이중 중력 기동. 중력 기동의 역학. 바늘귀에 빠지다

로켓이 행성 근처로 날아가면 속도가 달라집니다. 감소하거나 증가합니다. 그것은 그것이 날아가는 행성의 어느쪽에 달려 있습니다.

미국의 보이저(Voyager) 우주선이 외태양계에 대한 유명한 그랜드 투어를 수행했을 때, 그들은 거대한 행성 근처에서 소위 중력 조종이라고 불리는 여러 가지 작업을 수행했습니다.
가장 운이 좋았던 것은 보이저 2호로, 네 개의 주요 행성을 모두 지나갔습니다. 속도 그래프는 다음 그림을 참조하세요.

그래프는 행성(해왕성 제외)에 접근할 때마다 우주선의 속도가 초당 수 킬로미터씩 증가했음을 보여줍니다.

언뜻 보면 이상하게 보일 수 있습니다. 물체가 중력장으로 날아가서 가속한 다음 중력장 밖으로 날아가서 감속합니다. 도착 속도는 출발 속도와 동일해야 합니다. 여분의 에너지는 어디에서 오는가?
세 번째 몸인 태양이 있기 때문에 추가 에너지가 나타납니다. 우주선은 행성 근처를 비행할 때 운동량과 에너지를 교환합니다. 이러한 교환으로 인해 태양장에 있는 행성의 중력 에너지가 감소하면 우주선(SC)의 운동 에너지가 증가하고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

우주선의 속도가 증가하려면 어떻게 행성을 지나서 비행해야 합니까? 이 질문에 대답하는 것은 어렵지 않습니다. 우주선이 바로 앞에 있는 행성의 궤도를 가로지르게 하세요. 이 경우 행성 방향으로 추가 충격을 받으면 반대 방향, 즉 이동 방향으로 추가 충격을 전달합니다. 결과적으로 행성은 약간 더 높은 궤도로 이동하고 에너지가 증가합니다. 이 경우 우주선의 에너지는 그에 따라 감소합니다. 우주선이 행성 뒤의 궤도를 가로지르면 움직임이 약간 느려지고 행성이 더 낮은 궤도로 이동합니다. 우주선의 속도가 증가합니다.

물론 우주선의 질량은 행성의 질량에 비례하지 않습니다. 그러므로 중력 조종 동안 행성의 궤도 매개변수의 변화는 측정할 수 없는 극미한 값입니다. 그러나 행성의 에너지는 변하고 있으며, 중력 조종을 수행하고 우주선의 속도가 변하는 것을 보면 이를 확인할 수 있습니다. 예를 들어 보이저 2호가 1979년 7월 9일 목성 근처를 어떻게 비행했는지 보여줍니다(그림 참조). 목성에 접근했을 때 우주선의 속도는 10km/초였다. 최대 접근 순간에는 28km/초로 증가했습니다. 그리고 보이저 2호가 가스 거인의 중력장을 벗어나 날아간 후 속도는 20km/초로 감소했습니다. 따라서 중력 조종의 결과로 우주선의 속도는 두 배로 증가하고 쌍곡선이 되었습니다. 즉, 태양계 밖으로 날아가는 데 필요한 속도를 초과했습니다. 목성의 궤도에서 태양계로부터의 이탈 속도는 약 18km/초입니다.

이 예에서 목성(또는 다른 행성)이 모든 물체를 쌍곡선 속도로 가속할 수 있다는 것이 분명합니다. 이것은 그가 태양계에서 이 몸을 “추출”할 수 있다는 것을 의미합니다. 어쩌면 현대 우주론자들이 맞을까요? 아마도 거대한 행성은 실제로 태양계의 먼 외곽에 얼음 블록을 던져서 오르트 혜성 구름을 형성했을 것입니다.
이 질문에 답하기 전에 행성이 어떤 중력 조종을 할 수 있는지 살펴보겠습니다.

2. 중력 기동의 원리

저는 9학년 때 지역 물리학 올림피아드에서 중력 조종에 대해 처음 알게 되었습니다. 과제는 이것이었습니다. 로켓이 지구에서 빠른 속도로 발사됩니다.V(중력장 밖으로 날아갈 만큼 충분합니다). 로켓에는 추진기가 있습니다. 에프시간을 일할 수 있는 사람 티. 로켓의 최종 속도가 최대가 되려면 어느 시점에 엔진을 켜야 합니까? 공기 저항을 무시합니다.

처음에는 엔진을 언제 켜는지는 중요하지 않은 것 같았습니다. 실제로 에너지 보존 법칙에 따라 로켓의 최종 속도는 어떤 경우에도 동일해야 합니다. 두 가지 경우에 로켓의 최종 속도를 계산하는 것이 남아 있습니다. 1. 처음에 엔진을 켭니다. 2. 지구의 중력장을 떠난 후 엔진을 켭니다. 그런 다음 결과를 비교하고 두 경우 모두 로켓의 최종 속도가 동일한지 확인하십시오. 하지만 그때 나는 힘이 견인력 곱하기 속도와 같다는 것을 기억했습니다. 따라서 로켓 속도가 최대일 때, 시작하자마자 즉시 엔진을 켜면 로켓 엔진의 출력이 최대가 됩니다. 따라서 정답은 다음과 같습니다. 즉시 엔진을 켜면 로켓의 최종 속도가 최대가 됩니다.

문제를 올바르게 해결했지만 문제는 여전히 남아 있었습니다. 최종 속도, 즉 로켓의 에너지는 엔진이 켜진 시점에 따라 달라집니다. 이는 에너지 보존 법칙을 명백히 위반하는 것으로 보입니다. 아니면? 무슨 일이야? 에너지는 절약되어야 합니다! 저는 올림픽이 끝난 후 이 모든 질문에 답하려고 노력했습니다.

대량 로켓을 만들어보자 중힘으로 추력을 발생시키는 엔진으로 에프. 이 로켓을 빈 공간(별이나 행성에서 멀리 떨어진 곳)에 놓고 엔진을 켜 보겠습니다. 로켓은 어떤 가속도로 움직일 것인가? 우리는 뉴턴의 제2법칙인 가속도에서 답을 알고 있습니다. ㅏ같음:

ㅏ=금/월

이제 로켓이 100km/초의 빠른 속도로 움직이는 또 다른 관성 기준계로 이동해 보겠습니다. 이 기준계에서 로켓의 가속도는 얼마인가?
가속도는 관성 참조 프레임의 선택에 따라 달라지지 않으므로 동일합니다.

ㅏ=금/월

로켓의 질량도 변하지 않으므로(초당 100km는 아직 상대론적 사례가 아님) 추력은 에프동일할 것입니다. 따라서 로켓의 위력은 속도에 따라 결정됩니다. 결국 힘은 힘에 속도를 곱한 것과 같습니다. 로켓이 100km/초의 속도로 이동한다면 엔진의 출력은 1km/초의 속도로 이동하는 로켓의 동일한 엔진보다 100배 더 강력하다는 것이 밝혀졌습니다.

언뜻보기에 이것은 이상하고 역설적으로 보일 수도 있습니다. 엄청난 추가 전력은 어디서 나오는 걸까요? 에너지는 절약되어야 합니다!

이 문제를 살펴보겠습니다.

로켓은 항상 제트 추진력으로 움직입니다. 로켓은 다양한 가스를 고속으로 우주로 발사합니다. 명확성을 위해 가스 방출 속도가 10km/초라고 가정합니다. 로켓이 1km/초의 속도로 이동하면 로켓의 엔진은 주로 로켓이 아니라 로켓 연료를 가속합니다. 따라서 로켓을 가속시키는 엔진 출력은 높지 않습니다. 그러나 로켓이 10km/초의 속도로 이동하면 방출된 연료는 외부 관찰자에 비해 REST가 됩니다. 즉, 모든 엔진 출력이 로켓을 가속하는 데 소비됩니다. 로켓이 100km/초의 속도로 움직인다면 어떨까요? 이 경우 분출된 연료는 90km/초의 속도로 이동합니다. 즉, 연료 속도가 100km/초에서 90km/초로 감소합니다. 그리고 에너지 보존 법칙으로 인해 연료의 운동 에너지의 모든 차이가 로켓으로 전달됩니다. 따라서 이러한 속도에서 로켓 엔진의 출력은 크게 증가합니다.

