เที่ยวบินยานอวกาศใช้พลังงานมหาศาล ตัวอย่างเช่น ยานยิงโซยุซซึ่งยืนอยู่บนแท่นปล่อยจรวดและพร้อมที่จะปล่อย มีน้ำหนัก 307 ตัน ซึ่งมากกว่า 270 ตันเป็นเชื้อเพลิง นั่นคือส่วนแบ่งของสิงโต ความจำเป็นในการใช้พลังงานอย่างบ้าคลั่งในการเคลื่อนที่ในอวกาศส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับความยากลำบากในการควบคุมระบบสุริยะอันไกลโพ้น
แต่น่าเสียดายที่ยังไม่มีการพัฒนาทางเทคนิคในทิศทางนี้ มวลของจรวดยังคงเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญในการวางแผนภารกิจด้านอวกาศ และวิศวกรใช้ทุกโอกาสในการประหยัดเชื้อเพลิงเพื่อยืดอายุการทำงานของอุปกรณ์ การซ้อมรบแรงโน้มถ่วงเป็นวิธีหนึ่งในการประหยัดเงิน
จะบินไปในอวกาศได้อย่างไรและแรงโน้มถ่วงเป็นเช่นไร
หลักการของการเคลื่อนย้ายอุปกรณ์ในสุญญากาศ (สภาพแวดล้อมที่ไม่สามารถผลักออกด้วยใบพัดหรือล้อหรือสิ่งอื่นใด) ก็เหมือนกันสำหรับเครื่องยนต์จรวดทุกประเภทที่ผลิตบนโลก นี่คือแรงขับเจ็ท แรงโน้มถ่วงต่อต้านพลังของเครื่องยนต์ไอพ่น การต่อสู้กับกฎแห่งฟิสิกส์นี้ชนะแล้วนักวิทยาศาสตร์โซเวียตในปี 2500 เป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์ที่อุปกรณ์ที่ทำด้วยมือมนุษย์ได้รับความเร็วจักรวาลแรก (ประมาณ 8 กม. / วินาที) กลายเป็นดาวเทียมประดิษฐ์ของดาวเคราะห์โลก
ต้องใช้เหล็ก อิเล็กทรอนิกส์ น้ำมันก๊าดบริสุทธิ์ และออกซิเจนเหลวประมาณ 170 ตันเพื่อเปิดตัวอุปกรณ์ที่มีน้ำหนักเพียง 80 กิโลกรัมสู่วงโคจรต่ำของโลก
จากกฎและหลักการทั้งหมดของจักรวาล แรงโน้มถ่วงอาจเป็นหนึ่งในกฎหลัก มันควบคุมทุกอย่าง เริ่มต้นด้วยการจัดเรียงตัวของอนุภาคมูลฐาน อะตอม โมเลกุล และจบลงด้วยการเคลื่อนที่ของดาราจักร นอกจากนี้ยังเป็นอุปสรรคต่อการสำรวจอวกาศ
ไม่ใช่แค่เชื้อเพลิง
ก่อนปล่อยดาวเทียม Earth เทียมดวงแรก นักวิทยาศาสตร์เข้าใจอย่างชัดเจนว่าไม่เพียงแต่การเพิ่มขนาดของจรวดและพลังของเครื่องยนต์เท่านั้นอาจเป็นกุญแจสู่ความสำเร็จ นักวิจัยได้รับแจ้งให้ค้นหากลอุบายดังกล่าวจากผลการคำนวณและการทดสอบภาคปฏิบัติ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเที่ยวบินที่สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงนอกชั้นบรรยากาศของโลกเป็นอย่างไร การตัดสินใจครั้งแรกสำหรับนักออกแบบชาวโซเวียตคือการเลือกสถานที่สำหรับสร้างคอสโมโดรม
