Los vuelos de naves espaciales implican un gran consumo de energía. Por ejemplo, el vehículo de lanzamiento Soyuz, parado en la plataforma de lanzamiento y listo para lanzar, pesa 307 toneladas, de las cuales más de 270 toneladas son combustible, es decir, la parte del león. La necesidad de gastar una enorme cantidad de energía en el movimiento en el espacio exterior está relacionada en gran medida con las dificultades de dominar los confines del sistema solar.
Desafortunadamente, aún no se espera un avance técnico en esta dirección. La masa del propulsor sigue siendo uno de los factores clave en la planificación de las misiones espaciales, y los ingenieros aprovechan todas las oportunidades para ahorrar combustible con el fin de prolongar el funcionamiento del dispositivo. Las maniobras de gravedad son una forma de ahorrar dinero.
Cómo volar en el espacio y qué es la gravedad
El principio de mover el dispositivo en el vacío (un entorno desde el cual es imposible impulsarse con una hélice, ruedas o cualquier otra cosa) es el mismo para todos los tipos de motores de cohetes fabricados en la Tierra. Esto es propulsión a chorro. La gravedad se opone al poder de un motor a reacción. Esta batalla contra las leyes de la física ha sido ganadaCientíficos soviéticos en 1957. Por primera vez en la historia, un aparato fabricado por manos humanas, habiendo adquirido la primera velocidad cósmica (unos 8 km/s), se convirtió en un satélite artificial del planeta Tierra.
Se necesitaron unas 170 toneladas de hierro, productos electrónicos, queroseno purificado y oxígeno líquido para lanzar un dispositivo que pesaba poco más de 80 kg a la órbita terrestre baja.
De todas las leyes y principios del universo, la gravedad es, quizás, uno de los principales. Gobierna todo, comenzando con la disposición de las partículas elementales, átomos, moléculas y terminando con el movimiento de las galaxias. También es un obstáculo para la exploración espacial.
No solo combustible
Incluso antes del lanzamiento del primer satélite terrestre artificial, los científicos entendieron claramente que no solo aumentar el tamaño de los cohetes y la potencia de sus motores podría ser la clave del éxito. Los investigadores se vieron impulsados a buscar tales trucos por los resultados de los cálculos y las pruebas prácticas, que mostraron cuánto combustible consumen los vuelos fuera de la atmósfera terrestre. La primera decisión de este tipo de los diseñadores soviéticos fue la elección del lugar para la construcción del cosmódromo.
Vamos a explicar. Para convertirse en un satélite artificial de la Tierra, el cohete debe acelerar a 8 km/s. Pero nuestro propio planeta está en constante movimiento. Cualquier punto ubicado en el ecuador gira a una velocidad de más de 460 metros por segundo. Por lo tanto, un cohete lanzado al espacio sin aire en el área del paralelo cero será en sí mismotener libre casi medio kilómetro por segundo.
Por eso, en las amplias extensiones de la URSS, se eligió un lugar al sur (la velocidad de rotación diaria en Baikonur es de unos 280 m/s). Un proyecto aún más ambicioso destinado a reducir el efecto de la gravedad en el vehículo de lanzamiento apareció en 1964. Fue el primer cosmódromo marino "San Marco", ensamblado por los italianos a partir de dos plataformas de perforación y ubicado en el ecuador. Más tarde, este principio formó la base del proyecto internacional Sea Launch, que hasta el día de hoy lanza con éxito satélites comerciales.
¿Quién fue el primero?
¿Qué pasa con las misiones en el espacio profundo? Los científicos de la URSS fueron pioneros en utilizar la gravedad de los cuerpos cósmicos para cambiar la trayectoria de vuelo. El reverso de nuestro satélite natural, como saben, fue fotografiado por primera vez por el aparato soviético Luna-1. Era importante que después de volar alrededor de la luna, el dispositivo tuviera tiempo de regresar a la Tierra para que el hemisferio norte lo volviera hacia ella. Después de todo, la información (las imágenes fotográficas recibidas) tenía que transmitirse a las personas, y las estaciones de seguimiento, las antenas de radio, estaban ubicadas precisamente en el hemisferio norte.
No menos exitoso logró usar maniobras gravitacionales para cambiar la trayectoria de la nave espacial por científicos estadounidenses. La nave espacial automática interplanetaria "Mariner 10" después de un sobrevuelo cerca de Venus tuvo que reducir la velocidad para entrar en una órbita circunsolar inferior yExplora Mercurio. En lugar de usar el empuje de los motores para esta maniobra, la velocidad del vehículo fue disminuida por el campo gravitatorio de Venus.
Cómo funciona
Según la ley de la gravitación universal, descubierta y confirmada experimentalmente por Isaac Newton, todos los cuerpos con masa se atraen entre sí. La fuerza de esta atracción se mide y calcula fácilmente. Depende tanto de la masa de ambos cuerpos como de la distancia entre ellos. Cuanto más cerca, más fuerte. Además, a medida que los cuerpos se acercan, la fuerza de atracción crece exponencialmente.