간단히 말해서, 빠르게 움직이는 로켓의 경우 연료는 엄청난 운동 에너지를 가지고 있습니다. 그리고 이 에너지로부터 로켓을 가속시키기 위한 추가 동력이 얻어집니다. 이제 로켓의 이러한 속성이 실제로 어떻게 사용될 수 있는지 알아내는 것이 남아 있습니다.

3. 실제 적용

가까운 장래에 로켓을 타고 타이탄의 토성계로 비행할 계획이라고 가정해 보겠습니다.

혐기성 생명체를 연구합니다.

우리는 목성 궤도로 날아갔고 로켓의 속도가 거의 0으로 떨어졌다는 것이 밝혀졌습니다. 비행 경로가 제대로 계산되지 않았거나 연료가 위조된 것으로 판명되었습니다. 아니면 운석이 연료실에 부딪혀 거의 모든 연료가 손실되었을 수도 있습니다. 무엇을 해야 할까요?

로켓에는 엔진이 있고 소량의 연료가 남아 있습니다. 그러나 엔진이 할 수 있는 최대치는 로켓의 속도를 1km/초 증가시키는 것입니다. 이것은 분명히 토성에 도달하기에는 충분하지 않습니다. 그래서 조종사는 이 옵션을 제공합니다.

“우리는 목성의 중력장에 들어가서 그 위로 떨어집니다. 결과적으로 목성은 로켓을 약 60km/초라는 엄청난 속도로 가속시킵니다. 로켓이 이 속도까지 가속되면 엔진을 켜십시오. 이 속도의 엔진 출력은 여러 번 증가합니다. 그런 다음 목성의 중력장 밖으로 날아갑니다. 이러한 중력 조종의 결과로 로켓의 속도는 1km/초가 아니라 훨씬 더 증가합니다. 그리고 우리는 토성까지 날아갈 수 있어요."

그런데 누군가 이의를 제기합니다.

“예, 목성 근처 로켓의 위력이 증가할 것입니다. 로켓은 추가 에너지를 받게 됩니다. 그러나 목성의 중력장을 벗어나면 우리는 이 추가 에너지를 모두 잃게 됩니다. 에너지는 목성의 전위 우물에 남아 있어야 합니다. 그렇지 않으면 영구 운동 기계와 같은 것이 있을 것이며 이는 불가능합니다. 따라서 중력 조작으로 인한 이점은 없습니다. 우리는 시간만 낭비할 뿐입니다.”

그거에 대해서 어떻게 생각해?

따라서 로켓은 목성에서 멀지 않고 목성에 비해 거의 움직이지 않습니다. 로켓에는 로켓의 속도를 단 1km/초만큼 증가시킬 수 있는 충분한 연료를 갖춘 엔진이 있습니다. 엔진의 효율성을 높이기 위해 중력 기동을 수행하는 것이 제안됩니다. 즉, 목성에 로켓을 "떨어뜨리는" 것입니다. 포물선을 따라 끌어당김 영역으로 움직일 것입니다(사진 참조). 그리고 궤적의 가장 낮은 지점(사진에 빨간색 십자가로 표시)에서 엔진을 켭니다. 목성 근처의 로켓 속도는 60km/초입니다. 엔진이 더 가속되면 로켓의 속도는 61km/초로 증가합니다. 로켓이 목성의 중력장을 떠날 때 속도는 얼마나 될까요?

물론 그가 물리학을 잘 알고 있다면 이 작업은 고등학생의 능력 내에 있습니다. 먼저 위치에너지와 운동에너지의 합을 구하는 공식을 작성해야 합니다. 그런 다음 공의 중력장의 위치 에너지 공식을 기억하십시오. 중력 상수가 무엇인지 알아보고 목성의 질량과 반경을 알아 보려면 참고서를 살펴보십시오. 에너지 보존 법칙을 사용하고 대수 변환을 수행하여 일반 최종 공식을 얻습니다. 마지막으로 모든 숫자를 공식에 대입하고 계산을 수행하면 답을 얻을 수 있습니다. 나는 아무도 (거의 아무도) 공식을 탐구하고 싶어하지 않는다는 것을 이해합니다. 따라서 방정식으로 여러분을 괴롭히지 않고 "손가락으로"이 문제에 대한 해결책을 설명하려고 노력할 것입니다. 나는 그것이 효과가 있기를 바랍니다!

로켓이 정지해 있으면 운동에너지는 0이다. 로켓이 1km/초의 속도로 움직인다면 로켓의 에너지는 1단위라고 가정합니다. 따라서 로켓이 2km/초의 속도로 이동하면 에너지는 4단위, 10km/초이면 100단위 등이 됩니다. 알았습니다. 우리는 이미 문제의 절반을 해결했습니다.

십자가로 표시된 지점에서:

로켓 속도는 60km/초이고 에너지는 3600단위입니다. 3600 단위는 목성의 중력장 밖으로 날아가기에 충분합니다. 로켓이 가속된 후 속도는 61km/초가 되었고, 그에 따른 에너지는 61제곱(계산기 사용) 3721단위였습니다. 로켓이 목성의 중력장을 벗어나면 3600 단위만 소비됩니다. 121개 유닛이 남아있습니다. 이는 11km/초의 속도(제곱근을 취함)에 해당합니다. 문제가 해결되었습니다. 이는 대략적인 답변이 아니라 정확한 답변입니다.

중력 보조를 사용하여 추가 에너지를 생성할 수 있음을 알 수 있습니다. 로켓을 1km/초로 가속하는 대신 목성과 같은 거대한 물체가 근처에 있으면 로켓을 11km/초(121배 더 많은 에너지, 12,000% 효율성!)로 가속할 수 있습니다.

우리는 어떻게 엄청난 에너지를 얻었나요? 사용후 연료를 로켓 근처의 빈 공간이 아닌 목성이 만든 깊은 잠재적 구멍에 남겨두었기 때문입니다. 사용후연료는 MINUS 기호로 더 큰 위치에너지를 받았습니다. 따라서 로켓은 PLUS 기호로 더 큰 운동 에너지를 받았습니다.

4. 행성 근처의 속도 벡터를 회전시킵니다.

목성 근처에서 로켓을 비행하고 속도를 높이고 싶다고 가정해 보겠습니다. 하지만 연료가 없습니다. 우리의 진로를 바로잡을 연료가 있다고 가정해 봅시다. 그러나 로켓을 크게 가속시키는 것만으로는 충분하지 않습니다. 중력 보조 장치를 사용하여 로켓의 속도를 크게 높일 수 있습니까?

가장 일반적인 형태로 이 작업은 다음과 같습니다. 우리는 어느 정도 속도로 목성의 중력장 속으로 날아갑니다. 그런 다음 우리는 현장 밖으로 날아갑니다. 우리의 속도가 바뀔까요? 그리고 얼마나 변할 수 있나요? 이 문제를 해결해 봅시다.

