Введение

Техника космической навигации – пролёт с использованием движения. Гравитационный манёвр, маневр с гравитационной поддержкой, гравитационный облёт или, в общем, гравитационная праща в орбитальной механике – это тип космического пролёта, использующий относительное движение (например, орбиту вокруг Солнца) и гравитацию планеты или другого астрономического объекта для изменения траектории и скорости космического аппарата, как правило, для экономии топлива и снижения затрат. Гравитационная поддержка может использоваться для ускорения космического аппарата, то есть для увеличения или уменьшения его скорости или изменения направления движения. "Поддержка" обеспечивается движением гравитирующего тела, которое притягивает космический аппарат. Любой выигрыш или потеря кинетической энергии и импульса космическим аппаратом при пролёте соответственно теряется или приобретается гравитирующим телом в соответствии с третьим законом Ньютона. Впервые гравитационный манёвр был использован в 1959 году, когда советский зонд "Луна-3" сфотографировал обратную сторону Луны, и затем применялся межпланетными зондами, начиная с "Маринера-10", включая известные пролёты двух зондов "Вояджер" мимо Юпитера и Сатурна.

Пояснение

Гравитационная ассистенция вокруг планеты изменяет скорость космического аппарата (относительно Солнца) при входе и выходе из сферы гравитационного влияния планеты. Скорость космического аппарата увеличивается по мере приближения к планете и уменьшается по мере удаления от неё. Для увеличения скорости аппарат приближается к планете в том же направлении, в котором планета обращается вокруг Солнца, и покидает её в противоположном направлении. Для уменьшения скорости космический аппарат приближается к планете, двигаясь в направлении, противоположном орбитальной скорости планеты. При обоих типах манёвра передача энергии по сравнению с общей орбитальной энергией планеты пренебрежимо мала. Сумма кинетических энергий обоих тел остаётся постоянной (см. упругое столкновение). Таким образом, маневр гравитационного рога может быть использован для изменения траектории и скорости космического аппарата относительно Солнца. Наземную аналогию можно представить в виде теннисного мяча, отскакивающего от передней части движущегося поезда. Представьте, что вы стоите на платформе и бросаете мяч со скоростью 30 км/ч навстречу поезду, приближающемуся со скоростью 50 км/ч. Машинист поезда видит, как мяч приближается со скоростью 80 км/ч, а затем удаляется со скоростью 80 км/ч после упругого отскока от передней части поезда. Однако из-за движения поезда скорость удаления мяча относительно платформы составит 130 км/ч; мяч приобрел скорость, вдвое превышающую скорость поезда. Перенося эту аналогию в космос: в системе отсчёта планеты космический аппарат имеет вертикальную скорость v относительно планеты. После маневра аппарат покидает планету по курсу, отстоящему на 90 градусов от курса прибытия. Его скорость по-прежнему будет равна v, но в горизонтальном направлении. Реалистичное моделирование встреч в космосе требует учёта трёх измерений. Принципы остаются теми же, но для сложения скорости планеты и скорости космического аппарата необходимо использовать векторное сложение, как показано ниже. Благодаря обратимости орбит гравитационные манёвры также могут использоваться для уменьшения скорости космического аппарата. И Mariner 10, и MESSENGER использовали этот манёвр для достижения Меркурия. Если требуется больше скорости, чем можно получить только с помощью гравитационной ассистенции, ракетный двигатель включается вблизи периапсиса (точки наибольшего сближения с планетой), что требует наименьшего расхода топлива. Любой ракетный импульс обеспечивает одинаковое изменение скорости (Δv), но изменение кинетической энергии пропорционально скорости аппарата в момент включения двигателя. Следовательно, максимальная кинетическая энергия достигается при включении двигателя на максимальной скорости аппарата (в периапсисе). Эффект Оберта описывает эту технику более подробно.

Историческое происхождение

В своей работе "Тем, кто будет читать, чтобы строить", опубликованной в 1938 году, но датированной 1918–1919 годами, Юрий Кондратьюк предположил, что космический корабль, перемещающийся между двумя планетами, может быть ускорен в начале и в конце траектории за счет использования гравитации спутников этих планет. Раздел его рукописи, посвященный гравитационным маневрам, не получил дальнейшего развития и не был опубликован до 1960-х годов. В своей работе 1925 года "Проблема полета при помощи реактивных аппаратов: межпланетные полеты" Фридрих Зандер продемонстрировал глубокое понимание физики, лежащей в основе концепции гравитационного маневра, и его потенциала для межпланетного исследования Солнечной системы. В 1961 году Майкл Минович, аспирант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, работавший в Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL), разработал технику гравитационного маневра, которая впоследствии была использована для идеи "Планетарного Гранд-тура" Гэри Фландро. Летом 1964 года в Лаборатории реактивного движения НАСА Гэри Фландро было поручено изучить методы исследования внешних планет Солнечной системы. В ходе этого исследования он обнаружил редкое выравнивание внешних планет (Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна) и предложил многопланетную миссию "Планетарный Гранд-тур", использующую гравитационные маневры для сокращения продолжительности миссии с сорока лет до менее чем десяти.

Цель

[[Файл:Вояджер 2 скорость против расстояния от Солнца.svg|мини|График гелиоцентрической скорости аппарата "Вояджер-2" в зависимости от его расстояния до Солнца, иллюстрирующий использование гравитационного маневра для ускорения аппарата планетами Юпитер, Сатурн и Уран. Для наблюдения Тритона, "Вояджер-2" пролетел над северным полюсом Нептуна, что привело к ускорению, выводящему его из плоскости эклиптики, и уменьшению скорости удаления от Солнца. Общая теория относительности предсказывает, что вращающаяся чёрная дыра окружена областью пространства, называемой эргосферой, внутри которой невозможно оставаться неподвижным (относительно вращения чёрной дыры), поскольку само пространство увлекается со скоростью света в том же направлении, что и вращение чёрной дыры. Процесс Пенроуза может предложить способ извлечения энергии из эргосферы, хотя для этого космическому аппарату потребуется сбросить некоторый "балласт" в чёрную дыру, и для доставки этого "балласта" к чёрной дыре аппарату пришлось бы затратить энергию.]