Размышление о гравитации как явлении. Как всегда сугубо личное мнение.

Немного информации

Когда именно люди узнали о силах тяготения так и останется загадкой, очевидно, очень давно. Официально считается, что явлениями всемирного тяготения вплотную занялся Исаак Ньютон, после того, как получил производственную травму яблоком во время прогулки.

Видимо, вследствие полученной травмы, Исаак Ньютон получил откровение от господа нашего Бога, которое вылилось в соответствующее уравнение:

F=G(m 1 *m 2)/r 2 (Уравнение №1)

Где соответственно: F – искомая сила взаимодействия (сила тяготения), m 1, m 2 - массы взаимодействующих тел, r - расстояние между телами, G - гравитационная постоянная.

Я не буду касаться философии Исаака Ньютона, непосредственного авторства или каких-то других не связанных с фактами наблюдений вещей, если кому интересно, можно посмотреть расследование Вадима Ловчикова или что-то подобное.

И так, давайте для начала разберем то что нам предлагают под видом этого простого уравнения.

Первое , на что следует обратить внимание, уравнение №1 имеет радиальную (шаровую симметрию),- это говорит о том, что гравитация не имеет выделанных направлений взаимодействия и все взаимодействия которые она обеспечивает строго симметричны.

Второе , на что следует обратить внимание, в уравнении №1 нет ни времени, ни каких-либо скоростей, то есть взаимодействие обеспечивается немедленно, без задержки на любом расстоянии.

Третье , Ньютон указывал на божественную природу гравитации, то есть все вещи в мире взаимодействуют волею божией - гравитация не исключение. Почему взаимодействие происходит именно так,- это воля божия, никакой физической картины мира в нашем понимании у него не было.

Как видите принципы работы гравитации просты и понятны, они изложены во всех школьных учебниках и транслируются всеми утюгами (за исключением пожалуй третьего принципа), но как мы помним Френсис Бэкон завещал нам постигать природу посредством наблюдений (эмпирически), отвечают ли этому правилу вышеизложенные закономерности?

Немного фактов

Инерция , - это явление природы, которое возникает при движении любых тел. Несмотря на всеобщее распространение этого явления, физики до сих пор (если кто знает пусть меня поправят) не могут внятно сказать с чем физически связана инерция, с телом или с пространством вокруг него. Ньютон отлично знал о существовании этого явления, и то что оно влияет на силы взаимодействия гравитирующих тел, но если вы посмотрите на уравнение №1, вы не найдете там и следов инерции, как следствие задача «Трех тел » так и не решена строго.

Все утюги, всех мастей убеждают меня, что Ньютон-де рассчитал орбиты планет исходя из своего божественного уравнения, конечно я им верю, ведь незадолго до этого Иоганн Кеплер все сделал эмпирически, правда, ни один из утюгов не объясняет, как в своих расчетах Исаак Ньютон учитывал инерцию, ни в одном учебнике пусть даже и университетском никто вам этого не скажет.

Следствие из этого очень простое, британские ученые подогнали результаты вычислений под труды Кеплера, уравнение №1 не учитывает инерции и скорости тел, поэтому совершенно бесполезно для расчетов конкретных орбит небесных тел. Говорить о том что философия Ньютона хоть как-то описывает механизм инерции физически, даже не смешно.

Гравитационный маневр - явление природы, когда при взаимодействии гравитирующих тел одно из них ускоряется другое замедляется. Учитывая совершенную радиальную симметричность уравнения №1, а так же мгновенную скорость распространения гравитации согласно этому уравнению, данный физический эффект невозможен, весь добавленный импульс будет отнят при взаимном удалении тел и взаимодействующие тела останутся «при своих». Работать с гравитационными маневрами научились исходя из эмпирических наблюдений (полетов в космос), согласно теории Ньютона, в этом случае возможно только изменение направления движения тел, но не их импульса, что явно противоречит опытным данным.