목성에 있는(또는 질량 중심에 대해 움직이지 않는) 관찰자의 관점에서 볼 때 우리의 기동은 다음과 같습니다. 처음에 로켓은 목성으로부터 멀리 떨어져 있으며 목성을 향해 빠른 속도로 이동합니다. V. 그런 다음 목성에 접근하면서 가속됩니다. 이 경우 로켓의 궤적은 구부러져 있으며 알려진 바와 같이 가장 일반적인 형태는 쌍곡선입니다. 로켓의 최대 속도는 최소 접근 속도입니다. 여기서 가장 중요한 것은 목성에 충돌하는 것이 아니라 목성 옆으로 날아가는 것입니다. 최소 접근 후 로켓은 목성에서 멀어지기 시작하고 속도가 감소합니다. 마지막으로 로켓은 목성의 중력장 밖으로 날아갈 것입니다. 속도는 얼마나 될까요? 도착했을 때와 똑같습니다. 로켓은 목성의 중력장으로 빠른 속도로 날아갔습니다. V그리고 정확히 같은 속도로 날아갔습니다 V. 아무것도 바뀌지 않았다? 아니요, 바뀌었습니다. 속도의 방향이 변경되었습니다. 그건 중요해. 덕분에 우리는 중력 기동을 할 수 있다.

실제로 우리에게 중요한 것은 목성에 대한 로켓의 속도가 아니라 태양에 대한 로켓의 속도입니다. 이것이 소위 태양 중심 속도입니다. 이 속도로 로켓은 태양계를 통과하여 이동합니다. 목성은 또한 태양계를 통과하여 이동합니다. 로켓의 태양 중심 속도 벡터는 목성의 궤도 속도(약 13km/초)와 목성에 대한 로켓의 상대적 속도라는 두 벡터의 합으로 분해될 수 있습니다. 여기에는 복잡한 것이 없습니다! 이것은 7학년 때 배운 벡터 덧셈에 대한 일반적인 삼각형 규칙입니다. 그리고 이 규칙은 중력 조작의 본질을 이해하기에 충분합니다.

우리는 네 가지 속도를 가지고 있습니다. V 1은 중력 기동 전의 태양에 대한 로켓의 속도입니다. 유 1은 중력 기동 전의 목성에 대한 로켓의 상대적인 속도입니다. 유 2는 중력 기동 후 목성에 대한 로켓의 속도입니다. 크기별 유 1과 유 2는 동일하지만 방향이 다릅니다. V 2는 중력 기동 후 태양에 대한 로켓의 상대 속도입니다. 이 네 가지 속도가 모두 서로 어떻게 관련되어 있는지 확인하기 위해 그림을 살펴보겠습니다.

녹색 화살표 AO는 궤도에서 목성의 이동 속도입니다. 빨간색 화살표 AB는 V 1: 중력 기동 전 태양에 대한 로켓의 속도. 노란색 화살표 OB는 중력 기동 전 목성에 대한 로켓의 속도입니다. 노란색 화살표 OS는 중력 기동 후 목성을 기준으로 한 로켓의 속도입니다. 이 속도는 반경 OB의 노란색 원 어딘가에 있어야 합니다. 좌표계에서 목성은 로켓의 속도 값을 변경할 수 없고 특정 각도(알파)만큼만 회전할 수 있기 때문입니다. 그리고 마지막으로 AC가 우리에게 필요한 것입니다: 로켓 속도 V 2 중력 기동 이후.

얼마나 간단한지 보세요. 중력 기동 AC 이후의 로켓 속도는 중력 기동 AB와 벡터 BC 전의 로켓 속도와 같습니다. 그리고 벡터 BC는 목성 기준계에서 로켓 속도의 변화입니다. OS - OV = OS + VO = VO + OS = BC이기 때문입니다. 로켓의 속도 벡터가 목성을 기준으로 더 많이 회전할수록 중력 조종이 더 효과적입니다.

따라서 연료가 없는 로켓은 목성(또는 다른 행성)의 중력장으로 날아갑니다. 목성을 기준으로 한 기동 전후의 속도 값은 변경되지 않습니다. 그러나 목성에 대한 속도 벡터의 회전으로 인해 목성에 대한 로켓의 속도는 여전히 변합니다. 그리고 이 변화의 벡터는 기동 전 로켓의 속도 벡터에 간단히 추가됩니다. 모든 것을 명확하게 설명했으면 좋겠습니다.

보이저 우주선은 지구에서 가장 멀리 떨어진 인공 물체입니다. 목성과 토성에 대한 연구라는 주요 목표를 오래 전에 완료하여 40년 동안 우주를 돌진해 왔습니다. 유명한 태양계의 먼 행성의 사진창백한 파란색 점그리고 지구에 대한 정보가 담긴 황금 디스크인 "가족 사진"은 모두 보이저호와 세계 우주 비행의 역사에서 영광스러운 페이지입니다. 그러나 오늘 우리는 유명한 장치에 대한 찬송을 부르지 않고 40년 동안의 비행이 이루어지지 않았을 기술 중 하나를 분석할 것입니다. 만나보세요: 폐하 중력 기동.

네 가지 중 가장 적게 연구된 중력 상호 작용은 모든 우주 비행의 분위기를 설정합니다. 우주선을 발사할 때 주요 비용 중 하나는 지구의 중력장을 극복하는 데 필요한 힘의 비용입니다. 그리고 우주선의 탑재량 1g은 로켓의 추가 연료입니다. 이는 역설적인 것으로 밝혀졌습니다. 더 많은 연료를 섭취하려면 더 많은 연료가 필요하며 무게도 무겁습니다. 즉, 질량을 늘리려면 질량을 늘려야 합니다. 물론 이것은 매우 일반화된 그림이다. 실제로 정확한 계산을 통해 필요한 하중을 취하고 필요에 따라 늘릴 수 있습니다. 그러나 Sheldon Cooper가 말했듯이 중력은 여전히 무정하고 에헴, 개년입니다.

자주 발생하는 것처럼 모든 현상에는 이중 특성이 있습니다. 중력과 우주 비행의 관계에도 동일하게 적용됩니다. 인간은 우주 비행에 도움이 되도록 행성의 중력을 이용할 수 있었고, 이로 인해 보이저호는 연료를 낭비하지 않고 40년 동안 성간 공간을 개척해 왔습니다.

중력 기동이라는 아이디어를 누가 처음으로 생각해 냈는지는 알려져 있지 않습니다. 생각해 보면, 별이 총총한 남쪽 밤에 혜성이 행성을 지나갈 때 궤적과 속도가 어떻게 변하는지 관찰했던 이집트와 바빌론의 최초의 천문학자들에게로 돌아갈 수 있습니다.

중력 기동에 대한 최초의 공식화 된 아이디어는 이론적 우주 비행 시대 인 1920-30 년대 Friedrich Arturovich Zander와 Yuri Vasilyevich Kondratyuk의 입에서 나왔습니다. Yuri Vasilyevich Kondratyuk(실명 Alexander Ivanovich Shargei)는 Tsiolkovsky와는 별도로 산소-수소 연료를 사용하여 행성 대기를 제동에 사용하도록 제안한 로켓 설계를 직접 만든 뛰어난 소련 엔지니어이자 과학자입니다. NASA가 나중에 달 탐사에 사용한 천체 착륙을 위한 하강 차량. 프리드리히 잰더(Friedrich Zander)는 러시아 우주 비행술의 기원에 섰던 사람들 중 한 명입니다. 그는 최초의 액체 연료 로켓 프로토타입을 제작한 열정적인 엔지니어 커뮤니티인 로켓 추진 연구 그룹인 GIRD의 회원이었으며 몇 년 동안 의장을 맡았습니다. 물질적 이해관계가 전혀 없기 때문에 GIRD는 때때로 농담으로 무료로 일하는 엔지니어 그룹으로 해석되었습니다.

유리 바실리예비치 콘드라티우크
출처: wikimedia.org

Kondratyuk과 Zander의 제안과 중력 조종의 실제 구현 사이에는 약 50년이 흘렀습니다. 중력에 의해 가속된 최초의 장치를 정확하게 식별하는 것은 불가능합니다. 미국인들은 그것이 1974년의 매리너 10호였다고 주장합니다. 우리는 그것이 1959년의 루나 3호였다고 말합니다. 이것은 역사의 문제입니다. 그러나 중력 조종이란 무엇입니까?

