bhagovan_narcom (bhagovan_narcom) wrote in astronomy_ru,
bhagovan_narcom
bhagovan_narcom
astronomy_ru

Category:

Гравитационный маневр и происхождение комет (Из блога Василия Янчилина)

Оригинал взят у bhagovan_narcom в Гравитационный маневр и происхождение комет (Из блога Василия Янчилина)

Общепринятый взгляд

В Солнечной системе есть особенные тела – кометы.
Комета – это небольшое тело размером несколько километров. В отличие от обычного астероида в состав кометы входят различные льды: водяной, углекислый, метановый и другие. Когда комета попадает внутрь орбиты Юпитера, эти льды начинают быстро испаряться, покидают вместе с пылью поверхность кометы и образуют так называемую кому – газопылевое облако, окружающее твёрдое ядро. Это облако простирается на сотни тысяч километров от ядра. Благодаря отражённому солнечному свету комета (не сама, а только облако) становится видимой. А благодаря световому давлению часть облака вытягивается в так называемый хвост, который тянется от кометы на многие миллионы километров (см. фото 2). Из-за очень слабой гравитации всё вещество комы и хвоста безвозвратно теряется. Поэтому пролетая вблизи Солнца, комета может потерять несколько процентов своей массы, а иногда и больше. Время её жизни по астрономическим меркам ничтожно.
Откуда же берутся новые кометы?


Согласно традиционной космогонии, они прилетают из так называемого облака Оорта. Общепринято, что на расстоянии ста тысяч астрономических единиц от Солнца (половина расстояния до ближайшей звезды) находится огромный резервуар комет. Ближайшие звёзды периодически возмущают этот резервуар, и тогда орбиты некоторых комет изменяются так, что их перигелий оказывается вблизи Солнца, газы на её поверхности начинают испаряться, образуя огромную кому и хвост, и комета становится видимой в телескоп, а иногда и невооружённым взглядом. На фотографии знаменитая Большая комета Хейла-Боппа, в 1997 году.

Как же образовалось облако Оорта? Общепринятый ответ такой. В самом начале формирования Солнечной системы в области планет-гигантов образовалось множество ледяных тел диаметром десять и более километров. Некоторые из них вошли в состав планет-гигантов и их спутников, а некоторые были выброшены на периферию Солнечной системы. Основную роль в этом процессе сыграл Юпитер, но Сатурн, Уран и Нептун также приложили к нему свои гравитационные поля. В самых общих чертах этот процесс выглядел так: комета пролетает вблизи мощного гравитационного поля Юпитера, и он изменяет её скорость так, что она оказывается на периферии Солнечной системы.



Правда, этого недостаточно. Если перигелий кометы будет внутри орбиты Юпитера, а афелий – где-то на периферии, то её период, как нетрудно рассчитать, составит несколько миллионов лет. За время существования Солнечной системы такая комета успеет приблизиться к Солнцу почти тысячу раз и весь её газ, который может испариться, испарится. Поэтому предполагается, что когда комета окажется на периферии, то там возмущения от ближайших звёзд так изменят её орбиту, что перигелий также окажется очень далеко от Солнца.

Итак, получается четырёхступенчатый процесс. 1. Юпитер выбрасывает кусок льда на периферию Солнечной системы. 2. Ближайшая звезда изменяет его орбиту так, что перигелий орбиты также оказывается далеко от Солнца. 3. На такой орбите кусок льда пребывает в целости и сохранности почти несколько миллиардов лет. 4. Другая, проходящая рядом звезда, снова возмущает его орбиту так, что перигелий оказывается вблизи Солнца. В результате, кусок льда прилетает к нам. И мы видим его, как новую комету.

Современным космогонистам всё это кажется вполне правдоподобным. Но так ли это? Давайте внимательно разберём все четыре ступени.

ГРАВИТАЦИОННЫЙ МАНЁВР

Первое знакомство

Впервые я познакомился с гравитационным манёвром в 9-м классе на краевой олимпиаде по физике. Задача была такая.
С Земли стартует ракета со скоростью V (достаточна, чтобы вылететь из поля притяжения). У ракеты есть двигатель с тягой F, который может работать время t. В какой момент времени нужно включить двигатель, чтобы конечная скорость ракеты была максимальная? Сопротивлением воздуха пренебречь.