La figura muestra cómo las naves espaciales, al volar cerca de un gran cuerpo cósmico (algún planeta), cambian su trayectoria. Además, el curso del movimiento del dispositivo bajo el número 1, que vuela más lejos del objeto masivo, cambia muy levemente. Lo que no se puede decir sobre el dispositivo número 6. El planetoide cambia drásticamente su dirección de vuelo.
¿Qué es una eslinga de gravedad? Cómo funciona
El uso de maniobras de gravedad permite no solo cambiar la dirección de la nave espacial, sino también ajustar su velocidad.
La figura muestra la trayectoria de una nave espacial, generalmente utilizada para acelerarla. El principio de funcionamiento de tal maniobra es simple: en la sección de la trayectoria res altada en rojo, el dispositivo parece estar alcanzando al planeta que se aleja de él. Un cuerpo mucho más masivo atrae a un cuerpo más pequeño con su fuerza de gravedad, dispersándolo.
Por cierto, no solo las naves espaciales se aceleran de esta manera. Se sabe que los cuerpos celestes que no están atados a las estrellas vagan por la galaxia con poder y fuerza. Estos pueden ser asteroides relativamente pequeños (uno de los cuales, por cierto, ahora está visitando el sistema solar) y planetoides de tamaño decente. Los astrónomos creen que es la honda gravitacional, es decir, el impacto de un cuerpo cósmico más grande, lo que arroja objetos menos masivos fuera de sus sistemas, condenándolos a vagabundeos eternos en el frío helado del espacio vacío.
Cómo reducir la velocidad
Pero, utilizando las maniobras gravitatorias de las naves espaciales, no solo puedes acelerar, sino también ralentizar su movimiento. El esquema de dicho frenado se muestra en la figura.
En la sección de la trayectoria res altada en rojo, la atracción del planeta, en contraste con la variante con una honda gravitatoria, ralentizará el movimiento del dispositivo. Después de todo, el vector de gravedad y la dirección de vuelo del barco son opuestos.
¿Cuándo se usa? Principalmente para lanzar estaciones interplanetarias automáticas en las órbitas de los planetas estudiados, así como para estudiar regiones cercanas al sol. El hecho es que cuando se mueve hacia el Sol o, por ejemplo, hacia el planeta Mercurio más cercano a la estrella, cualquier dispositivo, si no aplica medidas de frenado, acelerará de cualquier manera. Nuestra estrella tiene una masa increíble y una enorme fuerza de atracción. Una nave espacial que haya ganado una velocidad excesiva no podrá entrar en la órbita de Mercurio, el planeta más pequeño de la familia solar. El barco simplemente se deslizarápor, el pequeño Mercury no puede tirar lo suficientemente fuerte. Los motores se pueden utilizar para frenar. Pero una trayectoria gravitatoria hacia el Sol, digamos en la Luna y luego en Venus, minimizaría el uso de la propulsión de cohetes. Esto significa que se necesitará menos combustible y el peso liberado se puede utilizar para alojar equipos de investigación adicionales.
Entra en el ojo de una aguja
Mientras que las primeras maniobras gravitatorias se realizaron con timidez y vacilación, las rutas de las últimas misiones espaciales interplanetarias casi siempre se planifican con ajustes gravitacionales. El caso es que ahora los astrofísicos, gracias al desarrollo de la tecnología informática, así como a la disponibilidad de los datos más precisos sobre los cuerpos del sistema solar, principalmente su masa y densidad, disponen de cálculos más precisos. Y es necesario calcular la maniobra de gravedad con extrema precisión.
Por lo tanto, trazar una trayectoria más alejada del planeta de lo necesario está plagado del hecho de que los equipos costosos no volarán en absoluto donde se planeó. Y la subestimación de la masa puede incluso amenazar con la colisión del barco con la superficie.
Campeón en maniobras
Esta, por supuesto, puede considerarse la segunda nave espacial de la misión Voyager. Lanzado en 1977, el dispositivo actualmente está abandonando su sistema estelar nativo, retirándose a lo desconocido.
Durante su funcionamiento, el aparato visitó Saturno, Júpiter, Urano y Neptuno. Durante todo el vuelo actuó sobre él la atracción del Sol, del cual la nave se alejó paulatinamente. Pero, gracias a la fuerza gravitatoria bien calculadamaniobras, para cada uno de los planetas, su velocidad no disminuyó, sino que creció. Para cada planeta explorado, la ruta se construyó según el principio de una honda gravitatoria. Sin la aplicación de la corrección gravitatoria, la Voyager no habría podido enviarlo tan lejos.
Además de las Voyagers, se han utilizado maniobras de gravedad para lanzar misiones tan conocidas como Rosetta o New Horizons. Entonces, Rosetta, antes de ir en busca del cometa Churyumov-Gerasimenko, realizó hasta 4 maniobras gravitacionales de aceleración cerca de la Tierra y Marte.
