Voos de naves espaciais envolvem um enorme consumo de energia. Por exemplo, o veículo de lançamento da Soyuz, parado na plataforma de lançamento e pronto para o lançamento, pesa 307 toneladas, das quais mais de 270 toneladas são combustível, ou seja, a maior parte. A necessidade de gastar uma quantidade louca de energia em movimento no espaço sideral está em grande parte relacionada às dificuldades de dominar os confins do sistema solar.
Infelizmente, ainda não se espera um avanço técnico nessa direção. A massa de propelente continua sendo um dos fatores-chave no planejamento de missões espaciais, e os engenheiros aproveitam todas as oportunidades para economizar combustível para prolongar a operação do dispositivo. As manobras de gravidade são uma forma de economizar dinheiro.
Como voar no espaço e o que é gravidade
O princípio de mover o dispositivo no vácuo (um ambiente do qual é impossível empurrar com uma hélice, ou rodas, ou qualquer outra coisa) é o mesmo para todos os tipos de motores de foguete fabricados na Terra. Este é o impulso do jato. A gravidade se opõe ao poder de um motor a jato. Esta batalha contra as leis da física foi vencidaCientistas soviéticos em 1957. Pela primeira vez na história, um aparelho feito por mãos humanas, tendo adquirido a primeira velocidade cósmica (cerca de 8 km/s), tornou-se um satélite artificial do planeta Terra.
Foram necessárias cerca de 170 toneladas de ferro, eletrônicos, querosene purificado e oxigênio líquido para lançar um dispositivo pesando pouco mais de 80 kg na órbita baixa da Terra.
De todas as leis e princípios do universo, a gravidade é, talvez, um dos principais. Ele governa tudo, começando com o arranjo de partículas elementares, átomos, moléculas e terminando com o movimento das galáxias. É também um obstáculo à exploração espacial.
Não apenas combustível
Mesmo antes do lançamento do primeiro satélite artificial da Terra, os cientistas entenderam claramente que não apenas aumentar o tamanho dos foguetes e a potência de seus motores poderia ser a chave para o sucesso. Os pesquisadores foram levados a buscar esses truques pelos resultados de cálculos e testes práticos, que mostraram como são os voos fora da atmosfera terrestre que consomem combustível. A primeira decisão desse tipo para os designers soviéticos foi a escolha do local para a construção do cosmódromo.
Vamos explicar. Para se tornar um satélite artificial da Terra, o foguete precisa acelerar a 8 km/s. Mas nosso próprio planeta está em constante movimento. Qualquer ponto localizado no equador gira a uma velocidade superior a 460 metros por segundo. Assim, um foguete lançado no espaço sem ar na área do paralelo zero será por si sótem livre quase meio quilômetro por segundo.
Por isso, nas vastas extensões da URSS, foi escolhido um lugar ao sul (a velocidade de rotação diária em Baikonur é de cerca de 280 m/s). Um projeto ainda mais ambicioso destinado a reduzir o efeito da gravidade no veículo lançador apareceu em 1964. Foi o primeiro cosmódromo marinho "San Marco", montado pelos italianos a partir de duas plataformas de perfuração e localizado no equador. Mais tarde, este princípio formou a base do projeto internacional Sea Launch, que lança com sucesso satélites comerciais até hoje.
Quem foi o primeiro
E as missões no espaço profundo? Cientistas da URSS foram pioneiros em usar a gravidade dos corpos cósmicos para mudar a trajetória de voo. O lado reverso do nosso satélite natural, como você sabe, foi fotografado pela primeira vez pelo aparelho soviético Luna-1. Era importante que, depois de voar ao redor da lua, o dispositivo tivesse tempo de retornar à Terra para que fosse voltado para ela pelo hemisfério norte. Afinal, as informações (as imagens fotográficas recebidas) tinham que ser transmitidas às pessoas, e as estações de rastreamento, antenas de rádio, estavam localizadas precisamente no hemisfério norte.
Não menos conseguiu usar manobras gravitacionais para mudar a trajetória da espaçonave por cientistas americanos. A espaçonave automática interplanetária "Mariner 10" após um sobrevoo perto de Vênus teve que reduzir a velocidade para entrar em uma órbita circunsolar inferior eexplorar Mercúrio. Em vez de usar o impulso do jato dos motores para esta manobra, a velocidade do veículo foi reduzida pelo campo gravitacional de Vênus.
Como funciona
De acordo com a lei da gravitação universal, descoberta e confirmada experimentalmente por Isaac Newton, todos os corpos com massa se atraem. A força dessa atração é facilmente medida e calculada. Depende tanto da massa de ambos os corpos quanto da distância entre eles. Quanto mais perto, mais forte. Além disso, à medida que os corpos se aproximam, a força de atração cresce exponencialmente.