Дисковидные структуры - большая часть видимой вселенной занята дисковидными структурами, это и галактики, и диски планетарных систем, планетарные кольца. Учитывая полную симметричность уравнения №1,- это очень странный физический факт. Согласно этому уравнению подавляющее большинство структур должно было бы иметь шаровую симметричную форму, астрономические наблюдения напрямую противоречат этому утверждению. Официальная космогоническая теория о конденсации планет из пылевого облака никак не объясняет наличие плоских дисков планетарных систем вокруг звезд. Таким же исключением являются и кольца Сатурна , сформированные якобы при ударе неких тел на орбите Сатурна, почему сформировалась именно плоская а не шаровая структура?

Наблюдаемые нами астрономические явления напрямую противоречат основным постулатам симметричности теории тяготения Ньютона.

Приливная активность - как утверждает современная наука, приливные волны в морях Земли формируются совместным гравитационным влиянием Луны и Солнца. Безусловно влияние Луны и Солнца на приливы есть, но вот в чем оно заключается вопрос на мой взгляд достаточно дискуссионный, хотелось бы увидеть интерактивную симуляцию где были бы наложены положения Луны и Солнца, а так же приливов, что-то я пока не видел таких хороших симуляций, что очень странно учитывая любовь современных ученых к компьютерным симуляциям.

Вопросов по приливам гораздо больше чем ответов, начать хотя бы с формирования «приливного эллипса», я понимаю, что гравитация вызывает «пучность» вод на стороне ближней к Луне или Солнцу, а что вызывает аналогичную «пучность» на обратной стороне Земли, если смотреть на уравнение №1 такого в принципе не может быть.

Добрые физики договорились до того, что ведущее значение в приливных силах имеет не модуль силы, а ее градиент, типа у Луны градиент силы больше она больше влияет на приливы, у Солнца градиент меньше, оно меньше влияет на приливы, но простите в уравнении №1 ничего такого нет, да Ньютон ничего такого и близко не говорил, как это понимать? Очевидно, как очередную подгонку под известный результат от британских «ученых». Когда бурления приливной субстанции достигли определенного уровня британские «ученые» решили еще больше запутать благодарных слушателей, что из этого правда, совершенно не ясно.

У меня нет мнения относительно верного алгоритма расчета приливов, но все косвенные признаки свидетельствуют о том, что его нет ни у кого.

Эксперимент Кавендиша - определение «гравитационной постоянной» с помощью крутильных весов. Это настоящий позор современной физической науки, причем, то что это позор, было ясно еще во времена Кавендиша (1790гг), но он не был бы настоящим «британским» ученым, если бы обращал внимание на унылый внешний мир, безобразный с физической точки зрения эксперимент вошел во все возможные учебники физики и прибывает там до сих пор. Только последнее время «светилы» от науки начинают выказывать легкое беспокойство по поводу его воспроизводимости.

Опыт принципиально невоспроизводим в условиях Земли. Вопрос даже не в «эффекте Казимира», который предсказан задолго до Казимира, не в тепловых искажениях конструкции, и электромагнитном взаимодействии грузов. Основной вопрос состоит в долгопериодических собственных колебаниях установки, устранить это искажение в земных условиях невозможно никаким образом.

Что за цифр намерили британские ученые я лично сказать не берусь, я могу сказать только то, что в соответствии с последними физическими исследованиями, - это все мусор, не имеющий никакого отношения к реальным гравитационным взаимодействиям. Таким образом этот опыт не может служить для доказательства или опровержения чего либо, - это просто мусор с которым ничего путного сделать нельзя, и уж тем более нельзя узнать значение «гравитационной постоянной».

Немного ругани

Можно было бы перечислять еще множество фактов, но не вижу в этом особого смысла, - это все равно ни на что не влияет, «физики» от гравитации четыреста лет топчутся на одном месте, видимо им гораздо важнее не то, что происходит в природе, а то что сказал какой-то англиканский богослов, очевидно, нобелевские премии дают только за это.

Сейчас очень модно сокрушаться, что молодые люди «игнорируют» физику, не испытывают уважения к авторитетам и прочую чушь. Какое может быть уважение, если манипуляции наших британских партнеров видны без контактных линз? Физические данные на прямую противоречат всем постулатам науки, но сову продолжают исправно натягивать на глобус и конца-края этому увлекательному занятию не видно. Молодые люди видят как делаются дела наши перед господом, учитывая современную информационную обеспеченность и я уверен делают соответствующие выводы.

