Les vols de vaisseaux spatiaux impliquent une énorme consommation d'énergie. Par exemple, le lanceur Soyouz, debout sur la rampe de lancement et prêt à être lancé, pèse 307 tonnes, dont plus de 270 tonnes de carburant, soit la part du lion. La nécessité de dépenser une quantité folle d'énergie pour se déplacer dans l'espace est en grande partie liée aux difficultés de maîtriser les confins du système solaire.
Malheureusement, une percée technique dans cette direction n'est pas encore attendue. La masse d'ergols reste l'un des facteurs clés dans la planification des missions spatiales, et les ingénieurs saisissent toutes les occasions d'économiser du carburant afin de prolonger le fonctionnement de l'engin. Les manœuvres de gravité sont un moyen d'économiser de l'argent.
Comment voler dans l'espace et qu'est-ce que la gravité
Le principe de déplacement de l'appareil dans le vide (un environnement d'où il est impossible de le repousser soit avec une hélice, soit avec des roues, soit avec quoi que ce soit d'autre) est le même pour tous les types de moteurs-fusées fabriqués sur Terre. C'est la poussée du jet. La gravité s'oppose à la puissance d'un moteur à réaction. Cette bataille contre les lois de la physique a été gagnéeScientifiques soviétiques en 1957. Pour la première fois dans l'histoire, un appareil fabriqué par des mains humaines, ayant acquis la première vitesse cosmique (environ 8 km/s), est devenu un satellite artificiel de la planète Terre.
Il a fallu environ 170 tonnes de fer, d'électronique, de kérosène purifié et d'oxygène liquide pour lancer un appareil pesant un peu plus de 80 kg en orbite terrestre basse.
De toutes les lois et principes de l'univers, la gravité est peut-être l'une des principales. Elle régit tout, en commençant par l'arrangement des particules élémentaires, atomes, molécules et en terminant par le mouvement des galaxies. C'est aussi un obstacle à l'exploration spatiale.
Pas que du carburant
Même avant le lancement du premier satellite artificiel de la Terre, les scientifiques ont clairement compris que non seulement l'augmentation de la taille des fusées et la puissance de leurs moteurs pouvaient être la clé du succès. Les chercheurs ont été incités à rechercher de telles astuces par les résultats de calculs et de tests pratiques, qui ont montré à quel point les vols en dehors de l'atmosphère terrestre consomment du carburant. La première décision de ce type pour les concepteurs soviétiques a été le choix du site pour la construction du cosmodrome.
Expliquons-nous. Pour devenir un satellite artificiel de la Terre, la fusée doit accélérer à 8 km/s. Mais notre planète elle-même est en mouvement constant. Tout point situé sur l'équateur tourne à une vitesse supérieure à 460 mètres par seconde. Ainsi, une fusée lancée dans l'espace sans air dans la zone du parallèle zéro sera en elle-mêmeavoir libre près d'un demi-kilomètre par seconde.
C'est pourquoi, dans les vastes étendues de l'URSS, un endroit au sud a été choisi (la vitesse de rotation quotidienne à Baïkonour est d'environ 280 m/s). Un projet encore plus ambitieux visant à réduire l'effet de la gravité sur le lanceur apparaît en 1964. C'était le premier cosmodrome marin "San Marco", assemblé par les Italiens à partir de deux plates-formes de forage et situé sur l'équateur. Plus tard, ce principe a constitué la base du projet international Sea Launch, qui lance avec succès des satellites commerciaux à ce jour.
Qui était le premier
Qu'en est-il des missions dans l'espace lointain ? Les scientifiques de l'URSS ont été les premiers à utiliser la gravité des corps cosmiques pour modifier la trajectoire de vol. L'envers de notre satellite naturel, comme vous le savez, a été photographié pour la première fois par l'appareil soviétique Luna-1. Il était important qu'après avoir volé autour de la lune, l'appareil ait le temps de revenir sur la Terre afin qu'il soit tourné vers elle par l'hémisphère nord. Après tout, les informations (les images photographiques reçues) devaient être transmises aux personnes, et les stations de repérage, les antennes paraboliques radio étaient situées précisément dans l'hémisphère nord.
Aucun moins réussi à utiliser des manœuvres gravitationnelles pour modifier la trajectoire de l'engin spatial par des scientifiques américains. Le vaisseau spatial automatique interplanétaire "Mariner 10" après un survol près de Vénus a dû réduire la vitesse afin d'entrer dans une orbite circumsolaire inférieure etexplorer Mercure. Au lieu d'utiliser la poussée des moteurs pour cette manœuvre, la vitesse du véhicule a été ralentie par le champ gravitationnel de Vénus.
Comment ça marche
Selon la loi de la gravitation universelle, découverte et confirmée expérimentalement par Isaac Newton, tous les corps ayant une masse s'attirent. La force de cette attraction est facilement mesurable et calculable. Cela dépend à la fois de la masse des deux corps et de la distance qui les sépare. Le plus proche, le plus fort. De plus, à mesure que les corps se rapprochent, la force d'attraction augmente de façon exponentielle.
La figure montre comment les engins spatiaux, volant à proximité d'un grand corps cosmique (une planète), modifient leur trajectoire. De plus, le cours du mouvement de l'appareil sous le numéro 1, volant le plus loin de l'objet massif, change très légèrement. Que ne peut-on pas dire à propos de l'appareil numéro 6. Le planétoïde change radicalement de direction de vol.
Qu'est-ce qu'une élingue à gravité ? Comment ça marche
L'utilisation des manœuvres de gravité permet non seulement de changer la direction du vaisseau spatial, mais aussi d'ajuster sa vitesse.
La figure montre la trajectoire d'un vaisseau spatial, généralement utilisé pour l'accélérer. Le principe de fonctionnement d'une telle manœuvre est simple: dans la section de la trajectoire surlignée en rouge, l'appareil semble rattraper la planète qui s'en éloigne. Un corps beaucoup plus massif tire un corps plus petit avec sa force de gravité, le dispersant.
Au fait, il n'y a pas que les vaisseaux spatiaux qui sont accélérés de cette façon. On sait que les corps célestes qui ne sont pas liés aux étoiles parcourent la galaxie avec force et force. Il peut s'agir à la fois d'astéroïdes relativement petits (dont l'un, soit dit en passant, visite actuellement le système solaire) et de planétoïdes de taille décente. Les astronomes pensent que c'est la fronde gravitationnelle, c'est-à-dire l'impact d'un corps cosmique plus grand, qui projette des objets moins massifs hors de leurs systèmes, les condamnant à des errances éternelles dans le froid glacial de l'espace vide.
Comment ralentir
Mais, en utilisant les manœuvres gravitationnelles des engins spatiaux, vous pouvez non seulement accélérer, mais aussi ralentir leur mouvement. Le schéma d'un tel freinage est illustré sur la figure.
Sur la section de la trajectoire surlignée en rouge, l'attraction de la planète, contrairement à la variante avec une fronde gravitationnelle, ralentira le mouvement de l'appareil. Après tout, le vecteur de gravité et la direction de vol du navire sont opposés.
Quand est-il utilisé ? Principalement pour lancer des stations interplanétaires automatiques sur les orbites des planètes étudiées, ainsi que pour étudier les régions proches du soleil. Le fait est que lorsque vous vous dirigez vers le Soleil ou, par exemple, vers la planète Mercure la plus proche de l'étoile, tout appareil, si vous n'appliquez pas de mesures de freinage, accélère bon gré mal gré. Notre étoile a une masse incroyable et une force d'attraction énorme. Un vaisseau spatial qui a pris une vitesse excessive ne pourra pas entrer dans l'orbite de Mercure, la plus petite planète de la famille solaire. Le navire passera juste à traverspar, le petit Mercure ne peut pas le tirer assez fort. Les moteurs peuvent être utilisés pour le freinage. Mais une trajectoire gravitationnelle vers le Soleil, disons vers la Lune puis Vénus, minimiserait l'utilisation de la propulsion par fusée. Cela signifie que moins de carburant sera nécessaire et que le poids libéré pourra être utilisé pour accueillir des équipements de recherche supplémentaires.
Mettez-vous dans le chas d'une aiguille
Alors que les premières manœuvres gravitationnelles étaient menées avec timidité et hésitation, les itinéraires des dernières missions spatiales interplanétaires sont presque toujours planifiés avec des ajustements gravitationnels. Le fait est que maintenant les astrophysiciens, grâce au développement de la technologie informatique, ainsi qu'à la disponibilité des données les plus précises sur les corps du système solaire, principalement leur masse et leur densité, disposent de calculs plus précis. Et il est nécessaire de calculer la manœuvre de gravité de manière extrêmement précise.
Ainsi, établir une trajectoire plus éloignée de la planète que nécessaire se heurte au fait que des équipements coûteux ne voleront pas du tout là où ils étaient prévus. Et la sous-estimation de la masse peut même menacer la collision du navire avec la surface.
Champion des manœuvres
Ceci, bien sûr, peut être considéré comme le deuxième vaisseau spatial de la mission Voyager. Lancé en 1977, l'appareil quitte actuellement son système stellaire natif et se retire dans l'inconnu.
Au cours de son fonctionnement, l'appareil a visité Saturne, Jupiter, Uranus et Neptune. Tout au long du vol, l'attraction du Soleil a agi sur lui, d'où le navire s'est progressivement éloigné. Mais, grâce à la gravitation bien calculéemanœuvres, pour chacune des planètes, sa vitesse n'a pas diminué, mais a augmenté. Pour chaque planète explorée, la route a été construite sur le principe d'une fronde gravitationnelle. Sans l'application de la correction gravitationnelle, Voyager n'aurait pas pu l'envoyer aussi loin.
Outre les Voyagers, des manœuvres gravitationnelles ont été utilisées pour lancer des missions aussi connues que Rosetta ou New Horizons. Ainsi, Rosetta, avant de partir à la recherche de la comète Churyumov-Gerasimenko, a effectué jusqu'à 4 manœuvres gravitationnelles d'accélération près de la Terre et de Mars.
