Гравітаційний маневр: як космічні апарати крадуть швидкість планет

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 здається простим: коли космічний апарат наближається до масивного об'єкта, наприклад планети, її гравітація викривляє траєкторію руху, змінюючи напрямок польоту. Однак справжня цінність цього маневру полягає в тому, що космічний апарат може використовувати планетарну гравітацію для прискорення або уповільнення після маневру, що значно полегшує подорожі до зовнішніх або внутрішніх планет відповідно.

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.

Те саме стосується космічного апарата, що наближається до планети. Гравітація планети прискорить його під час наближення, він обійде планету в найближчій точці, а потім втратить додаткову швидкість під час віддалення, оскільки планетарна гравітація все ще діє на нього. Коли гравітаційний вплив ослабне, космічний апарат рухатиметься відносно планети з тією самою швидкістю, з якою спочатку наближався.

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 означає, що планета насправді трохи уповільнюється на своїй орбіті навколо Сонця, що може здатися небезпечним. Однак планета уповільнюється пропорційно до того, наскільки вона масивніша за космічний апарат. Враховуючи типовий зонд масою одна тонна порівняно зі світом масою в мільйони мільярдів мільярдів тонн, планета взагалі не уповільнюється помітно. Можна запустити мільйон зондів на неї і ніколи не помітити різниці в її орбітальній швидкості. Бактерія, що відскочила від людини під час прогулянки, мала б значно більший вплив.

Причина, чому варто витрачати зусилля на гравітаційні маневри, полягає в тому, що космічні апарати запускаються ракетами, які можуть прискорюватися лише до певної максимальної швидкості. Для сучасної ракетної техніки ці швидкості настільки малі, а міжпланетні відстані настільки великі, що навіть найшвидші та найпрямші подорожі тривають роки або навіть десятиліття для пунктів призначення у зовнішній частині 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.

Тому скорочення часу подорожі вимагає іншого методу, такого як відбирання швидкості у великої планети по дорозі. Наприклад, зонд Кассіні до Сатурна, запущений у тисяча дев'ятсот дев'яносто сьомому році, був величезним космічним апаратом розміром зі шкільний автобус і мав масу дві з половиною тонни без палива. Додавання палива, необхідного для виконання місії біля Сатурна, разом із пусковою установкою та іншим обладнанням, довело загальну масу до п'яти з половиною тонн. Дістатися до Сатурна з ракетами того часу зайняло б практично вічність.

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.