Сначала мне показалось, что не важно, когда включить двигатель. Ведь вследствие закона сохранения энергии, конечная скорость ракеты должна быть одинаковой в любом случае. Оставалось посчитать конечную скорость ракеты в двух случаях: 1. двигатель включаем в начале, 2. двигатель включаем после вылета из поля притяжения Земли. После чего сравнить результаты и убедиться, что конечная скорость ракеты в обоих случаях одинакова. Но потом я вспомнил, что мощность равна: сила тяги умножить на скорость. Поэтому мощность ракетного двигателя будет максимальна, если включить двигатель сразу на старте, когда скорость ракеты максимальна. Итак, правильный ответ: двигатель включаем сразу же, тогда конечная скорость ракеты будет максимальной.

И хотя я задачу решил правильно, но проблема осталась. Конечная скорость, а, значит, и энергия ракеты ЗАВИСИТ от того, в какой момент времени включить двигатель. Вроде бы явное нарушение закона сохранения энергии. Или нет? В чём тут дело? Энергия должна сохраняться! На все эти вопросы я пытался ответить уже после олимпиады

Сила тяги ракеты ЗАВИСИТ от её скорости. Это важный момент, и его стоит обсудить.
Пусть у нас есть ракета массы М с двигателем, который создаёт тягу силой F. Поместим эту ракету в пустое пространство (вдали от звёзд и планет) и включим двигатель. С каким ускорением будет двигаться ракета? Ответ мы знаем из Второго закона Ньютона: ускорение А равно:
А = F/M

Теперь перейдём в другую инерциальную систему отсчёта, в которой ракета движется с большой скоростью, скажем, 100 км/сек. Чему равно ускорение ракеты в этой системе отсчёта?
Ускорение НЕ ЗАВИСИТ от выбора инерциальной системы отсчёта, поэтому оно будет ТЕМ ЖЕ САМЫМ:
А = F/M
Масса ракеты также не изменяется (100 км/сек это ещё не релятивистский случай), поэтому и сила тяги F будет ТОЙ ЖЕ САМОЙ.
И, следовательно, мощность ракеты ЗАВИСИТ от её скорости. Ведь мощность равна силе, умноженной на скорость. Получается, что если ракета движется со скоростью 100 км/сек, то мощность её двигателя в 100 раз мощнее, чем ТОЧНО ТАКОГО ЖЕ двигателя, находящегося на ракете, движущейся со скоростью 1 км/сек.

На первый взгляд это может показаться странным и даже парадоксальным. Откуда берётся огромная дополнительная мощность? Энергия ведь должна сохраняться!
Давайте разберёмся в этом вопросе.
Ракета всегда движется на реактивной тяге: она выбрасывает в космос различные газы с высокой скоростью. Для определённости предположим, что скорость выброса газов 10 км/сек. Если ракета движется со скоростью 1 км/сек, то её двигатель разгоняет в основном не ракету, а ракетное топливо. Поэтому мощность двигателя по разгону ракеты не высока. А вот если ракета движется со скоростью 10 км/сек, то выброшенное топливо будет ПОКОИТЬСЯ относительно внешнего наблюдателя, то есть, вся мощность двигателя будет тратится на разгон ракеты. А если ракета движется со скоростью 100 км/сек? В этом случае выброшенное топливо будет двигаться со скоростью 90 км/сек. То есть, скорость топлива УМЕНЬШИТСЯ от 100 до 90 км/сек. И ВСЯ разность кинетической энергии топлива в силу закона сохранения энергии будет передана ракете. Поэтому мощность ракетного двигателя при таких скоростях значительно возрастёт.

Проще говоря, у быстро двигающейся ракеты её топливо обладает огромной кинетической энергией. И из этой энергии черпается дополнительная мощность для разгона ракеты.

Теперь осталось сообразить, как это свойство ракеты можно использовать на практике.

Попытка практического применения

Предположим, в недалёком будущем вы собрались лететь на ракете в систему Сатурна на Титан (см. фото 1-3), чтобы исследовать анаэробные формы жизни. Долетели до орбиты Юпитера и выяснилось, что скорость ракеты упала почти до нуля. Не рассчитали как следует траекторию полёта или топливо оказалось контрафактным :) . А может, метеорит попал в топливный отсек, и почти всё топливо было потеряно. Что делать?