중력 조작의 본질

평범한 집 마당에 있는 평범한 회전목마를 상상해 보세요. 그런 다음 정신적으로 시간당 xkm의 속도로 회전시킵니다. 그런 다음 고무공을 손에 들고 시속 약 10km의 속도로 회전하는 회전목마에 던집니다. 머리 조심하세요! 그리고 우리는 결국 무엇을 얻나요?

여기서 총 속도는 절대적으로 결정되는 것이 아니라 관찰 지점을 기준으로 결정된다는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 회전목마와 자신의 위치에서 볼은 회전목마와 공의 합계인 x+y 속도로 회전목마에서 튕겨 나옵니다. 따라서 회전목마는 운동 에너지(또는 운동량)의 일부를 공에 전달하여 공을 가속시킵니다. 더욱이 회전목마에서 손실된 에너지의 양은 공으로 전달된 에너지의 양과 같습니다. 그러나 회전목마는 크고 주철이고 공은 작고 고무이기 때문에 공은 옆으로 고속으로 날아가고 회전목마는 약간만 느려집니다.

이제 상황을 우주로 옮겨보자. 평범한 태양계의 평범한 목성을 상상해 보세요. 그런 다음 정신적으로 긴장을 풀어보세요... 하지만 잠깐, 이렇게 할 필요는 없습니다. 목성을 상상해 보세요. 우주선이 그곳을 지나며 거인의 영향을 받아 궤도와 속도를 변경합니다. 이 변화는 쌍곡선으로 설명할 수 있습니다. 즉, 접근할 때 속도가 먼저 증가하고 멀어질수록 속도가 감소합니다. 잠재적인 목성 거주자의 관점에서 볼 때, 우리 우주선은 단순히 방향을 바꾸는 것만으로 원래 속도로 돌아왔습니다. 그러나 우리는 행성이 태양을 중심으로, 심지어 빠른 속도로 회전한다는 것을 알고 있습니다. 예를 들어 목성의 속도는 13km/s입니다. 그리고 장치가 지나갈 때 목성은 중력으로 장치를 붙잡고 함께 운반하여 이전보다 더 빠른 속도로 앞으로 던집니다! 이것은 태양 주위의 이동 방향을 기준으로 행성 뒤로 날아가는 경우입니다. 그 앞으로 날아가면 그에 따라 속도도 떨어집니다.

중력 기동. 출처: wikimedia.org

이 패턴은 물매에서 돌을 던지는 것을 연상시킵니다. 따라서 이 기동의 또 다른 이름은 "중력 슬링"입니다. 행성의 속도와 질량이 클수록 중력장에 대해 더 많이 가속하거나 감속할 수 있습니다. 소위 Orbet 효과라는 약간의 트릭도 있습니다.

Hermann Orbet의 이름을 따서 명명된 이 효과는 매우 일반적인 용어로 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 고속으로 움직이는 제트 엔진은 천천히 움직이는 동일한 엔진보다 더 유용한 작업을 수행합니다. 즉, 우주선의 엔진은 중력이 가장 많이 당기는 궤도의 "가장 낮은" 지점에서 가장 효율적입니다. 이 순간에 전원을 켜면 중력체에서 멀리 떨어진 곳에서 받는 것보다 연소된 연료로부터 훨씬 더 큰 충격을 받게 됩니다.

이 모든 것을 합치면 매우 좋은 가속을 얻을 수 있습니다. 예를 들어 자체 속도가 13km/s인 목성은 이론적으로 우주선을 42.7km/s, 토성은 25km/s, 작은 행성인 지구와 금성은 7~8km/s 가속할 수 있습니다. . 여기에서 상상력이 즉시 켜집니다. 이론적 내화 장치를 태양을 향해 발사하고 그로부터 멀어지면 어떻게 될까요? 실제로 이것은 태양이 질량 중심을 중심으로 회전하기 때문에 가능합니다. 하지만 좀 더 폭넓게 생각해 봅시다. McConaughey의 영웅이 Interstellar에서 Gargantua(블랙홀)를 지나갔듯이 우리가 중성자별을 지나간다면 무슨 일이 일어날까요? 빛의 속도의 약 1/3의 가속도가 발생합니다. 따라서 우리가 마음대로 사용할 수 있는 적합한 선박과 중성자별이 있다면 그러한 투석기는 단 12년 만에 프록시마 센타우리 지역으로 선박을 발사할 수 있습니다. 그러나 이것은 여전히 엉뚱한 환상일 뿐이다.

보이저 기동

기사 서두에서 우리는 보이저호에게 찬송을 부르지 않겠다고 말했을 때, 나는 거짓말을 하고 있었습니다. 올해로 40주년을 맞이한 인류의 가장 빠르고 가장 먼 장치는 언급할 가치가 있다는 점에 동의하실 것입니다.

중력 조종 덕분에 먼 행성으로 가는 아이디어가 가능해졌습니다. 중력 새총의 효과를 계산하고 JPL 교수들에게 60년대에 사용 가능한 기술로도 먼 행성으로 날아갈 수 있다고 설득한 당시 UCLA 대학원생 마이클 미노비치(Michael Minovich)는 말할 것도 없고 불공평할 것입니다.

목성의 보이저 사진

통념

태양계에는 혜성이라는 특별한 몸체가 있습니다.
혜성은 크기가 수 킬로미터에 달하는 작은 몸체입니다. 일반 소행성과 달리 혜성에는 물, 이산화탄소, 메탄 등 다양한 얼음이 포함되어 있습니다. 혜성이 목성의 궤도에 진입하면 이 얼음은 빠르게 증발하기 시작하고 먼지와 함께 혜성 표면을 떠나 소위 혼수상태(고체 핵을 둘러싸는 가스와 먼지 구름)를 형성합니다. 이 클라우드는 코어에서 수십만 킬로미터까지 확장됩니다. 반사된 햇빛 덕분에 혜성(혜성 자체가 아니라 구름만)이 보입니다. 그리고 가벼운 압력 덕분에 구름의 일부가 혜성에서 수백만 킬로미터에 걸쳐 뻗어 있는 소위 꼬리로 끌려갑니다(사진 2 참조). 매우 약한 중력으로 인해 혼수상태와 꼬리에 있는 모든 물질은 회복 불가능하게 손실됩니다. 따라서 태양 가까이로 날아가는 혜성은 질량의 몇 퍼센트, 때로는 그 이상을 잃을 수 있습니다. 그녀의 수명은 천문학적 기준으로 볼 때 중요하지 않습니다.
새로운 혜성은 어디에서 오는가?

전통적인 우주 발생론에 따르면 그들은 소위 오르트 구름에서 도착합니다. 일반적으로 태양으로부터 10만 천문 단위 거리(가장 가까운 별까지의 거리의 절반)에 거대한 혜성 저장소가 있다는 것이 인정됩니다. 근처의 별들이 주기적으로 이 저장소를 교란하고 일부 혜성의 궤도가 바뀌어 근일점이 태양 근처에 있게 되고 표면의 가스가 증발하기 시작하여 거대한 혼수상태와 꼬리를 형성하며 혜성은 망원경을 통해 볼 수 있게 되며 때로는 육안으로. 사진은 1997년에 촬영된 유명한 대혜성 헤일밥(Hale-Bopp)의 모습입니다.

오르트 구름은 어떻게 형성되었나요? 일반적으로 받아 들여지는 대답은 이것이다. 태양계 형성 초기에 거대한 행성 지역에 직경이 10km 이상인 많은 얼음 몸체가 형성되었습니다. 그들 중 일부는 거대한 행성과 그 위성의 일부가 되었고, 일부는 태양계 주변으로 던져졌습니다. 목성은 이 과정에서 중요한 역할을 했지만 토성, 천왕성, 해왕성도 중력장을 이 과정에 기여했습니다. 가장 일반적인 용어로 이 과정은 다음과 같습니다. 혜성은 목성의 강력한 중력장 근처로 날아가고 속도를 변경하여 결국 태양계 주변에 도달합니다.

