Что такое гравитационный маневр

Вот недавняя новость из нашей подборки аналитических материалов по космической отрасли, из выпуска за январь-2017 года:

«Зонд НАСА совершил первый маневр на пути к "астероиду апокалипсиса"

18.01.2017

Зонд OSIRIS-REx успешно совершил первый маневр в глубоком космосе, который вывел его на траекторию сближения с Землей для дальнейшего разгона на пути к астероиду-"убийце" Бенну, сообщает НАСА.

"Маневр DSM-1 важен по той причине, что мы впервые сильно изменили траекторию полета зонда и впервые включили его главный двигатель. Приятно, что этот важный этап в нашем путешествии к Бенну успешно завершился, и мы продолжаем полет к астероиду", — заявила Арлин Бартельс (Arlin Bartels) из Центра космических полетов имени Годдарда.

Зонд OSIRIS-REx успешно вывели на околоземную орбиту в минувшем сентябре. Цель миссии – сближение и забор грунта с поверхности астероида Бенну (1999 RQ36). По текущим планам НАСА, зонд сблизится с астероидом в 2018 году, заберет грунт в 2019 году и запустит капсулу как минимум с 60 граммами астероидной материи в направлении Земли. Приземлиться она должна на территории штата Юта в конце сентября 2023 года.

OSIRIS-REx для экономии топлива будет лететь к Бенну не по прямой траектории, а совершит "турне" по окрестностям Земли и вернется назад к Земле в сентябре 2017 года. Зонд пролетит на расстоянии в 20 тысяч километров от поверхности Земли для того, чтобы использовать ее притяжение для разгона и выхода на траекторию сближения с астероидом.

Этот маневр работает примерно так же, как праща разгоняет и камень или как мячик, брошенный в лобовое стекло паровоза, отскакивает от него со скоростью, эквивалентной двойной скорости движения поезда.

Первый орбитальный маневр, или DSM-1, был проведен в канун Нового года, 28 декабря, после чего скорость зонда выросла на полторы тысячи километров в час. Ради этого аппарат сжег 350 килограммов топлива. Данные об успешном завершении маневра были переданы на Землю только недавно. Сегодня НАСА планирует провести еще одну небольшую коррекцию орбиты для максимально тесного сближения зонда с Землей во время гравитационного разгона».

источник - https://ria.ru/science/20170118/1485974321.html

Короче, американский аппарат, направленный к астероиду, для того, чтобы сэкономить топливо, вынужден лететь не по кратчайшей траектории, а кружным путём, с использованием гравитационных маневров, из-за чего время полёта затянется на несколько лет дольше, чем могло бы

Эта новость может послужить поводом для двух глубокомысленных выводов

1. Во-первых, как видно автор данной заметки неправильно понимает смысл понятия "гравитационный маневр" (как и многие из тех, кто слышали это слово). Само по себе явление заключается в следующем: когда межпланетный космический аппарат пролетает вблизи массивной планеты и отклоняется её гравитационным полем, то это отклонение можно организовать таким образом, что скорость аппарата при этом увеличится без затрат топлива, что позволит сэкономить как топливо, так и время.

Но, однако, закона сохранения энергии никто не отменял. Если у аппарата увеличивается скорость - то, значит, должна увеличиться и кинетическая энергия. Но если аппарат получает дополнительную энергию - то откуда эта энергия берётся?

Автор процитированной выше заметки, как и многие люди, видимо, ошибочно считают, что энергия берётся за счёт "притяжения". В этом случае получается, что если кинетическая энергия аппарата увеличивается, то гравитационная энергия планеты уменьшается на ту же самую величину? То есть что же получается, масса планеты должна при этом уменьшиться на величину, равную потере энергии, поделённой на квадрат скорости света? Если бы это было действительно так, то расчёты гравитационного маневра пришлось бы вести в лучшем случае с использованием общей теории относительности, если не квантовой теории гравитации. Но это, очевидно, не так, и для расчётов орбит космических аппаратов достаточно классической механики.

На самом деле, недостающая кинетическая энергия космического аппарата отбирается от кинетической энергии вращения планеты вокруг Солнца и вокруг своей оси. Если бы планета была сферическая в вакууме, то при пролёте мимо неё аппарата со скоростью, превышающей вторую космическую, траектория аппарата представляет собой гиперболу (при скорости, равной второй космической - параболу), в начальной и в конечной точке которой скорость аппарата была бы одинаковой. Но, поскольку планета движется и своим притяжением увлекает аппарат за собой, то к собственной скорости аппарата частично прибавляется и скорость орбитального движения планеты.

2. а, спрашивается, зачем было вообще изобретать такие извращённые схемы? Не проще ли было бы просто взять побольше топлива, чтобы позволить аппарату лететь по кратчайшей траектории и не терять несколько лишних лет? Причём хорошо ещё, если это автоматический аппарат, а если бы был пилотируемый?

Ответ на этот вопрос тоже известен: увеличение массы космического аппарата влечёт за собой экспоненциальное увеличение массы ракеты-носителя. Иногда до пределов, превышающих физические возможности. Но это говорит только о том, что ракеты с жидкостными реактивными двигателями уже близки к исчерпанию своего потенциала. Совершить пилотируемый полёт на Луну с помощью ракеты с ЖРД ещё, может быть, и получится (хотя тоже не факт), а вот на Марс уже точно не получится. Необходимо переходить на новое поколение ракет - с ядерными электрореактивными двигателями.

Но ядерный электрореактивный двигатель (равно как и обычный электрореактивный) можно запустить только с орбиты, по причине низкой силы тяги. Для того, чтобы запустить ракету с ядерным двигателем с поверхности Земли, нужно делать двигатель на сверхтяжёлых элементах. А для этого нужно получать эти сверхтяжёлые элементы не в виде единичных атомов, как сейчас, а в весовых количествах. Это хоть и сложная, но при желании технически решаемая задача. Проблема в том, что учёные, занимающиеся синтезом сверхтяжёлых элементов, уклоняются от всякого обсуждения вопроса о практическом использовании сверхтяжёлых элементов. И этому в принципе есть объяснение: пока дело касается "чистой науки", тут возможно взаимовыгодное международное научное сотрудничество, а как только дело дойдёт до практического применения, то тут же открывается возможность для "двойного применения" со всеми вытекающими последствиями.

Другими словами, в вопросе о практическом использовании сверхтяжёлых элементов (как и во многих других научных вопросах - о способах термоядерного синтеза, об организации полётов на Луну и Марс и др.) могут быть разные варианты решения, у каждого из этих вариантов есть свои плюсы и минусы и свои лоббисты, и можно до бесконечности спорить, какой из них лучше, а какой хуже. Для того, чтобы выбрать один из этих вариантов, нужно принять политическое решение. Но увы, в наше время принять необходимые политические решения некому. Пресловутый "не Димон" во времена своего президентства ещё пытался что-то делать в этом направлении, а его нынешнему преемнику это всё просто не интересно.

Таким образом, как видим, противоречия в обществе дошли уже до такого предела, что обсуждение любого вопроса, пусть даже такого абстрактного, как природа гравитационного маневра, приводит к выводам о необходимости изменения политической системы. Как говорили древние - Ceterum censeo Carthaginem delendam esse.