У ракеты есть двигатель и остался небольшой запас горючего. Но максимум, на что способен двигатель – увеличить скорость ракеты на 1 км/сек. Этого явно недостаточно, чтобы долететь до Сатурна. И вот пилот предлагает такой вариант.
«Входим в поле притяжения Юпитера и падаем на него. В результате Юпитер разгоняет ракету до огромной скорости – примерно 60 км/сек. Когда ракета разгонится до этой скорости, включаем двигатель. Мощность двигателя при такой скорости возрастёт многократно. Затем вылетаем из поля притяжения Юпитера. В результате такого гравитационного манёвра скорость ракеты возрастает не на 1 км/сек, а значительно больше. И мы сможем долететь до Сатурна».
Но кто-то возражает.
«Да, мощность ракеты вблизи Юпитера возрастёт. Ракета получит дополнительную энергию. Но, вылетая из поля притяжения Юпитера, мы всю эту дополнительную энергию потеряем. Энергия должна остаться в потенциальной яме Юпитера, иначе будет что-то вроде вечного двигателя, а это невозможно. Поэтому пользы от гравитационного манёвра не будет. Только зря время потратим».

Итак, ракета находится недалеко от Юпитера и почти неподвижна относительно него. У ракеты есть двигатель с топливом, которого хватит, чтобы увеличить скорость ракеты только на 1 км/сек. Чтобы повысить КПД двигателя, предлагается совершить гравитационный манёвр: «уронить» ракету на Юпитер. Она будет двигаться в его поле притяжения по параболе (см. фото). И в самой низкой точке траектории (помечена красным крестиком на фото) включить двигатель. Скорость ракеты вблизи Юпитера составит 60 км/сек. После того, как двигатель её дополнительно разгонит, скорость ракеты возрастёт до 61 км/сек. Какая скорость будет у ракеты, когда она вылетит из поля притяжения Юпитера?

Эта задача по силам школьнику старших классов, если, конечно, он хорошо знает физику. Сначала нужно написать формулу для суммы потенциальной и кинетической энергий. Затем вспомнить формулу для потенциальной энергии в поле тяготения шара. Посмотреть в справочнике, чему равна гравитационная постоянная, а также масса Юпитера и его радиус. Используя закон сохранения энергии и произведя алгебраические преобразования, получить общую конечную формулу. И наконец, подставив в формулу все числа и проделав вычисления, получить ответ. Я понимаю, что никому (почти никому) не охота вникать в какие-то формулы, поэтому постараюсь, не напрягая вас никакими уравнениями, объяснить решение этой задачи «на пальцах». Надеюсь, получится! :) .

Если ракета неподвижна, её кинетическая энергия равна нулю. А если ракета движется со скоростью 1 км/сек, то будем считать, что её энергия 1 единица. Соответственно, если ракета движется со скоростью 2 км/сек, то её энергия 4 единицы, если 10 км/сек, то 100 единиц и т.д. Это понятно. Половину задачи мы уже решили.
В точке, помеченной крестиком (см. фото), скорость ракеты 60 км/сек, а энергия 3600 единиц. 3600 единиц достаточно, чтобы вылететь из поля притяжения Юпитера. После разгона ракеты её скорость стала 61 км/сек, а энергия, соответственно, 61 в квадрате (берём калькулятор) 3721 единицы. Когда ракета вылетает из поля притяжения Юпитера, она тратит только 3600 единиц. Остаётся 121 единица. Это соответствует скорости (берём корень квадратный) 11 км/сек. Задача решена. Это не приближённый, а ТОЧНЫЙ ответ.

Мы видим, что гравитационный манёвр можно использовать для получения дополнительной энергии. Вместо того, чтобы разогнать ракету до 1 км/сек, её можно разогнать до 11 км/сек (энергия в 121 раз больше, КПД - 12 тысяч процентов!), если рядом будет какое-нибудь массивное тело вроде Юпитера.