사실, 이것만으로는 충분하지 않습니다. 혜성의 근일점이 목성의 궤도 안에 있고 원일점이 주변 어딘가에 있다면, 그 기간은 쉽게 계산할 수 있듯이 수백만 년이 될 것입니다. 태양계가 존재하는 동안 그러한 혜성은 태양에 거의 천 번 접근할 시간을 가지며 증발할 수 있는 모든 가스는 증발할 것입니다. 따라서 혜성이 주변에 있을 때 근처 별의 교란으로 인해 궤도가 너무 많이 바뀌어 근일점도 태양에서 매우 멀리 떨어져 있을 것으로 가정됩니다.

그래서 4단계 과정을 거치게 됩니다. 1. 목성은 태양계 주변에 얼음 조각을 던집니다. 2. 가장 가까운 별은 궤도를 변경하여 궤도의 근일점도 태양에서 멀어집니다. 3. 그러한 궤도에서는 얼음 조각이 거의 수십억 년 동안 그대로 유지됩니다. 4. 근처를 지나는 또 다른 별이 다시 궤도를 교란하여 근일점이 태양에 가까워집니다. 결과적으로 얼음 조각이 우리에게 날아갑니다. 그리고 우리는 그것을 새로운 혜성처럼 봅니다.

현대 우주론자들에게는 이 모든 것이 꽤 그럴듯해 보인다. 하지만 그렇습니까? 네 단계를 모두 자세히 살펴보겠습니다.

중력 기동

첫 만남

저는 9학년 때 지역 물리학 올림피아드에서 중력 조종에 대해 처음 알게 되었습니다. 과제는 이것이었습니다.
로켓은 속도 V(중력장을 벗어나기에 충분한 속도)로 지구에서 출발합니다. 로켓에는 시간 t 동안 작동할 수 있는 추력 F의 엔진이 있습니다. 로켓의 최종 속도가 최대가 되려면 어느 시점에 엔진을 켜야 합니까? 공기 저항을 무시합니다.

문제를 올바르게 해결했지만 문제는 여전히 남아 있었습니다. 최종 속도, 즉 로켓의 에너지는 엔진이 켜진 시점에 따라 달라집니다. 이는 에너지 보존 법칙을 명백히 위반하는 것으로 보입니다. 아니면? 무슨 일이야? 에너지는 절약되어야 합니다! 나는 올림픽이 끝난 후 이 모든 질문에 답하려고 노력했습니다.

로켓의 추력은 속도에 따라 달라집니다. 이것은 중요한 점이며 논의할 가치가 있습니다.
추력 F를 생성하는 엔진을 갖춘 질량 M의 로켓을 만들어 보겠습니다. 이 로켓을 별과 행성에서 멀리 떨어진 빈 공간에 배치하고 엔진을 켜보겠습니다. 로켓은 어떤 가속도로 움직일 것인가? 우리는 뉴턴의 제2법칙에서 답을 알고 있습니다. 가속도 A는 다음과 같습니다.
A = F/M

이제 로켓이 100km/초의 빠른 속도로 움직이는 또 다른 관성 기준계로 이동해 보겠습니다. 이 기준계에서 로켓의 가속도는 얼마인가?
가속도는 관성 참조 프레임의 선택에 따라 달라지지 않으므로 동일합니다.
A = F/M
로켓의 질량도 변하지 않으므로(100km/초는 아직 상대론적 사례가 아님) 추력 F는 동일합니다.
따라서 로켓의 위력은 속도에 따라 결정됩니다. 결국 힘은 힘에 속도를 곱한 것과 같습니다. 로켓이 100km/초의 속도로 이동한다면 엔진의 출력은 1km/초의 속도로 이동하는 로켓의 동일한 엔진보다 100배 더 강력하다는 것이 밝혀졌습니다.

언뜻보기에 이것은 이상하고 역설적으로 보일 수도 있습니다. 엄청난 추가 전력은 어디서 나오는 걸까요? 에너지는 절약되어야 합니다!
이 문제를 살펴보겠습니다.
로켓은 항상 제트 추진력으로 움직입니다. 로켓은 다양한 가스를 고속으로 우주로 발사합니다. 명확성을 위해 가스 방출 속도가 10km/초라고 가정합니다. 로켓이 1km/초의 속도로 이동하면 로켓의 엔진은 주로 로켓이 아니라 로켓 연료를 가속합니다. 따라서 로켓을 가속시키는 엔진 출력은 높지 않습니다. 그러나 로켓이 10km/초의 속도로 이동하면 방출된 연료는 외부 관찰자에 비해 REST가 됩니다. 즉, 모든 엔진 출력이 로켓을 가속하는 데 소비됩니다. 로켓이 100km/초의 속도로 움직인다면 어떨까요? 이 경우 분출된 연료는 90km/초의 속도로 이동합니다. 즉, 연료 속도가 100km/초에서 90km/초로 감소합니다. 그리고 에너지 보존 법칙으로 인해 연료의 운동 에너지의 모든 차이가 로켓으로 전달됩니다. 따라서 이러한 속도에서 로켓 엔진의 출력은 크게 증가합니다.

간단히 말해서, 빠르게 움직이는 로켓의 경우 연료는 엄청난 운동 에너지를 가지고 있습니다. 그리고 이 에너지로부터 로켓을 가속시키기 위한 추가 동력이 얻어집니다.

이제 로켓의 이러한 속성이 실제로 어떻게 사용될 수 있는지 알아내는 것이 남아 있습니다.

실제 적용 시도

가까운 장래에 혐기성 생명체를 연구하기 위해 로켓을 토성계의 타이탄(사진 1-3 참조)으로 날아갈 계획이라고 가정해 보십시오. 우리는 목성 궤도로 날아갔고 로켓의 속도가 거의 0으로 떨어졌다는 것이 밝혀졌습니다. 비행 경로가 제대로 계산되지 않았거나 연료가 위조된 것으로 판명되었습니다. :) . 아니면 운석이 연료실에 부딪혀 거의 모든 연료가 손실되었을 수도 있습니다. 무엇을 해야 할까요?

로켓에는 엔진이 있고 소량의 연료가 남아 있습니다. 그러나 엔진이 할 수 있는 최대치는 로켓의 속도를 1km/초 증가시키는 것입니다. 이것은 분명히 토성에 도달하기에는 충분하지 않습니다. 그래서 조종사는 이 옵션을 제공합니다.
“우리는 목성의 중력장에 들어가서 그 위로 떨어집니다. 결과적으로 목성은 로켓을 약 60km/초라는 엄청난 속도로 가속시킵니다. 로켓이 이 속도까지 가속되면 엔진을 켜십시오. 이 속도의 엔진 출력은 여러 번 증가합니다. 그런 다음 목성의 중력장 밖으로 날아갑니다. 이러한 중력 조종의 결과로 로켓의 속도는 1km/초가 아니라 훨씬 더 증가합니다. 그리고 우리는 토성까지 날아갈 수 있어요."
그런데 누군가 이의를 제기합니다.
“예, 목성 근처 로켓의 위력이 증가할 것입니다. 로켓은 추가 에너지를 받게 됩니다. 그러나 목성의 중력장을 벗어나면 우리는 이 추가 에너지를 모두 잃게 됩니다. 에너지는 목성의 전위 우물에 남아 있어야 합니다. 그렇지 않으면 영구 운동 기계와 같은 것이 있을 것이며 이는 불가능합니다. 따라서 중력 조작으로 인한 이점은 없습니다. 우리는 시간만 낭비할 뿐입니다.”