Я думаю, что самая большая тайна современной физики,- это конкретные значения сил гравитации в солнечной системе, иначе с чего тогда столько аварий при приземлении (прилунении, привенерении, примарсении) спутников, но все как заведенные продолжают читать мантру про «великого ученого» и его законы, очевидно не хотят выдавать свои ноу-хау заработанные потом и кровью.

Еще больше раздражает современная космология, у людей по сути нет никаких фактов о гравитации, но они уже придумали темную материю, темную энергию и черные дыры и гравитационные волны. Может быть давайте сначала разберемся хотя бы с окрестностями Земли и Солнца, запустим пробные зонды и узнаем чо по чем, а потому уже будем городить различную шизофрению, но нет британские «ученые» не таковы. В результате мы имеем вал «научных» публикаций, общая ценность которых находится где-то в надире.

Тут мне возразят, ну как же, есть ведь еще Эйнштейн и его клика. Знаете, эти добрые люди переплюнули самого Ньютона, Ньютон хотя бы, сказал что гравитационные силы есть, пусть и божьей волей, Эйнштейн объявил их мнимыми, тела дескать летают потому что мне (Эйнштейну) так хочется, и никак иначе, в своих штудиях он умудрился потерять даже Бога. Поэтому я даже не буду осуждать эти агностические выверты больного сознания, я просто не могу считать это научными данными. Это сказка, эссе, философия, что угодно, только не эмпирика.

Выводы

Вся доступная история, особенно новейшая, убедительно доказывает, что бесплатно наши британские партнеры ничего не дают, а тут вдруг расщедрились на целую теорию гравитации, это как минимум подозрительно.

Лично я совершенно не верю в их добрые намерения, все физические данные особенно полученные от наших партнеров нуждаются в тщательном централизованном аудите, в противном случае мы еще тысячу лет будем почесывать эго всяким отвратительным мракобесам, а они будут нас втягивать в бесконечные неприятности с человеческими и материальными жертвами.

Главный вывод статьи заключен в том, что гравитация как явление находится на том же уровне исследованности, по крайней мере в области публичных знаний, что и 400 лет назад. Давайте уж наконец займемся исследованиями реального мира, а не лобызанием британских мощей.

Впрочем, каждый волен составить свое собственное мнение на основании имеющихся фактов.

Гравитационный манёвр для ускорения объекта Гравитационный манёвр для замедления объекта Гравитационный манёвр разгон, замедление или изменение направления полёта космического аппарата, под действием гравитационных полей небесных тел.… … Википедия

Гравитационный манёвр для ускорения объекта Гравитационный манёвр для замедления объекта Гравитационный манёвр разгон, замедление или изменение направления полёта космического аппарата, под действием гравитационных полей небесных тел.… … Википедия

- … Википедия

Это один из основных геометрических параметров объектов, образованных посредством конического сечения. Содержание 1 Эллипс 2 Парабола 3 Гипербола … Википедия

Искусственного спутника орбитальный манёвр, целью которого (в общем случае) является перевод спутника на орбиту с другим наклонением. Существуют два вида такого маневра: Изменение наклонения орбиты к экватору. Производится включением… … Википедия

Раздел небесной механики, изучающий движение искусственных космических тел: искусственных спутников, межпланетных станций и других космических кораблей. В сферу задач астродинамики входят расчёт орбит космических кораблей, определение параметров… … Википедия

Эффект Оберта в космонавтике эффект, проявляющийся в том, что ракетный двигатель, движущийся с высокой скоростью, создает больше полезной энергии, чем такой же двигатель, движущийся медленно. Эффект Оберта вызывается тем, что при… … Википедия

Заказчик … Википедия

И эквипотенциальные поверхности системы двух тел Точки Лагранжа, точки либрации (лат. librātiō раскачивание) или L точки … Википедия

Книги

• Вещи ХХ века в рисунках и фотографиях. Вперед в космос! Открытия и достижения. Комплект из 2-х книг , . "Вперёд, в космос! Открытия и достижения" С давних времён человек мечтал оторваться от земли и покорить небо, а затем и космос. Больше ста лет назад изобретатели уже задумывались о создании…
• Вперёд, в космос! Открытия и достижения , Климентов Вячеслав Львович, Сигорская Юлия Александровна. С давних времён человек мечтал оторваться от земли и покорить небо, а затем и космос. Больше ста лет назад изобретатели уже задумывались о создании космических кораблей, но начало космической…

Импульсы вдоль оси движения влияют на форму и ориентацию* орбиты и не изменяют её наклон.

