Гравитационный манёвр

Гравитационный манёвр для ускорения объекта (гравитационная праща)

Гравитационный манёвр для замедления объекта

Гравитационный манёвр — разгон, замедление или изменение направления полёта космического аппарата под действием гравитационных полей небесных тел. Используется для экономии топлива и достижения высоких скоростей при полётах автоматических межпланетных станций к дальним планетам Солнечной системы.

Рассмотрим траекторию космического аппарата, пролетающего вблизи какого-нибудь большого небесного тела, например, Юпитера. В начальном приближении мы можем пренебречь действием на космический аппарат гравитационных сил от других небесных тел.

В системе отсчёта, связанной с Юпитером, космический аппарат разгоняется, проходит точку с минимальным расстоянием до планеты, а потом замедляется. Общая траектория космического аппарата представляет собой гиперболу, причём скорости до и после манёвра совпадают.

Теперь посмотрим на ту же ситуацию в системе отсчёта, связанной с Солнцем. В этой системе отсчёта планета движется по орбите (в случае Юпитера, со скоростью более 13 км/с), поэтому скорость космического аппарата относительно Солнца может измениться. Таким образом, без затрат топлива можно изменить кинетическую энергию космического аппарата. Фактически, следует говорить о перераспределении кинетической энергии движения планеты и космического аппарата. Насколько возрастает (убывает) кинетическая энергия аппарата, настолько же падает (возрастает) кинетическая энергия движения планеты по её орбите. Поскольку масса искусственного космического аппарата исчезающе мала в сравнении с массой планеты (даже Луны), то изменения параметров орбиты планеты при этом оказываются исчезающе малыми, и ими можно полностью пренебречь. Например, если аппарат массой 1000 кг получает в поле тяготения Луны изменение скорости своего движения на 1 км/с, то скорость движения Луны по орбите вокруг Земли изменится лишь на несколько миллиардных долей ангстрема в секунду (то есть несколько миллиардных долей поперечника атома водорода). Другие тела Солнечной системы на движение Луны влияют на несколько порядков сильнее.

Наиболее выгодны гравитационные манёвры у планет-гигантов, но нередко используются манёвры у Венеры, Земли, Марса и даже Луны.

Максимально возможные приращения скорости, км/с:

Меркурий	Венера	Земля	Луна	Марс	Юпитер	Сатурн	Уран	Нептун	Плутон
3,005	7,328	7,910	1,680	3,555	42,73	25,62	15,18	16,73	1,09

Российские историки космонавтики утверждают, что идея гравитационного манёвра была на практике осуществлена во время полёта космического аппарата «Е-2А» № 1 (с 1963 — Луна-3) — автоматической станции, которой впервые в мире удалось осуществить фотографирование обратной стороны Луны.

В 1974 году гравитационный манёвр использовал космический аппарат Маринер-10 — было произведено сближение с Венерой, после которого аппарат направился к Меркурию.

За счёт гравитационных манёвров скорость «Вояджера-1» (~17 км/с) в марте 2011 года была выше, чем текущая скорость «Новых горизонтов» (~15,9 км/с), хотя после старта с Земли скорость последнего была самой высокой для рукотворных объектов (16,21 км/сек^[1]).

Сложную комбинацию гравитационных манёвров использовала «Кассини» — автоматическая межпланетная станция. Для разгона аппарат использовал гравитационное поле трёх планет — Венеры (дважды), Земли и Юпитера.

Также под гравитационным манёвром иногда понимается комбинированный способ ускорения космических аппаратов (Эффект Оберта). Суть данного способа заключается в том, что при выполнении гравитационного манёвра в «нижней» части траектории аппарат включает двигатель и сжигает топливо, получая дополнительное ускорение и переводя таким образом энергию топлива в кинетическую энергию корабля. Кроме того, за счёт этого при «подъёме» аппарата из гравитационного колодца планеты его кинетическая энергия не тратится на увеличение потенциальной энергии сожжённого топлива, что позволяет получить дополнительный выигрыш в скорости.

Художественное описание подобного манёвра можно встретить в фантастическом романе А. Кларка 2010: Одиссея 2.

Примечания

1. ↑ New Horizons Mission to Pluto

Ссылки

• «Ценный дар небесной механики»
• Руководство к MFD TransX V3.6+ (навигационные расчеты для космического симулятора «Орбитер», позволяет рассчитывать в том числе гравитационные манёвры)
• Гравитационные маневры АМС