Гравитационный манёвр — разгон, замедление или изменение направления полёта космического аппарата под действием гравитационных полей небесных тел. Обычно используется для экономии топлива и дополнительного разгона автоматических межпланетных станций при полётах к дальним планетам Солнечной системы.

Наиболее выгодны гравитационные манёвры у планет-гигантов, но нередко используются манёвры у Венеры, Земли, Марса и даже Луны.

Физическая суть процесса

Рассмотрим траекторию космического аппарата, пролетающего вблизи какого-нибудь большого небесного тела, например, Юпитера. В начальном приближении мы можем пренебречь действием на космический аппарат гравитационных сил от других небесных тел.

В системе отсчёта, связанной с Юпитером, космический аппарат разгоняется, проходит точку с минимальным расстоянием до планеты, а потом замедляется. Общая траектория космического аппарата представляет собой гиперболу, причём скорости до и после манёвра совпадают — с точки зрения наблюдателя, находящегося на Юпитере, никакого приращения скорости КА не происходит, только изменение направления его движения.

Теперь посмотрим на ту же ситуацию в системе отсчёта, связанной с Солнцем. В этой системе отсчёта планета движется по орбите (в случае Юпитера, со скоростью более 13 км/с), поэтому скорость космического аппарата относительно Солнца может измениться. Юпитер увлекает КА за собой в своём движении по орбите, добавляя ему часть скорости своего орбитального движения. Чем больше масса планеты, тем бо́льшая часть скорости орбитального движения может быть передана КА. Именно поэтому гравитационные манёвры у Юпитера гораздо выгоднее, чем таковые у Марса, хотя скорость орбитального движения Марса почти вдвое выше, чем у Юпитера. Поскольку при этом происходит также и изменение направления движения КА, то модуль вектора приращения скорости может значительно превосходить орбитальную скорость движения планеты.

Таким образом, без затрат топлива можно изменить кинетическую энергию космического аппарата. Фактически, следует говорить о перераспределении кинетической энергии движения планеты и космического аппарата. Насколько возрастает (убывает) кинетическая энергия аппарата, настолько же падает (возрастает) кинетическая энергия движения планеты по её орбите. Поскольку масса искусственного космического аппарата исчезающе мала в сравнении с массой планеты (даже Луны), то изменения параметров орбиты планеты при этом оказываются исчезающе малыми, и ими можно полностью пренебречь. Например, если аппарат массой 1000 кг получает в поле тяготения Луны изменение скорости своего движения на 1 км/с, то скорость движения Луны по орбите вокруг Земли изменится лишь на несколько миллиардных долей ангстрема в секунду (то есть несколько миллиардных долей поперечника атома водорода). Другие тела Солнечной системы на движение Луны влияют на несколько порядков сильнее.

Максимально возможные приращения скорости, км/с:

Эффект Оберта

Под гравитационным манёвром иногда понимается комбинированный способ ускорения космических аппаратов (эффект Оберта). Суть данного способа заключается в том, что при выполнении гравитационного манёвра в «нижней» части траектории аппарат включает двигатель и сжигает топливо, получая дополнительное ускорение и переводя таким образом энергию топлива в кинетическую энергию корабля. Кроме того, за счёт этого при «подъёме» аппарата из гравитационного колодца^[en] планеты его кинетическая энергия не тратится на увеличение потенциальной энергии сожжённого топлива, что позволяет получить дополнительный выигрыш в скорости.

Примеры использования

Впервые в мире осуществлён в 1959 году во время полёта КА Луна-3 — автоматической станции, которая передала первые изображения обратной стороны Луны. Изменение орбиты было рассчитано так, чтобы аппарат при возвращении к Земле снова пролетел над Северным полушарием, где были расположены советские наблюдательные станции^[1][2].

В 1974 году гравитационный манёвр использовал космический аппарат Маринер-10 — было произведено сближение с Венерой, после которого аппарат направился к Меркурию.

За счёт гравитационных манёвров скорость «Вояджера-1» (≈17 км/с) в марте 2011 года была выше, чем текущая скорость «Новых горизонтов» (≈15,9 км/с), хотя после старта с Земли скорость последнего была самой высокой для рукотворных объектов (16,21 км/с^[3]).

Сложную комбинацию гравитационных манёвров использовали АМС «Кассини» (для разгона аппарат использовал гравитационное поле трёх планет — Венеры (дважды), Земли и Юпитера) и «Розетта» (четыре гравитационных манёвра около Земли и Марса).

В искусстве

• Художественное описание подобного манёвра можно встретить в фантастическом романе А. Кларка «2010: Одиссея 2».
• В научно-фантастическом фильме «Интерстеллар» орбитальной станции «Эндюранс» не хватает топлива для достижения третьей планеты, находящейся рядом с чёрной дырой «Гаргантюа» (названой в честь литературного великана-обжоры). Главный герой Купер предпринимает рискованный шаг: «Эндюранс» должна пройти поблизости от горизонта событий Гаргантюа, тем самым придав станции ускорение за счёт притяжения чёрной дыры.
• В научно-фантастическом романе «Марсианин» и одноимённом фильме, используя гравитационный манёвр вокруг Земли, команда разворачивает с ускорением корабль «Гермес» для повторного полёта на Марс.

См. также

• Пролётная аномалия (аномалия сближения)^[4]

Примечания