따라서 로켓은 목성에서 멀지 않고 목성에 비해 거의 움직이지 않습니다. 로켓에는 로켓의 속도를 단 1km/초만큼 증가시킬 수 있는 충분한 연료를 갖춘 엔진이 있습니다. 엔진의 효율성을 높이기 위해 중력 기동을 수행하는 것이 제안됩니다. 즉, 목성에 로켓을 "떨어뜨리는" 것입니다. 포물선을 따라 끌어당김 영역으로 움직일 것입니다(사진 참조). 그리고 궤적의 가장 낮은 지점(사진에 빨간색 십자가로 표시)에서 켜집니다. b 엔진. 목성 근처의 로켓 속도는 60km/초입니다. 엔진이 더 가속되면 로켓의 속도는 61km/초로 증가합니다. 로켓이 목성의 중력장을 떠날 때 속도는 얼마나 될까요?

로켓이 정지해 있으면 운동에너지는 0이다. 로켓이 1km/초의 속도로 움직인다면 로켓의 에너지는 1단위라고 가정합니다. 따라서 로켓이 2km/초의 속도로 이동하면 에너지는 4단위, 10km/초이면 100단위 등이 됩니다. 알았습니다. 우리는 이미 문제의 절반을 해결했습니다.
십자가로 표시된 지점(사진 참조)에서 로켓 속도는 60km/초이고 에너지는 3600단위입니다. 3600 단위는 목성의 중력장 밖으로 날아가기에 충분합니다. 로켓이 가속된 후 속도는 61km/초가 되었고, 그에 따른 에너지는 61제곱(계산기 사용) 3721단위였습니다. 로켓이 목성의 중력장을 벗어나면 3600 단위만 소비됩니다. 121개 유닛이 남아있습니다. 이는 11km/초의 속도(제곱근을 취함)에 해당합니다. 문제가 해결되었습니다. 이는 대략적인 답변이 아니라 정확한 답변입니다.

벡터 회전

목성 근처에서 로켓을 비행하고 속도를 높이고 싶다고 가정해 보겠습니다. 하지만 연료가 없습니다. 우리의 진로를 바로잡을 연료가 있다고 가정해 봅시다. 그러나 로켓을 크게 가속시키는 것만으로는 충분하지 않습니다. 중력 보조 장치를 사용하여 로켓의 속도를 크게 높일 수 있습니까?
가장 일반적인 형태로 이 작업은 다음과 같습니다. 우리는 어느 정도 속도로 목성의 중력장 속으로 날아갑니다. 그런 다음 우리는 현장 밖으로 날아갑니다. 우리의 속도가 바뀔까요? 그리고 얼마나 변할 수 있나요?
이 문제를 해결해 봅시다.

목성에 있는(또는 질량 중심에 대해 움직이지 않는) 관찰자의 관점에서 볼 때 우리의 기동은 다음과 같습니다. 첫째, 로켓은 목성으로부터 멀리 떨어져 있으며 속도 V로 목성을 향해 이동합니다. 그런 다음 목성에 접근하면 가속됩니다. 이 경우 로켓의 궤적은 구부러져 있으며 알려진 바와 같이 가장 일반적인 형태는 쌍곡선입니다. 로켓의 최대 속도는 최소 접근 속도입니다. 여기서 가장 중요한 것은 목성에 충돌하는 것이 아니라 목성 옆으로 날아가는 것입니다. 최소 접근 후 로켓은 목성에서 멀어지기 시작하고 속도가 감소합니다. 마지막으로 로켓은 목성의 중력장 밖으로 날아갈 것입니다. 속도는 얼마나 될까요? 도착했을 때와 똑같습니다. 로켓은 속도 V로 목성의 중력장으로 날아갔다가 정확히 같은 속도 V로 날아갔습니다. 달라진 점이 있나요? 아니요, 바뀌었습니다. 속도의 방향이 변경되었습니다. 그건 중요해. 덕분에 우리는 중력 기동을 할 수 있다.

우리는 네 가지 속도를 가지고 있습니다. U(1)은 중력 이동 전 태양에 대한 로켓의 속도입니다. V(1)은 중력 기동 전 목성에 대한 로켓의 상대적인 속도입니다. V(2)는 중력 기동 후 목성에 대한 로켓의 상대적인 속도입니다. 크기 V(1)과 V(2)는 동일하지만 방향에서는 서로 다릅니다. U(2)는 중력 이동 후 태양에 대한 로켓의 상대 속도입니다. 이 네 가지 속도가 모두 서로 어떻게 관련되어 있는지 알아보기 위해 그림을 살펴보겠습니다.

녹색 화살표 AO는 궤도에서 목성의 이동 속도입니다. 빨간색 화살표 AB는 U(1)입니다. 즉, 중력 기동 전 태양에 대한 로켓의 상대적인 속도입니다. 노란색 화살표 OB는 중력 기동 전 목성에 대한 로켓의 속도입니다. 노란색 화살표 OS는 중력 기동 후 목성을 기준으로 한 로켓의 속도입니다. 이 속도는 반경 OB의 노란색 원 어딘가에 있어야 합니다. 좌표계에서 목성은 로켓의 속도 값을 변경할 수 없고 특정 각도(알파)만큼만 회전할 수 있기 때문입니다. 그리고 마지막으로 AC는 우리에게 필요한 것입니다. 중력 기동 이후 로켓의 속도 U(2)입니다.

중력 조종의 본질을 더 잘 이해하기 위해 1979년 7월 9일 목성 근처를 비행한 보이저 2호의 예를 통해 살펴보겠습니다. 그래프(사진 참조)에서 볼 수 있듯이, 이 별은 10km/초의 속도로 목성에 접근했고, 20km/초의 속도로 중력장을 벗어나 날아갔습니다. 숫자는 10과 20 두 개뿐입니다.
다음 숫자에서 얼마나 많은 정보를 추출할 수 있는지 놀라게 될 것입니다.
1. 보이저 2호가 지구의 중력장을 떠날 때의 속도를 계산해 보겠습니다.
2. 장치가 목성의 궤도에 접근한 각도를 찾아봅시다.
3. 보이저 2호가 목성까지 날아간 최소 거리를 계산해 봅시다.
4. 목성에 있는 관찰자를 기준으로 그 궤적이 어떻게 생겼는지 알아봅시다.
5. 우주선이 목성을 만난 후 이탈한 각도를 찾아봅시다.

우리는 복잡한 공식을 사용하지 않고 평소처럼 "손가락으로" 계산을 수행하며 때로는 간단한 그림을 사용하여 계산합니다. 그러나 우리가 받는 답변은 정확할 것입니다. 숫자 10과 20이 정확하지 않을 수 있으므로 아마도 정확하지 않을 것이라고 가정해 보겠습니다. 그래프에서 가져와 반올림됩니다. 또한 사용할 다른 숫자도 반올림됩니다. 결국, 중력 조작을 이해하는 것이 중요합니다. 따라서 우리는 숫자 10과 20을 정확한 것으로 간주하여 기반을 마련할 것입니다.

1번 문제를 풀어보자.
1km/초의 속도로 움직이는 보이저 2호의 에너지는 1단위라는 데 동의합시다. 목성 궤도에서 태양계를 벗어나는 최소 속도는 18km/초입니다. 이 속도의 그래프는 사진에 있고, 이런 위치에 있습니다. 목성의 궤도 속도(약 13km/초)에 2의 루트를 곱해야 합니다. 보이저 2호가 목성에 접근할 때 속도가 18km/초(에너지 324 단위)라면 태양 중력장의 총 에너지(운동 에너지와 전위 에너지의 합)는 정확히 0이 됩니다. 하지만 보이저 2호의 속도는 10km/초에 불과했고, 에너지는 100단위였다. 즉, 다음 금액만큼 적습니다.
324-100 = 224개 단위.
이러한 에너지 부족은 보이저 2호가 지구에서 목성으로 이동함에 따라 발생합니다.
지구 궤도에서 태양계를 벗어나는 최소 속도는 약 42km/초(약간 더 높음)입니다. 그것을 찾으려면 지구의 궤도 속도(약 30km/초)에 2의 루트를 곱해야 합니다. 보이저 2호가 지구에서 42km/초의 속도로 이동하고 있다면 운동 에너지는 1764단위(42제곱)이고 총 운동 에너지는 0이 됩니다. 이미 알아낸 바와 같이 보이저 2호의 에너지는 224 단위가 적었습니다. 즉, 1764 - 224 = 1540 단위였습니다. 우리는 이 숫자의 근을 취하여 보이저 2호가 지구 중력장을 벗어나 날아갈 때의 속도인 39.3km/초를 알아냈습니다.