มาอธิบายกัน หากต้องการเป็นดาวเทียมประดิษฐ์ของโลก จรวดจะต้องเร่งความเร็วถึง 8 กม./วินาที แต่โลกของเราเองก็เคลื่อนไหวอยู่ตลอดเวลา จุดใดก็ตามที่อยู่บนเส้นศูนย์สูตรจะหมุนด้วยความเร็วมากกว่า 460 เมตรต่อวินาที ดังนั้นจรวดที่ปล่อยสู่อวกาศไร้อากาศในบริเวณเส้นศูนย์คู่ขนานจะเป็นมีอิสระเกือบครึ่งกิโลเมตรต่อวินาที
นั่นคือเหตุผลว่าทำไมในดินแดนอันกว้างใหญ่ของสหภาพโซเวียต จึงเลือกสถานที่ทางทิศใต้ (ความเร็วของการหมุนรายวันในไบโคนูร์อยู่ที่ประมาณ 280 เมตร/วินาที) โครงการที่มีความทะเยอทะยานมากยิ่งขึ้นซึ่งมุ่งเป้าไปที่การลดผลกระทบของแรงโน้มถ่วงบนยานเกราะที่ปล่อยซึ่งปรากฏในปี 2507 เป็นคอสโมโดรมทางทะเลแห่งแรก "ซานมาร์โก" ซึ่งประกอบขึ้นโดยชาวอิตาลีจากแท่นขุดเจาะสองแท่นและตั้งอยู่บนเส้นศูนย์สูตร ต่อมา หลักการนี้เป็นพื้นฐานของโครงการปล่อยทะเลระหว่างประเทศ ซึ่งประสบความสำเร็จในการปล่อยดาวเทียมเชิงพาณิชย์มาจนถึงทุกวันนี้
ใครเป็นคนแรก
แล้วภารกิจห้วงอวกาศล่ะ? นักวิทยาศาสตร์จากสหภาพโซเวียตเป็นผู้บุกเบิกการใช้แรงโน้มถ่วงของร่างกายจักรวาลเพื่อเปลี่ยนเส้นทางการบิน อย่างที่คุณทราบ ด้านหลังของดาวเทียมธรรมชาติของเรา ถูกถ่ายครั้งแรกโดยอุปกรณ์ Luna-1 ของโซเวียต เป็นสิ่งสำคัญที่หลังจากบินรอบดวงจันทร์แล้ว อุปกรณ์มีเวลากลับสู่โลกเพื่อให้ซีกโลกเหนือหันไปหามัน ท้ายที่สุด ข้อมูล (ภาพถ่ายที่ได้รับ) จะต้องถูกส่งไปยังผู้คน และสถานีติดตาม จานเสาอากาศวิทยุก็ตั้งอยู่ในซีกโลกเหนืออย่างแม่นยำ
ประสบความสำเร็จไม่น้อยในการใช้กลศาสตร์โน้มถ่วงเพื่อเปลี่ยนวิถีของยานอวกาศโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน ยานอวกาศอัตโนมัติระหว่างดาวเคราะห์ "Mariner 10" หลังจากบินผ่านใกล้ดาวศุกร์ต้องลดความเร็วเพื่อที่จะเข้าสู่วงโคจรที่ต่ำกว่าและสำรวจดาวพุธ แทนที่จะใช้แรงขับไอพ่นของเครื่องยนต์ในการซ้อมรบนี้ ความเร็วของรถถูกชะลอลงโดยสนามโน้มถ่วงของดาวศุกร์
มันทำงานอย่างไร
ตามกฎความโน้มถ่วงสากล ค้นพบและยืนยันการทดลองโดยไอแซก นิวตัน วัตถุทั้งหมดที่มีมวลดึงดูดซึ่งกันและกัน ความแรงของแรงดึงดูดนี้สามารถวัดและคำนวณได้ง่าย ขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุทั้งสองและระยะห่างระหว่างวัตถุทั้งสอง ยิ่งใกล้ยิ่งแข็งแกร่ง ยิ่งไปกว่านั้น เมื่อร่างกายเข้าใกล้กัน แรงดึงดูดก็เพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ
รูปแสดงให้เห็นว่ายานอวกาศที่บินใกล้วัตถุขนาดใหญ่ของจักรวาล (ดาวเคราะห์บางดวง) เปลี่ยนวิถีของพวกมันอย่างไร นอกจากนี้การเคลื่อนที่ของอุปกรณ์ภายใต้หมายเลข 1 ซึ่งบินได้ไกลที่สุดจากวัตถุขนาดใหญ่จะเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยมาก สิ่งที่ไม่สามารถพูดได้เกี่ยวกับอุปกรณ์หมายเลข 6 ดาวเคราะห์ดวงนี้เปลี่ยนทิศทางการบินอย่างมาก
สลิงแรงโน้มถ่วงคืออะไร. มันทำงานอย่างไร
การใช้แรงโน้มถ่วงช่วยไม่เพียงแต่จะเปลี่ยนทิศทางของยานอวกาศเท่านั้นแต่ยังสามารถปรับความเร็วของยานอวกาศได้อีกด้วย
รูปแสดงวิถีโคจรของยานอวกาศซึ่งมักใช้เพื่อเร่งความเร็ว หลักการทำงานของการซ้อมรบดังกล่าวนั้นง่าย: ในส่วนของวิถีที่เน้นด้วยสีแดง ดูเหมือนว่าอุปกรณ์จะตามทันกับดาวเคราะห์ที่วิ่งหนีจากมัน วัตถุที่มีขนาดใหญ่กว่ามากจะดึงวัตถุที่เล็กกว่าด้วยแรงโน้มถ่วงของมันแล้วแยกย้ายกันไป
อย่างไรก็ตาม ยานอวกาศไม่เพียงถูกเร่งด้วยวิธีนี้เท่านั้น เป็นที่ทราบกันว่าเทห์ฟากฟ้าที่ไม่ได้ผูกติดอยู่กับดวงดาวนั้นท่องไปในดาราจักรด้วยพลังและหลัก สิ่งเหล่านี้สามารถเป็นดาวเคราะห์น้อยที่มีขนาดค่อนข้างเล็ก (ซึ่งหนึ่งในนั้นกำลังเยี่ยมชมระบบสุริยะ) และดาวเคราะห์น้อยที่มีขนาดเหมาะสม นักดาราศาสตร์เชื่อว่ามันคือสลิงโน้มถ่วง นั่นคือผลกระทบของวัตถุขนาดใหญ่ของจักรวาลที่ขว้างวัตถุที่มีมวลน้อยกว่าออกจากระบบของพวกเขา ทำให้พวกเขาต้องพเนจรไปชั่วนิรันดร์ในอากาศเย็นยะเยือกของพื้นที่ว่าง
ทำยังไงให้ช้าลง
แต่ด้วยการใช้แรงโน้มถ่วงของยานอวกาศ คุณไม่เพียงเร่งความเร็วได้ แต่ยังทำให้การเคลื่อนที่ช้าลงด้วย แผนภาพการเบรกดังกล่าวแสดงอยู่ในรูป
ในส่วนของวิถีที่ไฮไลต์ด้วยสีแดง แรงดึงดูดของโลก ตรงกันข้ามกับตัวแปรที่มีสลิงโน้มถ่วง จะทำให้การเคลื่อนที่ของอุปกรณ์ช้าลง ท้ายที่สุด เวกเตอร์ของแรงโน้มถ่วงและทิศทางการบินของเรืออยู่ตรงข้าม
ใช้เมื่อไหร่? ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการเปิดตัวสถานีอวกาศระหว่างดาวเคราะห์โดยอัตโนมัติในวงโคจรของดาวเคราะห์ที่ศึกษาตลอดจนการศึกษาบริเวณใกล้ดวงอาทิตย์ ความจริงก็คือว่าเมื่อเคลื่อนที่ไปทางดวงอาทิตย์หรือตัวอย่างเช่นไปยังดาวเคราะห์ที่ใกล้ดาวพุธใกล้กับดาวมากที่สุด อุปกรณ์ใด ๆ หากคุณไม่ใช้มาตรการในการเบรกจะเร่งความเร็วโดยไม่เจตนา