A figura mostra como as naves espaciais, voando perto de um grande corpo cósmico (algum planeta), mudam sua trajetória. Além disso, o curso do movimento do dispositivo sob o número 1, voando mais longe do objeto massivo, muda muito ligeiramente. O que não pode ser dito sobre o dispositivo número 6. O planetóide muda drasticamente sua direção de vôo.
O que é um sling de gravidade. Como funciona
O uso de manobras de gravidade permite não só alterar a direção da espaçonave, mas também ajustar sua velocidade.
A figura mostra a trajetória de uma espaçonave, normalmente utilizada para acelerá-la. O princípio de funcionamento de tal manobra é simples: na seção da trajetória destacada em vermelho, o aparelho parece estar alcançando o planeta que se afasta dele. Um corpo muito mais massivo puxa um corpo menor com sua força de gravidade, dispersando-o.
A propósito, não apenas as naves espaciais são aceleradas dessa maneira. Sabe-se que corpos celestes que não estão ligados às estrelas percorrem a galáxia com força e força. Estes podem ser tanto asteróides relativamente pequenos (um dos quais, a propósito, está agora visitando o sistema solar) quanto planetóides de tamanho decente. Os astrônomos acreditam que é o estilingue gravitacional, ou seja, o impacto de um corpo cósmico maior, que lança objetos menos massivos para fora de seus sistemas, condenando-os a peregrinações eternas no frio gelado do espaço vazio.
Como desacelerar
Mas, usando as manobras gravitacionais das naves espaciais, você pode não apenas acelerar, mas também desacelerar seu movimento. O esquema de tal frenagem é mostrado na figura.
Na seção da trajetória destacada em vermelho, a atração do planeta, em contraste com a variante com estilingue gravitacional, desacelerará o movimento do dispositivo. Afinal, o vetor de gravidade e a direção de voo do navio são opostos.
Quando é usado? Principalmente para lançar estações interplanetárias automáticas nas órbitas dos planetas estudados, bem como para estudar regiões próximas do Sol. O fato é que, ao se mover em direção ao Sol ou, por exemplo, em direção ao planeta Mercúrio mais próximo da estrela, qualquer dispositivo, se você não aplicar medidas de frenagem, acelera involuntariamente. Nossa estrela tem uma massa incrível e uma enorme força de atração. Uma espaçonave que ganhou velocidade excessiva não poderá entrar na órbita de Mercúrio, o menor planeta da família solar. O navio vai apenas passarperto, o pequeno Mercúrio não consegue puxar com força suficiente. Motores podem ser usados para frenagem. Mas uma trajetória gravitacional para o Sol, digamos na Lua e depois em Vênus, minimizaria o uso de propulsão de foguetes. Isso significa que menos combustível será necessário e o peso liberado pode ser usado para acomodar equipamentos de pesquisa adicionais.
Entre no buraco de uma agulha
Enquanto as primeiras manobras gravitacionais foram conduzidas de forma tímida e hesitante, as rotas das últimas missões espaciais interplanetárias são quase sempre planejadas com ajustes gravitacionais. O fato é que agora os astrofísicos, graças ao desenvolvimento da tecnologia computacional, bem como à disponibilidade dos dados mais precisos sobre os corpos do sistema solar, principalmente sua massa e densidade, têm cálculos mais precisos disponíveis. E é necessário calcular a manobra de gravidade com extrema precisão.
Então, estabelecer uma trajetória mais distante do planeta do que o necessário é preocupante com o fato de que equipamentos caros não voarão para onde foram planejados. E a subestimação da massa pode até ameaçar a colisão do navio com a superfície.
Campeão em manobras
Esta, claro, pode ser considerada a segunda espaçonave da missão Voyager. Lançado em 1977, o dispositivo está deixando seu sistema estelar nativo, retirando-se para o desconhecido.
Durante sua operação, o aparelho visitou Saturno, Júpiter, Urano e Netuno. Ao longo do voo, a atração do Sol atuou sobre ele, do qual o navio gradualmente se afastou. Mas, graças a uma força gravitacional bem calculadamanobras, para cada um dos planetas, sua velocidade não diminuiu, mas cresceu. Para cada planeta explorado, a rota foi construída com base no princípio de um estilingue gravitacional. Sem a aplicação da correção gravitacional, a Voyager não seria capaz de enviá-lo tão longe.
Além das Voyagers, manobras de gravidade têm sido usadas para lançar missões tão conhecidas como Rosetta ou New Horizons. Então, Rosetta, antes de ir em busca do cometa Churyumov-Gerasimenko, fez até 4 manobras gravitacionais de aceleração perto da Terra e de Marte.