За счёт чего мы получили ОГРОМНЫЙ энергетический выигрыш? За счёт того, что оставили израсходованное топливо не в пустом пространстве вблизи ракеты, а в глубокой потенциальной яме, созданной Юпитером. Израсходованное топливо получило большую потенциальную энергию со знаком МИНУС. Поэтому ракета получила большую кинетическую энергию со знаком ПЛЮС.

Поворот вектора

Предположим, мы пролетаем на ракете вблизи Юпитера и хотим увеличить её скорость. Но топлива у нас НЕТ. Скажем так, у нас есть немного топлива, чтобы подкорректировать свой курс. Но его явно недостаточно, чтобы заметно разогнать ракету. Можем ли мы заметно увеличить скорость ракеты, используя гравитационный манёвр?
В самом общем виде эта задача выглядит так. Мы влетаем в поле тяготения Юпитера с какой-то скоростью. Затем вылетаем из поля. Изменится ли наша скорость? И как сильно она может измениться?
Давайте решим эту задачу.

С точки зрения наблюдателя, который находится на Юпитере (а точнее, неподвижен относительно его центра масс), наш манёвр выглядит так. Сначала ракета находится на большом расстоянии от Юпитера и движется к нему со скоростью V. Затем, приближаясь к Юпитеру, она разгоняется. Траектория ракеты при этом искривляется и, как известно, в самом общем виде представляет собой гиперболу. Максимальная скорость ракеты будет при минимальном сближении. Здесь главное – не врезаться в Юпитер, а пролететь рядом с ним. После минимального сближения ракета начнёт удаляться от Юпитера, а её скорость будет уменьшаться. Наконец, ракета вылетит из поля притяжения Юпитера. Какая у неё будет скорость? Точно такая же, как и была при влёте. Ракета влетела в гравитационное поле Юпитера со скоростью V и вылетела из него с точно такой же скоростью V. Ничего не изменилось? Нет изменилось. Изменилось НАПРАВЛЕНИЕ скорости. Это важно. Благодаря этому мы можем совершить гравитационный манёвр.

Действительно, для нас ведь важна не скорость ракеты относительно Юпитера, а её скорость относительно Солнца. Это так называемая гелиоцентрическая скорость. С такой скоростью ракета движется по Солнечной системе. Юпитер тоже движется по Солнечной системе. Вектор гелиоцентрической скорости ракеты можно разложить на сумму двух векторов: орбитальная скорость Юпитера (примерно 13 км/сек) и скорость ракеты ОТНОСИТЕЛЬНО Юпитера. Здесь нет ничего сложного! Это обычное правило треугольника для сложения векторов, которое изучают в 7-м классе. И этого правила ДОСТАТОЧНО, чтобы понять суть гравитационного манёвра.

У нас есть четыре скорости. U(1) – это скорость нашей ракеты относительно Солнца ПЕРЕД гравитационным манёвром. V(1) – это скорость ракеты относительно Юпитера ПЕРЕД гравитационным манёвром. V(2) – это скорость ракеты относительно Юпитера ПОСЛЕ гравитационного манёвра. По величине V(1) и V(2) РАВНЫ, но по направлению они РАЗНЫЕ. U(2) – это скорость ракеты относительно Солнца ПОСЛЕ гравитационного манёвра. Чтобы увидеть, как все эти четыре скорости связаны между собой, посмотрим на рисунок.

Зелёная стрелка АО – это скорость движения Юпитера по своей орбите. Красная стрелка АВ – это U(1): скорость нашей ракеты относительно Солнца ПЕРЕД гравитационным манёвром. Жёлтая стрелка ОВ – это скорость нашей ракеты относительно Юпитера ПЕРЕД гравитационным манёвром. Жёлтая стрелка ОС – это скорость ракеты относительно Юпитера ПОСЛЕ гравитационного манёвра. Эта скорость ДОЛЖНА лежать где-то на жёлтой окружности радиуса ОВ. Потому что в своей системе координат Юпитер НЕ МОЖЕТ изменить величину скорости ракеты, а может только повернуть её на некоторый угол (альфа). И наконец, АС – это то, что нам нужно: скорость ракеты U(2) ПОСЛЕ гравитационного манёвра.