Гравитационный маневр как природное явление впервые был обнаружен астрономами прошлого, которые поняли, что значительные изменения орбит комет, их периода (а следовательно и их орбитальной скорости) происходят под гравитационным влиянием планет. Так, после перехода короткопериодических комет из пояса Койпера во внутреннюю часть Солнечной системы, значительное преобразование их орбит происходит именно под гравитационным влиянием массивных планет, при обмене с ними угловым моментом, без каких-либо энергетических затрат.

Саму идею использовать гравитационный маневр для целей космического полета разработал Майкл Минович в 60-х годах, когда, будучи студентом, он проходил практику в JPL*. Идея была быстро подхвачена и реализована во многих космических миссиях. Но на первый взгляд, возможность значительно ускорить движение аппарата без затрат энергии кажется странной и требует пояснения.

Часто приходится слышать о "захвате" астероидов и комет полем планет. Строго говоря, захват без потерь энергии невозможен: если какое-то тело приближается к массивной планете, модуль его скорости сначала возрастает по мере приближения, а затем на столько же уменьшается в процессе его удаления. Но тело все же может перейти на орбиту спутника планеты, если при этом происходит его торможение (например, имеется торможение в верхних слоях атмосферы, если сближение достаточно тесное; или если возникает значительное приливное рассеяние энергии; или, наконец, если происходит разрушение тела внутри предела Роша с различными векторами скорости, приобретенными обломками). На стадии формирования Солнечной системы важным фактором было также торможение тела в газо-пылевой туманности. Что же касается космических аппаратов, то только в случае вывода на орбиту спутника используется торможение в верхних слоях атмосферы (aerobraking). В "чистом" гравитационном маневре правило равенства модуля скоростей до и после сближения с планетой сохраняется неукоснительно (что и подсказывала интуиция: с чем пришел, с тем и ушел). В чем же выигрыш?

Выигрыш становится очевидным, если от планетоцентрических перейти к гелиоцентрическим координатам .

Наиболее выгодны маневры у планет-гигантов, причем они заметнo сокращают длительность полета. Используются также маневры у Земли и Венеры, но это значительно увеличивает длительность космического путешествия. Все приведенные в таблице данные относятся к пассивному маневру. Но в некоторых случаях в перицентре облетной гиперболы аппарату, с помощью его двигательной установки, сообщают небольшой реактивный импульс, что дает существенный дополнительный выигрыш.

В полете аппарату часто требуется не ускорение, а замедление . Легко выбрать такую геометрию сближения, когда скорость аппарата в гелиоцентрических координатах упадет. Это зависит от положения векторов скоростей при обмене угловыми моментами. Упрощая задачу, можно сказать, что сближение аппарата с планетой с внутренней стороны ее орбиты приводит к тому, что аппарат отдает планете часть своего углового момента и замедляется; и наоборот, сближение с внешней стороны орбиты приводит к увеличению момента и скорости аппарата. Интересно, что никакими акселерометрами на борту зарегистрировать изменение скорости аппарата в маневрах невозможно, - они постоянно регистрируют состояние невесомости.

Преимущества гравитационного маневра по сравнению с гомановским перелетом к планетам-гигантам получаются настолько большими, что полезную нагрузку аппарата можно увеличить вдвое. Как уже говорилось, время достижения цели при гравитационном маневре у массивных планет-гигантов сокращается очень значительно. Разработка принципов маневра показала, что можно использовать и менее массивные тела (Землю, Венеру и, в особых случаях, даже Луну). Только масса в каком-то смысле разменивается на время полета, что заставляет исследователей ждать 2-3 лишних года. Однако стремление сократить расходы на дорогостоящие космические программы заставляет смириться с такой потерей времени. Теперь выбор трассы полета делается, как правило, многоцелевым, охватывающим несколько планет. В 1986 году гравитационный маневр у Венеры позволил обеспечить встречи советских аппаратов "ВЕГА-1" и "ВЕГА-2" с кометой Галлея.