ดาวของเรามีมวลที่น่าเหลือเชื่อและมีแรงดึงดูดมหาศาล ยานอวกาศที่ได้รับความเร็วมากเกินไปจะไม่สามารถเข้าสู่วงโคจรของดาวพุธซึ่งเป็นดาวเคราะห์ที่เล็กที่สุดในตระกูลสุริยะได้ เรือก็จะแล่นผ่านโดยดาวพุธตัวน้อยไม่สามารถดึงมันแรงพอ สามารถใช้มอเตอร์ในการเบรกได้ แต่วิถีโคจรโน้มถ่วงไปยังดวงอาทิตย์ กล่าวที่ดวงจันทร์และตามด้วยดาวศุกร์ จะลดการใช้การขับเคลื่อนจรวดให้น้อยที่สุด ซึ่งหมายความว่าจะต้องใช้เชื้อเพลิงน้อยลงและสามารถใช้น้ำหนักอิสระเพื่อรองรับอุปกรณ์การวิจัยเพิ่มเติมได้
เข้าตาเข็ม
ในขณะที่การเคลื่อนตัวของแรงโน้มถ่วงช่วงแรกๆ ดำเนินไปอย่างขี้ขลาดและลังเลใจ เส้นทางของภารกิจอวกาศระหว่างดาวเคราะห์ล่าสุดมักจะถูกวางแผนด้วยการปรับความโน้มถ่วง สิ่งนี้คือตอนนี้นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ต้องขอบคุณการพัฒนาเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์รวมถึงความพร้อมของข้อมูลที่แม่นยำที่สุดเกี่ยวกับร่างกายของระบบสุริยะซึ่งโดยหลักแล้วมวลและความหนาแน่นมีการคำนวณที่แม่นยำยิ่งขึ้น และจำเป็นต้องคำนวณแรงโน้มถ่วงที่แม่นยำอย่างยิ่ง
ดังนั้น การวางวิถีให้ไกลจากโลกเกินความจำเป็นจึงเต็มไปด้วยข้อเท็จจริงที่ว่าอุปกรณ์ราคาแพงจะไม่บินไปยังที่ที่วางแผนไว้เลย และการประเมินมวลต่ำไปอาจคุกคามการชนของเรือกับพื้นผิวได้
แชมป์ในการซ้อมรบ
นี่ถือได้ว่าเป็นยานอวกาศลำที่สองของภารกิจโวเอเจอร์ เปิดตัวในปี พ.ศ. 2520 ขณะนี้อุปกรณ์กำลังออกจากระบบดาวฤกษ์ดั้งเดิมและเลิกใช้ในที่ไม่รู้จัก
ในระหว่างการดำเนินการ เครื่องมือดังกล่าวได้ไปเยือนดาวเสาร์ ดาวพฤหัสบดี ดาวยูเรนัส และดาวเนปจูน แรงดึงดูดของดวงอาทิตย์ได้กระทำต่อมันตลอดการเดินทาง จากนั้นเรือค่อยๆ เคลื่อนตัวออกไป แต่ต้องขอบคุณแรงโน้มถ่วงที่คำนวณมาอย่างดีการซ้อมรบสำหรับดาวเคราะห์แต่ละดวง ความเร็วไม่ลดลง แต่เพิ่มขึ้น สำหรับดาวเคราะห์แต่ละดวงที่สำรวจ เส้นทางถูกสร้างขึ้นบนหลักการของสลิงโน้มถ่วง หากไม่มีการแก้ไขความโน้มถ่วง ยานโวเอเจอร์ก็ไม่สามารถส่งได้ไกลถึงขนาดนี้
นอกจากยานโวเอเจอร์แล้ว การซ้อมรบด้วยแรงโน้มถ่วงยังถูกนำมาใช้เพื่อเริ่มภารกิจที่มีชื่อเสียง เช่น โรเซตต้าหรือนิวฮอริซอนส์ ดังนั้น ก่อนออกค้นหาดาวหาง Churyumov-Gerasimenko โรเซตตา ได้ทำการเคลื่อนตัวเร่งความเร็วแรงโน้มถ่วงใกล้โลกและดาวอังคารมากถึง 4 ครั้ง