우주선이 지구에서 태양계 외부로 발사되면 일반적으로 지구의 궤도 속도를 따라 발사됩니다. 이 경우 지구의 이동 속도가 장치의 속도에 추가되어 에너지가 크게 증가합니다.

속도 방향 문제는 어떻게 해결됩니까? 매우 간단합니다. 그들은 지구가 궤도의 원하는 부분에 도달하여 속도의 방향이 필요한 방향이 될 때까지 기다립니다. 화성으로 로켓을 발사할 때 발사가 매우 편리한 시간에 작은 "창"이 있다고 가정해 보겠습니다. 어떤 이유로 출시가 실패했다면 다음 시도는 2년 이내에 이루어지지 않을 것이라고 확신할 수 있습니다.

지난 세기의 70년대 말에 거대한 행성들이 특정 순서로 정렬되었을 때 많은 과학자들과 천체 역학 전문가들은 이 행성의 위치에서 행복한 사고를 활용할 것을 제안했습니다. 최소한의 비용으로 그랜드 투어(모든 거대 행성을 한 번에 여행)를 수행하는 방법에 대한 프로젝트가 제안되었습니다. 성공적으로 완료되었습니다.
무제한의 자원과 연료 공급이 있다면 우리는 원할 때마다 원하는 곳 어디든 날아갈 수 있습니다. 하지만 에너지를 절약해야 하기 때문에 과학자들은 에너지 효율적인 비행만 수행합니다. 보이저 2호는 지구의 운동 방향을 따라 발사되었음을 확인할 수 있습니다.
앞서 계산한 대로 태양에 대한 상대 속도는 39.3km/초였습니다. 보이저 2호가 목성에 도달했을 때 속도는 10km/초로 떨어졌습니다. 그녀는 어디로 향하고 있었나요?
이 속도를 목성의 궤도 속도에 투영하는 것은 각운동량 보존 법칙에서 찾을 수 있습니다. 목성의 궤도 반경은 지구 궤도의 5.2배입니다. 즉, 39.3km/초를 5.2로 나누어야 합니다. 우리는 7.5km/초를 얻습니다. 즉, 필요한 각도의 코사인은 7.5km/초(보이저 속도의 투영)를 10km/초(보이저 속도)로 나눈 값과 같으며 0.75를 얻습니다. 그리고 각도 자체는 41도입니다. 이 각도에서 보이저 2호는 목성 궤도에 접근했습니다.

보이저 2호의 속도와 이동 방향을 알면 중력 조종에 대한 기하학적 다이어그램을 그릴 수 있습니다. 이렇게 끝났습니다. 점 A를 선택하고 그로부터 목성의 궤도 속도 벡터(선택한 축척에서 13km/초)를 그립니다. 이 벡터의 끝(녹색 화살표)은 문자 O로 지정됩니다(사진 1 참조). 그런 다음 지점 A에서 41도 각도로 Voyager 2의 속도 벡터(선택한 척도에서 10km/초)를 그립니다. 이 벡터의 끝(빨간색 화살표)은 문자 B로 지정됩니다.
이제 점 O에 중심을 두고 반경 |OB|를 갖는 원(노란색)을 구성합니다. (사진 2 참조). 중력 조작 전후의 속도 벡터의 끝은 이 원에만 있을 수 있습니다. 이제 A 지점을 중심으로 반경이 20km/초(선택한 척도 기준)인 원을 그립니다. 이는 중력 조종 후 보이저의 속도입니다. 어떤 지점 C에서 노란색 원과 교차합니다.

우리는 보이저 2호가 1979년 7월 9일에 수행한 중력 기동을 계획했습니다. AO는 목성의 궤도 속도의 벡터입니다. AB는 보이저 2호가 목성에 접근한 속도 벡터입니다. 각도 OAB는 41도입니다. AC는 중력 보조 기동 이후 보이저 2호의 속도 벡터입니다. 도면에서 각도 OAC가 약 20도(각도 OAB의 절반)임을 알 수 있습니다. 원하는 경우 도면의 모든 삼각형이 제공되므로 이 각도를 정확하게 계산할 수 있습니다.
OB는 목성의 관찰자의 관점에서 보이저 2호가 목성에 접근한 속도 벡터입니다. OS는 목성의 관측자를 기준으로 한 기동 후 보이저의 속도 벡터입니다.

목성이 자전하지 않고 당신이 아태양 측(태양이 천정에 있음)에 있다면 보이저 2호가 서쪽에서 동쪽으로 이동하는 것을 볼 수 있습니다. 처음에는 하늘의 서쪽 부분에 나타났다가 다가와 천정에 도달하여 태양 옆으로 날아간 다음 동쪽 지평선 뒤로 사라졌습니다. 그림에서 볼 수 있듯이 속도 벡터는 약 90도(각도 알파)만큼 회전했습니다.

엄청난 에너지 소비와 관련이 있습니다. 예를 들어, 발사대에 서서 발사 준비를 하고 있는 소유즈 발사체의 무게는 307톤이며, 그 중 270톤 이상이 연료, 즉 가장 큰 비중을 차지합니다. 우주 공간에서 이동하는 데 엄청난 양의 에너지를 소비해야 하는 필요성은 주로 태양계의 먼 곳을 탐험하는 데 어려움을 겪는 것과 관련이 있습니다.

불행하게도 이 방향의 기술적 혁신은 아직 기대되지 않습니다. 추진체 질량은 우주 임무를 계획할 때 여전히 핵심 요소로 남아 있으며 엔지니어들은 연료를 절약하여 임무 수명을 연장할 수 있는 모든 기회를 활용합니다. 돈을 절약하는 한 가지 방법은 중력 조종입니다.

우주에서 비행하는 방법과 중력이란 무엇입니까?

공기가 없는 공간(프로펠러나 바퀴 등으로 밀어낼 수 없는 환경)에서 차량을 이동시키는 원리는 지구상에서 제조되는 모든 종류의 로켓 엔진에 동일합니다. 이것은 제트 추력입니다. 제트 엔진의 힘은 중력에 의해 상쇄됩니다. 물리학 법칙과의 싸움은 1957년 소련 과학자들이 승리했습니다. 역사상 처음으로 인간이 만든 장치가 최초의 우주 속도(약 8km/s)를 획득하여 지구의 인공위성이 되었습니다.

무게가 80kg이 조금 넘는 장치를 저지구 궤도로 발사하려면 철, 전자 제품, 정제된 등유 및 액체 산소 약 170톤(위성을 궤도로 운반한 R-7 로켓의 무게)이 필요했습니다.

우주의 모든 법칙과 원리 중에서 중력은 아마도 주요한 것 중 하나일 것입니다. 그것은 소립자, 원자, 분자의 구조부터 은하계의 움직임에 이르기까지 모든 것을 지배합니다. 우주탐사에도 걸림돌이 된다.

연료뿐만 아니라

최초의 인공 지구 위성이 발사되기 전에도 과학자들은 로켓의 크기와 엔진 출력을 높이는 것뿐만 아니라 성공의 열쇠가 될 수 있다는 것을 분명히 이해했습니다. 연구자들은 지구 대기권을 넘어서는 연료 집약적 비행이 얼마나 중요한지를 보여주는 계산 및 실제 테스트 결과를 통해 그러한 트릭을 찾도록 유도되었습니다. 소련 설계자들이 내린 첫 번째 결정은 우주 비행장 건설 장소를 선택하는 것이었습니다.

설명해보자. 인공지구 위성이 되려면 로켓의 속도가 8km/s로 빨라야 합니다. 그러나 우리 행성 자체는 계속해서 움직이고 있습니다. 적도에 위치한 모든 지점은 초당 460미터 이상의 속도로 회전합니다. 따라서 영도 평행 지역에서 발사된 로켓 자체는 초당 거의 0.5km의 자유 속도를 갖게 됩니다.

그렇기 때문에 소련의 넓은 지역에서 더 남쪽에 있는 장소를 선택했습니다(바이코누르의 일일 회전 속도는 약 280m/s입니다). 발사체에 대한 중력의 영향을 줄이는 것을 목표로 하는 훨씬 더 야심찬 프로젝트가 1964년에 나타났습니다. 그것은 이탈리아인들이 두 곳에서 조립하고 적도에 위치한 최초의 해군 우주 정거장 "San Marco"였습니다. 이후 이 원칙은 오늘날까지 상업용 위성을 성공적으로 발사하는 국제 해상 발사 프로젝트의 기초가 되었습니다.

누가 먼저였나요?

장거리 우주 임무는 어떻습니까? 소련의 과학자들은 비행 경로를 변경하기 위해 우주체의 중력을 사용하는 선구자였습니다. 우리가 알고 있듯이 우리 자연 위성의 반대편은 소련의 Luna-1 우주선에 의해 처음으로 촬영되었습니다. 달 주위를 비행한 후 장치가 북반구를 향할 수 있도록 지구로 돌아올 시간을 갖는 것이 중요했습니다. 결국 정보(수신된 사진 이미지)는 사람들에게 전송되어야 했고, 추적국과 라디오 안테나 접시는 정확히 북반구에 위치해 있었습니다.

미국 과학자들은 우주선의 궤적을 변경하기 위해 중력 조작을 사용하는 데 성공했습니다. 행성 간 로봇 우주선 마리너 10호는 금성 근처를 비행한 후 더 낮은 태양 궤도로 이동하고 수성을 탐사하기 위해 속도를 줄여야 했습니다. 이 기동을 위해 엔진의 제트 추력을 사용하는 대신 금성의 중력장에 의해 차량의 속도가 느려졌습니다.

작동 원리

아이작 뉴턴이 실험적으로 발견하고 확인한 만유인력의 법칙에 따르면 질량을 가진 모든 물체는 서로 끌어당깁니다. 이 매력의 강도는 쉽게 측정되고 계산됩니다. 이는 두 몸체의 질량과 두 몸체 사이의 거리에 따라 달라집니다. 가까울수록 강해집니다. 게다가 물체가 서로 가까워질수록 끌어당기는 힘은 기하급수적으로 커집니다.

그림은 큰 우주체(특정 행성) 근처를 비행하는 우주선이 어떻게 궤도를 바꾸는지 보여줍니다. 더욱이, 거대한 물체로부터 가장 멀리 날아가는 장치 번호 1의 이동 과정은 아주 약간 변합니다. 장치 번호 6에 대해서도 마찬가지입니다. 소행성은 비행 방향을 근본적으로 바꿉니다.

중력 슬링이란 무엇입니까? 어떻게 작동하나요?

중력 조종을 사용하면 우주선의 이동 방향을 변경할 수 있을 뿐만 아니라 속도도 조정할 수 있습니다.

그림은 일반적으로 가속하는 데 사용되는 우주선의 궤적을 보여줍니다. 이러한 기동의 작동 원리는 간단합니다. 빨간색으로 강조 표시된 궤적 부분에서 장치는 도망가는 행성을 따라잡는 것처럼 보입니다. 훨씬 더 거대한 몸체는 중력에 의해 더 작은 몸체를 끌어당겨 가속시킵니다.

그건 그렇고, 우주선 만이 이런 식으로 가속되는 것은 아닙니다. 별에 묶이지 않은 천체가 힘차게 은하계를 돌아 다니는 것으로 알려져 있습니다. 이것들은 상대적으로 작은 소행성(그런데 그 중 하나는 현재 태양계를 방문하고 있음)과 적당한 크기의 소행성일 수 있습니다. 천문학자들은 중력 슬링, 즉 더 큰 우주체의 영향으로 덜 질량이 큰 물체를 시스템 경계 너머로 던져서 빈 공간의 얼음처럼 추운 곳에서 영원히 방황하게 만드는 것이라고 믿습니다.

속도를 줄이는 방법

그러나 우주선의 중력 조종을 사용하면 속도를 높이는 것뿐만 아니라 움직임을 줄이는 것도 가능합니다. 이러한 제동의 다이어그램이 그림에 나와 있습니다.

빨간색으로 강조 표시된 궤적 부분에서는 중력 슬링이 있는 버전과 달리 행성의 중력으로 인해 차량의 움직임이 느려집니다. 결국 중력 벡터와 선박의 비행 방향은 반대입니다.

이것은 어떤 경우에 사용되나요? 주로 연구 중인 행성의 궤도에 자동 행성 간 관측소를 발사하고 태양 주위 지역을 연구하는 데 사용됩니다. 사실 태양을 향해 또는 예를 들어 발광체에 가장 가까운 행성 수성을 향해 이동할 때 속도를 늦추는 조치를 취하지 않으면 모든 장치가 무작정 가속됩니다. 우리 별은 엄청난 질량과 엄청난 중력을 가지고 있습니다. 과도한 속도를 얻은 우주선은 태양계에서 가장 작은 행성인 수성의 궤도에 진입할 수 없습니다. 배는 그냥 지나갈 것입니다. 아기 머큐리는 배를 충분히 강하게 당길 수 없습니다. 제동에는 모터를 사용할 수 있습니다. 그러나 예를 들어 달과 금성에서 중력 기동을 통해 태양을 향한 비행 경로는 로켓 추력의 사용을 최소화합니다. 이는 연료가 덜 필요하다는 것을 의미하며, 자유 중량을 사용하여 추가 연구 장비를 수용할 수 있습니다.

바늘귀에 빠지다

첫 번째 중력 기동이 소심하고 머뭇거렸다면 최신 행성 간 우주 임무의 경로는 거의 항상 중력 조정을 통해 계획됩니다. 문제는 이제 컴퓨터 기술의 발전과 태양계 몸체, 주로 질량과 밀도에 대한 정확한 데이터의 가용성 덕분에 천체 물리학자가 더 정확한 계산에 접근할 수 있다는 것입니다. 그리고 중력 조작을 매우 정확하게 계산하는 것이 필요합니다.

기동 챔피언

작동 중에 장치는 토성, 목성, 천왕성 및 해왕성을 방문했습니다. 비행 내내 태양의 중력이 작용하여 배가 점차 멀어졌습니다. 그러나 잘 계산된 중력 기동 덕분에 각 행성의 속도는 감소하지 않고 증가했습니다. 탐사된 각 행성에 대해 중력 새총의 원리에 따라 경로가 구축되었습니다. 중력 보정을 사용하지 않았다면 보이저호는 지금까지 보내질 수 없었을 것입니다.

보이저(Voyager) 외에도 로제타(Rosetta)나 뉴 호라이즌스(New Horizons)와 같은 잘 알려진 임무를 수행하기 위해 중력 기동이 사용되었습니다. 따라서 "로제타"는 추류모프-게라시멘코 혜성을 찾기 위해 출발하기 전에 지구와 화성 근처에서 무려 4번의 가속 중력 기동을 수행했습니다.

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서적

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우주로 가자! 발견 및 업적, Klimentov Vyacheslav Lvovich, Sigorskaya Yulia Aleksandrovna. 인간은 고대부터 땅을 벗어나 하늘을 정복하고 우주를 정복하는 꿈을 꾸어왔습니다. 100여년 전, 발명가들은 이미 우주선을 만들 생각을 하고 있었지만 우주의 시작은...