Существует еще один способ разогнать объект до скорости, близкой к скорости света, - воспользоваться «эффектом пращи», При отправке космических зондов к другим планетам NASA иногда заставляет их совершить маневр вокруг соседней планеты, чтобы, воспользовавшись «эффектом пращи», дополнительно разогнать аппарат. Так NASA экономит ценное ракетное топливо. Именно таким образом аппарату «Вояджер-2» удалось долететь до Нептуна, орбита которого лежит у самого края Солнечной системы.

Фримен Дайсон, физик из Принстона, выдвинул интересное предложение. Если когда-нибудь в далеком будущем человечеству удастся обнаружить в космосе две нейтронные звезды, обращающиеся вокруг общего центра с большой скоростью, то земной корабль, пролетев совсем рядом с одной из этих звезд, может за счет гравитационного маневра набрать скорость, равную чуть ли не трети скорости света. В результате корабль разогнался бы до околосветовых скоростей за счет гравитации. Теоретически такое может получиться.

Только на самом деле этот способ разогнаться при помощи гравитации не сработает. (Закон сохранения энергии говорит о том, что тележка на американских горках, разгоняясь на спуске и замедляясь на подъеме, оказывается наверху ровно с той же скоростью, что и в самом начале - никакого приращения энергии не происходит. Точно так же, обернувшись вокруг неподвижного Солнца, мы закончим ровно с той же скоростью, с какой начали маневр.) Метод Дайсона с двумя нейтронными звездами в принципе мог бы сработать, но только потому, что нейтронные звезды быстро движутся. Космический аппарат, использующий гравитационный маневр, получает приращение энергии за счет движения планеты или звезды. Если они неподвижны, подобный маневр ничего не даст.

А предложение Дайсона, хотя и может сработать, ничем не поможет сегодняшним земным ученым - ведь для того, чтобы наведаться к быстро вращающимся нейтронным звездам, потребуется для начала построить звездолет.

Из пушки в небеса

Еще один хитроумный способ вывести корабль в космос и разогнать до фантастических скоростей - выстрелить им из рельсовой электромагнитной «пушки», которую описывали в своих произведениях Артур Кларк и другие авторы-фантасты. В настоящее время этот проект всерьез рассматривается как возможная часть противоракетного щита программы «звездных войн».

Способ заключается в том, чтобы вместо ракетного топлива или пороха использовать для разгона ракеты до высоких скоростей энергию электромагнетизма.

В простейшем случае рельсовая пушка представляет собой два параллельных провода или рельса; реактивный снаряд, или ракета, «сидит» на обоих рельсах, образуя U-образную конфигурацию. Еще Майкл Фарадей знал, что на рамку с электрическим током в магнитном поле действует сила. (Вообще говоря, на этом принципе работают все электродвигатели.) Если пропустить через рельсы и снаряд электрический ток силой в миллионы ампер, вокруг всей системы возникнет чрезвычайно мощное магнитное поле, которое, в свою очередь, погонит снаряд по рельсам, разгонит его до громадной скорости и вышвырнет в пространство с оконечности рельсовой системы.

Во время испытаний рельсовые электромагнитные пушки успешно выстреливали металлические объекты с громадными скоростями, разгоняя их на очень короткой дистанции. Что замечательно, в теории обычная рельсовая пушка способна выстреливать металлический снаряд со скоростью 8 км/с; этого достаточно, чтобы вывести его на околоземную орбиту. В принципе весь ракетный флот NASA можно было бы заменить рельсовыми пушками, которые прямо с поверхности Земли выстреливали бы полезный груз на орбиту.

Рельсовая пушка имеет существенные преимущества по отношению к химическим пушкам и ракетам. Когда вы стреляете из ружья, максимальная скорость, с которой расширяющиеся газы способны вытолкнуть пулю из ствола, ограничена скоростью распространения ударной волны. Жюль Берн в классическом романе «С Земли на Луну» выстрелил снаряд с астронавтами к Луне при помощи пороха, но на самом деле несложно подсчитать, что максимальная скорость, которую может придать снаряду пороховой заряд, во много раз меньше скорости, необходимой для полета к Луне. Рельсовая же пушка не использует взрывное расширение газов и потому никак не зависит от скорости распространения ударной волны.

