осуществила советская автоматическая станция «Луна 3» в далёком 1959 году.
Космический аппарат "Луна 3"
С помощью тщательно просчитанного маневра в гравитационном поле Луны станция – «даром», без использования двигателей! – изменила свою орбиту, облетела вокруг Луны и вернулась обратно к Земле.
Полёт станции "Луна 3" и гравитационный маневр
«Тогда, если чем больше масса объекта, то тем выше будет прирост скорости при гравитационном маневре, правильно? – спросите вы. – И самое большое приращение скорости может дать Солнце?»
Именно. 21 ноября 2021 года зонд «Паркер Солар» пролетел мимо Солнца с поистине фантастической скоростью 580 000 километров в час (примерно 160 километров в секунду), на сегодняшний день это самая большая скорость, которую смог развить придуманный и построенный человеком аппарат.
Космический аппарат "Паркер Солар"
Но – подчёркиваем! – достичь этой скорости аппарат сумел только за счёт «бесплатной» солнечной гравитации. Никакие придуманные людьми ракетные двигатели (реальные, а не фантастические) разогнать аппарат до такой скорости не смогли бы.
Теперь вы понимаете, зачем «Кассини» два раза летал к Венере и возвращался к Земле? Каждый раз пролетая мимо, корабль получал дополнительную скорость – и только тогда, когда разогнался «как следует», отправился исследовать далёкий Сатурн...
«Ну ладно! – скажет самый дотошный и эрудированный читатель. – А как же тогда в 70-е годы летали американские «Пионеры» и «Вояджеры»? Они же столько планет исследовали – и Юпитер, и Сатурн, и Уран, и Нептун, и никаких «космических кренделей» не выписывали?»
Ошибаетесь! И «Пионеры», и «Вояджеры» тоже использовали гравитационную катапульту. Просто в конце 70-х годов прошлого века сложилась очень удачная конфигурация планет – они удобно «выстроились» так, что их все можно было «накрыть» за счёт одного пролёта на гравитационном маневре: гравитационный маневр у Юпитера направил аппарат к Сатурну, маневр у Сатурна «дал пинка» в сторону Урана, а гравитационный маневр возле Урана позволил в итоге быстро («всего лишь» через 12 лет после запуска) достичь Нептуна...
Эта программа называлась «Большой тур», и была задумана заранее, ещё в 1964 году. Однако такое вот удачное расположение планет случается очень редко – поэтому для запуска «Кассини», «Розетты» и других современных космических зондов приходится часто хитрить и «раскочегаривать» скорости «гоняя вкругаля через Венеру».
Друзья, купить журнал «Лучик» можно на «Вайлдберриз» и «Озоне», а оформить подписку – на сайте Почты России – до 11 октября действует скидка на подписку.