Посмотрите, как всё просто. Скорость ракеты ПОСЛЕ гравитационного манёвра АС равна скорости ракеты ДО гравитационного манёвра АВ плюс вектор ВС. А вектор ВС это ИЗМЕНЕНИЕ скорости ракеты в системе отсчёта Юпитера. Потому что ОС – ОВ = ОС + ВО = ВО + ОС = ВС. Чем сильнее повернётся вектор скорости ракеты относительно Юпитера, тем эффективнее будет гравитационный манёвр.

Итак, ракета БЕЗ горючего влетает в поле притяжения Юпитера (или другой планеты). Величина её скорости ДО и ПОСЛЕ манёвра относительно Юпитера НЕ ИЗМЕНЯЕТСЯ. Но из-за поворота вектора скорости относительно Юпитера, скорость ракеты относительно Юпитера всё-таки изменяется. И вектор этого изменения просто прибавляется к вектору скорости ракеты ДО манёвра. Надеюсь, всё понятно объяснил.

Что произошло 9 июля?

Чтобы лучше понять суть гравитационного манёвра, разберём его на примере Вояджера-2, который пролетел вблизи Юпитера 9 июля 1979 года. Как видно из графика (см. фото), он подлетел к Юпитеру со скоростью 10 км/сек, а вылетел из его поля тяготения со скоростью 20 км/сек. Только два числа: 10 и 20.
Вы удивитесь, сколько можно извлечь информации из этих чисел:
1. Мы рассчитаем, какая скорость была у Вояджера-2, когда он вылетел из поля тяготения Земли.
2. Найдём угол, под которым аппарат приближался к орбите Юпитера.
3. Вычислим минимальное расстояние, на которое Вояджер-2 подлетел к Юпитеру.
4. Узнаем, как выглядела его траектория относительно наблюдателя, находящегося на Юпитере.
5. Найдём угол, на который отклонился космический аппарат после встречи с Юпитером.

Мы не будем использовать сложные формулы, а проделаем расчёты, как обычно, «на пальцах», иногда используя простые рисунки. Тем не менее, ответы, которые мы получим, будут точные. Скажем так, они, возможно, будут не точными, потому что числа 10 и 20, скорее всего, не точные. Они взяты из графика и округлены. Кроме того, другие числа, которые мы будем использовать, тоже будем округлять. Ведь нам важно разобраться в гравитационном манёвре. Поэтому примем числа 10 и 20 за точные, чтобы было от чего отталкиваться.

Решим 1-ю задачу.
Условимся считать, что энергия Вояджера-2, двигающегося со скоростью 1 км/сек – это 1 единица. Минимальная скорость вылета из Солнечной системы с орбиты Юпитера составляет 18 км/сек. График этой скорости есть на фото, а находится она так. Нужно орбитальную скорость Юпитера (примерно 13 км/сек) умножить на корень из двух. Если бы Вояджер-2 при подлёте к Юпитеру имел скорость 18 км/сек (энергия 324 единицы), то его полная энергия (сумма кинетической и потенциальной) в поле тяготения Солнца ТОЧНО равнялась бы нулю. Но скорость Вояджера-2 была только 10 км/сек, а энергия 100 единиц. То есть, меньше на величину:
324-100 = 224 единицы.
Этот недостаток энергии СОХРАНЯЕТСЯ при движении Вояджера-2 от Земли к Юпитеру.
Минимальная скорость вылета из Солнечной системы с орбиты Земли составляет примерно 42 км/сек (чуть больше). Чтобы её найти, нужно орбитальную скорость Земли (примерно 30 км/сек) умножить на корень из двух. Если бы Вояджер-2 двигался от Земли со скоростью 42 км/сек, его кинетическая энергия была бы 1764 единицы (42 в квадрате), а полная – НОЛЬ. Как мы уже выяснили, энергия Вояджера-2 была меньше на 224 единицы, то есть 1764 – 224 = 1540 единицы. Берём из этого числа корень и находим скорость, с которой Вояджер-2 вылетел из поля притяжения Земли: 39,3 км/сек.

Когда с Земли запускают космический аппарат во внешнюю часть Солнечной системы, то запускают его, как правило, вдоль орбитальной скорости движения Земли. В этом случае скорость движения Земли ПРИБАВЛЯЕТСЯ к скорости аппарата, что приводит к огромному выигрышу энергии.