Но у рельсовой пушки свои проблемы. Объекты на ней ускоряются так быстро, что они, как правило, сплющиваются из-за столкновения... с воздухом. Полезный груз оказывается сильно деформированным в процессе «выстрела» из дула рельсовой пушки, потому что когда снаряд врезается в воздух, это все равно как если бы он ударился о кирпичную стенку. Кроме того, при разгоне снаряд испытывает громадное ускорение, которое само по себе способно сильно деформировать груз. Рельсы необходимо регулярно заменять, так как снаряд при движений также деформирует их. Более того, перегрузки в рельсовой пушке смертельны для людей; человеческие кости просто не выдержат подобного ускорения и разрушатся.

Одно из решений состоит в том, чтобы установить рельсовую пушку на Луне. Там, за пределами земной атмосферы, снаряд сможет беспрепятственно разгоняться в вакууме открытого космоса. Но даже на Луне снаряд при разгоне будет испытывать громадные перегрузки, способные повредить и деформировать полезный груз. В определенном смысле рельсовая пушка - антипод лазерного паруса, который набирает скорость постепенно в течение долгого времени. Ограничения рельсовой пушки определяются именно тем, что она на небольшом расстоянии и за небольшое время передает телу громадную энергию.

Рельсовая пушка, способная выстрелить аппарат к ближайшим звездам, стала бы весьма дорогостоящим сооружением. Так, один из проектов предусматривает строительство в открытом космосе рельсовой пушки длиной в две трети расстояния от Земли до Солнца. Эта пушка должна будет накапливать солнечную энергию, а затем разом расходовать ее, разгоняя десятитонную полезную нагрузку до скорости, равной трети скорости света. При этом «снаряд» будет испытывать перегрузку в 5000 g. Разумеется, «пережить» такой пуск смогут только самые выносливые корабли-роботы.

В начале XX века, когда принципиальная выполнимость космических полетов была научно обоснована, появились первые соображения об их возможных траекториях. Прямолинейный полет от Земли к другой планете энергетически крайне невыгоден. В 1925 году немецкий инженер Вальтер Гоман (Walter Hohmann) показал, что минимальные затраты энергии на перелет между двумя круговыми орбитами обеспечиваются, когда траектория представляет собой «половинку» эллипса, касающегося исходной и конечной орбит. При этом двигатель космического аппарата должен выдать всего два импульса: в перигее и апогее (если речь идет об околоземном пространстве) переходного эллипса. Данная схема широко используется, например, при выведении на геостационарную орбиту. В межпланетных полетах задача несколько осложняется необходимостью учитывать притяжение Земли и планеты назначения соответственно на начальном и конечном участках траектории. Тем не менее полеты к Венере и Марсу выполняются по орбитам, близким к гомановским.

Гравитационные маневры

Но баллистики не сдаются - для экономии топлива они приспособили ту самую гравитацию, на преодоление которой при старте уходит значительная часть энергии. Гравитационные, или на профессиональном языке пертурбационные маневры практически не требуют расхода топлива. Все что нужно - это наличие вблизи трассы полета небесного тела, обладающего достаточно сильной гравитацией и подходящим для целей миссии положением. Подлетая к небесному телу, космический аппарат под действием его поля тяготения ускоряется или замедляется. Здесь внимательный читатель может заметить, что аппарат, ускорившись гравитацией планеты, ею же и тормозится после сближения с небесным телом и что в результате никакого ускорения не будет. Действительно, скорость относительно планеты, используемой в качестве «гравитационной пращи», не изменится по модулю. Но она поменяет направление! А в гелиоцентрической (связанной с Солнцем) системе отсчета окажется, что скорость меняется не только по направлению, но и по величине, поскольку складывается из скорости аппарата относительно планеты и, по крайней мере частично, скорости самой планеты относительно Солнца. Таким способом можно без затрат топлива изменить кинетическую энергию межпланетной станции. При полетах к дальним, внешним, планетам Солнечной системы гравитационный маневр используется для разгона, а при миссиях к внутренним планетам - напротив, для гашения гелиоцентрической скорости.

ВОЗМУЩЕНИЯ и КОРРЕКЦИИ

На картинках траектории межпланетных полетов выглядят очень просто: от Земли станция движется по дуге эллипса, дальний конец которой упирается в планету. Эллиптичность орбиты вокруг Солнца диктуется первым законом Кеплера. Рассчитать ее по силам даже школьнику, но если по ней запустить реальный космический аппарат, он промахнется мимо цели на многие тысячи километров. Дело в том, что на движение аппарата помимо Солнца влияет тяготение обращающихся вокруг него планет. Поэтому точно рассчитать, где окажется аппарат спустя месяцы, а то и годы полета, можно только сложным численным моделированием. Задаются начальное положение и скорость аппарата, определяется, как относительно него расположены планеты и какие силы действуют с их стороны. По ним рассчитывается, где окажется аппарат спустя небольшое время, скажем, спустя час, и как изменится его скорость. Затем цикл вычислений повторяется, и так шаг за шагом просчитывается вся траектория. Скорее всего, она попадет не совсем туда, куда нужно. Тогда начальные условия немного меняют и повторяют расчет, пока не будет получен требуемый результат. Но как бы тщательно ни была рассчитана траектория, ракета не сможет идеально точно вывести на нее аппарат. Поэтому с самого начала рассчитывается целый пучок слегка расходящихся траекторий - изогнутый конус, внутри которого аппарат должен оказаться после старта. Например, при полете к Венере отклонение начальной скорости от расчетной всего на 1 м/с обернется у цели промахом в 10 000 километров - больше размера планеты. Поэтому уже во время полета параметры движения аппарата уточняются по телеметрическим данным (скорость, например, до миллиметров в секунду), а затем в расчетный момент включаются двигатели и орбиты корректируются. Коррекции тоже не бесконечно точны, после каждой из них аппарат попадает в новый конус траекторий, но они не так сильно расходятся у точки назначения, поскольку часть пути уже пройдена. Если у цели аппарату предстоит гравитационный маневр, это повышает требования к точности навигации. Например, при пролете в 10 000 километрах от той же Венеры ошибка в навигации на 1000 километров приведет к тому, что после маневра станция собьется с курса примерно на градус. Исправить такое отклонение коррекционным двигателям, скорее всего, окажется не под силу. Еще жестче требования к точности навигации при использовании аэродинамического торможения в атмосфере. Ширина коридора составляет всего 10-20 километров. Пройди аппарат ниже - и он сгорит в атмосфере, а выше - ее сопротивления не хватит, чтобы погасить межпланетную скорость до орбитальной. К тому же расчет таких маневров зависит от состояния атмосферы, на которую влияет солнечная активность. Недостаточное понимание физики инопланетной атмосферы тоже может оказаться фатальным для космического аппарата. На рис.: 1. Расходящийся конус траекторий - следствие погрешностей выведения космического аппарата. 2. Последствия ошибки при гравитационном маневре

Юпитер нам поможет

Зонд ISEE-3/ICE четыре года (1978-1982) изучал Солнце с орбиты вокруг точки Лагранжа L1, а затем путем сложных гравитационных маневров у Земли и Луны он был направлен на встречу с кометами Джакобини - Циннера (1985) и Галлея (1986). В 2012-м зонд вернется к Земле. Рис. NASA

Окном запуска называют интервал дат, в пределах которого эффективность запланированных гравитационных маневров максимальна.

Гомановские эллипсы, касающиеся орбиты Земли и планеты назначения, - самые экономичные межпланетные траектории, если не прибегать к гравитационным маневрам. Полет к Марсу по гомановской орбите занимает около 240-280 суток, к Венере - около 150 суток.

Космический гравсерфинг

ЛЕСТНИЦА ЛАГРАНЖА

Несмотря на коррекции и гравитационные маневры, орбиты большинства межпланетных станций все же близки к классическим дугам эллипсов и гипербол. Но в последнее время астронавигаторы все чаще используют куда более изощренные траектории, пролегающие в тех областях пространства, где приходится в равной мере учитывать притяжение сразу двух небесных тел. Рассмотрим, например, орбиту Земли вокруг Солнца. Она почти круговая с радиусом 150 миллионов километров и периодом обращения, равным году. Соотношение радиуса и периода определяется силой солнечного притяжения, заставляющей Землю двигаться по искривленной траектории. На большем расстоянии притяжение Солнца окажется слабее, а соответствующая орбитальная скорость ниже. Космический аппарат на такой орбите отстает от Земли (а на орбите меньшего радиуса обгоняет ее). Математически это выражается третьим законом Кеплера. Однако из этого правила есть исключение. Допустим, мы запустили станцию так, чтобы она пришла в некую точку, расположенную на продолжении земной тени, причем на строго определенном расстоянии от Земли (примерно полтора миллиона километров). Тогда притяжение нашей планеты, добавленное к солнечному, окажется как раз таким, что период обращения по расширенной орбите будет в точности равен году. Получится, что станция как бы все время прячется от Солнца позади Земли. Аналогичная траектория есть и внутри земной орбиты, где притяжение планеты, наоборот, ослабляет солнечное ровно настолько, чтобы на более короткой орбите период обращения был равен году. На таких орбитах станции будут обращаться вокруг Солнца, оставаясь неподвижными относительно Земли, - в направлении к Солнцу и от него. Это так называемые точки Лагранжа L1 и L2, где космический аппарат может неподвижно висеть, не расходуя топлива. Этим уже пользуются: в L1 работает солнечная обсерватория SOHO, а в L2 - астрофизический зонд WMAP. Туда же планируется вывести 6-метровый телескоп имени Джеймса Вебба, который строится на смену стареющему «Хабблу». Но полеты в точках Лагранжа не лишены трудностей. Дело в том, что равновесие в них неустойчиво. Стоит аппарату немного отклониться из-за возмущений со стороны других планет или погрешностей навигации, как он начинает описывать вокруг точки Лагранжа медленно расходящиеся петли. Если вовремя не скорректировать орбиту, аппарат может быть выброшен в космос или даже упасть на Землю. Рассчитать движение по такой траектории очень трудно: она очень сильно «крутит хвостом» - при малейшей ошибке в начальных условиях может повернуться в противоположном направлении. И все же NASA уже удалось воспользоваться такой сложной орбитой для миссии по сбору образцов солнечного ветра. Аппарат «Генезис» (Genesis) был запущен по тончайшим образом выверенной траектории, которая после нескольких витков вокруг точки L1 вернула его к Земле, причем так, что капсула с образцами по касательной вошла в атмосферу и совершила посадку (к сожалению, жесткую из-за сбоя в парашютной системе). А у навигаторов тем временем зреют новые планы. Среди раскручивающихся траекторий ухода от точки L1 есть такие, которые на время приводят аппарат на орбиту вокруг L2 (и наоборот). Причем для этого не требуется серьезных затрат топлива. У Земли пользы от этого немного. Иное дело - система Юпитера, где у каждого из четырех его больших спутников - Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто - есть по паре точек Лагранжа. Двигаясь вокруг планеты, внутренние спутники обгоняют внешние, и если правильно подгадать, то ценой совсем небольших затрат топлива аппарат может перепрыгнуть с неустойчивой орбиты вокруг точки L2, скажем, спутника Ио на такую же орбиту вокруг точки L1 Европы. Покрутившись там и проведя наблюдения, можно подняться еще на одну ступеньку «лестницы» - к точке L2 Европы, а оттуда в нужный момент прыгнуть к L1 Ганимеда, а там и до Каллисто рукой подать. Спускаться по этой «лестнице Лагранжа» тоже не возбраняется. Именно такой план полета предлагается для большой исследовательской станции JIMO, которую NASA готовит для изучения галилеевых спутников Юпитера. До сих пор спутники Юпитера исследовались только с пролетных траекторий. «Лестница Лагранжа» позволит станции подолгу зависать над спутником - изучать его поверхность и отслеживать происходящие на ней процессы.

С малой тягой к малым телам

Планетарные двигатели

Не только гравитация

В общем, работа космического баллистика балансирует на грани искусства и точных наук. Ему всегда приходится решать задачу со многими неизвестными, усугубленную стремлением заказчика сделать все «быстрее и дешевле», не выходя за рамки физических законов. Так что, несомненно, мы еще станем свидетелями рождения многих новых нетривиальных космических траекторий.