А как решается вопрос с НАПРАВЛЕНИЕМ скорости? Очень просто. Выжидают пока Земля достигнет нужной части свой орбиты, чтобы направление её скорости было то, которое нужно. Скажем, при запуске ракеты на Марс существует небольшое «окно» во времени, в которое очень удобно совершить запуск. Если, по какой-то причине запуск провести не удалось, то следующая попытка, можно быть уверенным, будет не раньше, чем через два года.

Когда в конце 70-х годов прошлого века планеты-гиганты выстроились в определённом порядке, то многие учёные – специалисты по небесной механике предложили воспользоваться счастливой случайностью в расположении этих планет. Был предложен проект, как с минимальными затратами осуществить Гранд тур – путешествие сразу по ВСЕМ планетам-гигантам. Что и было с успехом сделано.
Если бы у нас были неограниченные ресурсы и запасы горючего, то мы могли бы летать куда захотим и когда захотим. Но так как энергию приходится экономить, то учёные осуществляют только энергетически выгодные перелёты. Можно быть уверенным, что Вояджер-2 запускали вдоль направления движения Земли.
Как мы рассчитали раньше, его скорость относительно Солнца составляла 39,3 км/сек. Когда Вояджер-2 долетел до Юпитера, его скорость понизилась до 10 км/сек. А куда она была направлена?
Проекцию этой скорости на орбитальную скорость Юпитера можно найти из закона сохранения момента импульса. Радиус орбиты Юпитера в 5,2 раза больше, чем орбиты Земли. Значит, нужно 39,3 км/сек поделить на 5,2. Получаем 7,5 км/сек. То есть, косинус нужного нам угла равен 7,5 км/сек (проекция скорости Вояджера) разделить 10 км/сек (скорость Вояджера), получаем 0,75. А сам угол равен 41 градус. Под таким углом Вояджер-2 подлетел к орбите Юпитера.

Зная скорость Вояджера-2 и направление его движения, мы можем начертить геометрическую схему гравитационного манёвра. Делается это так. Выбираем точку А и проводим из неё вектор орбитальной скорости Юпитера (13 км/сек в выбранном масштабе). Конец этого вектора (зелёная стрелка) обозначаем буквой О (см. фото 1). Затем из точки А проводим вектор скорости Вояджера-2 (10 км/сек в выбранном масштабе) под углом в 41 градус. Конец этого вектора (красная стрелка) обозначаем буквой В.
Теперь строим окружность (жёлтый цвет) с центром в точке О и радиусом |ОВ| (см. фото 2). Конец вектора скорости и до, и после гравитационного манёвра может лежать только на этой окружности. Теперь проводим окружность радиусом 20 км/сек (в выбранном масштабе) с центром в точке А. Это скорость Вояджера после гравитационного манёвра. Она пересекается с жёлтой окружностью в некоторой точке С.

Мы начертили гравитационный манёвр, который совершил Вояджер-2 9 июля 1979 года. АО – это вектор орбитальной скорости Юпитера. АВ – это вектор скорости, с которой Вояджер-2 приближался к Юпитеру. Угол ОАВ равен 41 градус. АС – это вектор скорости Вояджера-2 ПОСЛЕ гравитационного манёвра. Из чертежа видно, что угол ОАС равен примерно 20 градусов (половина угла ОАВ). При желании этот угол можно рассчитать точно, так как все треугольники на чертеже заданы.
ОВ – это вектор скорости, с которой Вояджер-2 приближался к Юпитеру, С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ наблюдателя на Юпитере. ОС – вектор скорости Вояджера после манёвра относительно наблюдателя на Юпитере.

Если бы Юпитер не вращался, а вы находились бы в подсолнечной стороне (Солнце – в зените), то вы увидели бы, что Вояджер-2 движется с Запада на Восток. Сначала он появился в западной части неба, затем, приближаясь, достиг Зенита, пролетев рядом с Солнцем, а потом скрылся за горизонтом на Востоке. Вектор его скорости развернулся, как видно из чертежа, примерно на 90 градусов (угол альфа).

Вторая часть статьи



Счетчик посещений Counter.CO.KZ - бесплатный счетчик на любой вкус!


Tags: кометы
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments