نشر على ٢٨-٠٩-٢٠١٩

مساعدة الجاذبية: حيلة الفيزياء البسيطة التي سمحت للإنسانية باستكشاف الفضاء السحيق

كيف نجت المركبة الفضائية ناسا فوياجر من النظام الشمسي

تقديم فنان لمركبة فويجر الفضائية تقترب من زحل ، باستخدام مساعدة جاذبية من كوكب المشتري. الائتمان: ناسا JPL
نشرت هذه المقالة في الأصل لصالح The Wire. هذه مرآة للنفس.

السفر عبر مسافات شاسعة من الفضاء ليس رخيصًا. يكلف وقت المركبة الفضائية والوقود والمال. لحسن الحظ ، تقدم الطبيعة مساعدة مجانية على طول الطريق ويأخذها المصممون دائمًا.

يطلق عليهم الجاذبية يساعد.

في هذه المناورات ، تتبادل مركبة فضائية زخمها في مواجهة وثيقة مع كوكب لكسب السرعة. تم استخدام تمارين الجاذبية في العديد من المهمات بين الكواكب لدفع المركبات الفضائية باتجاه وجهاتها.

تُعتبر مساعدة الجاذبية مفيدة أيضًا لأنه ليس من العملي ببساطة إضافة المزيد من الوقود لتشغيل مركبة فضائية. إضافة المزيد من الوقود يجعلها تزن أكثر. هذا يعني أنه يلزم إضافة المزيد من الوقود إلى الصاروخ لإطلاق مركبة فضائية أثقل الآن. بما أن تضمين الوقود الإضافي يزيد أيضًا من كتلة الصاروخ ، فهناك حاجة إلى مزيد من الوقود لحمل هذا الوقود ، وما إلى ذلك.

وكقاعدة عامة ، تزداد متطلبات الوقود بشكل كبير مع زيادة الكتلة المضافة إلى المركبة الفضائية. قد تتطلب مركبة الفضاء الأثقل صاروخًا أكثر تعقيدًا للوفاء بالمتطلبات. يمكن حفظ هذه الزيادات في التكلفة والتعقيد التكنولوجي عن طريق استخدام الجاذبية.

كما أنها تتيح لنا القيام بأشياء تتجاوز قدراتنا الحالية. في سبعينيات القرن الماضي ، تم إطلاق بعض من أكثر المركبات الفضائية طموحًا في التاريخ: فوياجر 1 و 2 ، وكلاهما من وكالة ناسا. كانوا يذهبون للهروب من خطورة الشمس والخروج من النظام الشمسي. دخلت Voyager 1 حيزًا بين النجوم في عام 2013 ، ومن المتوقع أن يقوم Voyager 2 بالشيء نفسه قريبًا. ولن يكون ذلك ممكنًا دون مساعدة الجاذبية.

بعد الإطلاق ، لم يكن لدى Voyagers التوأم سرعة كافية للهروب من خطورة الشمس على الفور. كان ولا يزال من المستحيل بالنسبة لنا بناء صاروخ قوي بما يكفي لتحقيق ذلك. تركت صواريخ Titan III التي أطلقت Voyagers (بفصل 10 أيام) لهم طاقة كافية فقط للوصول إلى كوكب المشتري.

للتغلب على هذه المشكلة ، تم جعل فوياجرز تتأرجح حول شركة الغاز العملاقة للحصول على زيادة السرعة اللازمة للهروب من الشمس. مع اقتراب كل مركبة فضائية من كوكب المشتري ، سرعت جاذبية الكوكب بها. ويطلق على مثل هذا اللقاء الثقيل الوثيق مع كوكب الذبابة.

تساعد مسارات Voyager 1 & 2 ، التي تُظهر الجاذبية ، في المناورات في Jupiter & Saturn للهروب من النظام الشمسي. الائتمان: ناسا

السرعة الزائدة تأتي من الكوكب نفسه. يجدر بنا أن نتذكر أن المركبة الفضائية لديها أيضًا بعض الكتلة ، حتى لو كانت ضئيلة مقارنةً بالمشتري. تعمل Gravity في كلا الاتجاهين: المركبة تسحب كوكب المشتري - حتى بينما يقوم كوكب المشتري بالسحب على المركبة الفضائية - يبطئها قليلاً في مداره حول الشمس.

نظرًا لأن الزخم الكلي ، وهو نتاج الكتلة والسرعة ، يتم الحفاظ عليه دائمًا في تفاعل ، يتم اكتساب الزخم المفقود بواسطة كوكب المشتري بواسطة المركبة الفضائية. فقدان السرعة لكوكب المشتري في هذا المخطط لا يكاد يذكر حتى لا يكون غير مهم. لكن السرعة التي اكتسبتها المركبة الفضائية في تفاعل واحد فقط تعتبر مهمة للغاية ، كما هو الحال في Voyagers.

كان لدى Voyager 2 سرعة حوالي 10 كم / ثانية عند اقترابها من المشتري. بعد مساعدة الجاذبية ، زادت السرعة إلى حوالي 25 كم / ثانية.

سرعة مركبة الفضاء Voyager 2 كمسافة وظيفية عن الشمس ، مقارنة بسرعة هروب النظام الشمسي. الائتمان: ناسا

منذ بعثات Voyager ، تم استخدام مساعدات الجاذبية للوصول إلى كل مكان في النظام الشمسي. يزن مسبار كاسيني التابع لوكالة ناسا لنظام زحل أكثر من 5000 كجم عند الإطلاق - على الجانب الأثقل لمهمات الكواكب. يزن المسافران أقل من 900 كجم لكل منهما. الصاروخ الذي أطلق كاسيني ، تيتان 4 ، لم يكن أقوى بكثير من تيتان الثالث. نظرًا لأن المسبار كان ثقيلًا ، فإن الجاذبية الفردية من كوكب المشتري لن تقطعه. طار كاسيني باتجاه الشمس أولاً قبل أن يطير بعيداً: لقد تطلب الأمر مساعدة جاذبيتين من كوكب الزهرة ، واحدة من الأرض وواحدة من كوكب المشتري للوصول إلى زحل.

درست المركبة الفضائية إيسا روزيتا المذنب 67P بعد رحلة شاقة. للتعرّف على المذنب ، تعين على Rosetta أن يضاهي السرعة العالية للمذنب ، التي تشمل ثلاثة ذبابة حول الأرض وواحدة حول المريخ.

تضمنت رحلة Rosetta التي استغرقت 10 سنوات عبر النظام الشمسي العديد من الذباب ، بما في ذلك ثلاث رحلات حول الأرض. الائتمان: وكالة الفضاء الأوروبية

ويمكن أيضا أن تساعد الجاذبية تستخدم لإبطاء مركبة فضائية. يحدث هذا عندما تقترب المركبة الفضائية من الكوكب في اتجاه مقابل مدار الكوكب حول الشمس. في هذا السيناريو ، ستفقد المركبة الفضائية زخمها على هذا الكوكب.

ولكن لماذا تبطئ في المقام الأول؟

تواجه البعثات إلى النظام الشمسي الداخلي تحديات مختلفة من تلك التي تواجه النظام الشمسي الخارجي. النظر في أحدث مهمة إلى ميركوري - ESA BepiColombo - التي أطلقت في 20 أكتوبر 2018.

يقع الزئبق في عمق بئر الشمس الجاذبية. هذا يعني أن مركبة فضائية تتجه نحو عطارد سيتم تسريعها باستمرار بسبب خطورة الشمس. في مثل هذا المسار ، تصل BepiColombo إلى Mercury بسرعة عالية جدًا بحيث لا تسمح لنفسها بالتقاطها في المدار.

طريقة الخروج هي الدفع إلى الوراء: إطلاق المحركات من خلال أجهزة الدفع التي تشير إلى اتجاه الرحلة كشكل من أشكال المكابح. ومع ذلك ، فإن هذا سيستهلك الكثير من الوقود ، وكما رأينا ، هذا غير عملي. تفتقر الزئبق أيضًا إلى جو كبير مثل كوكب الزهرة أو الأرض أو حتى المريخ ، لذلك فإن ممارسة رياضة الطيران ليست خيارًا أيضًا.

اقترب مصممو مهمة BepiColombo من المشكلة من خلال حل مساعدة الجاذبية. سيستخدم المسبار مساعدة جاذبية واحدة من الأرض ، واثنتان من كوكب الزهرة وستة من عطارد نفسه لإبطاء. مع كل ذبابة ، سوف يسقط المسبار جزءًا من سرعته المدارية الوفيرة. بعد flybys متعددة ، سيكون بطيئا بما يكفي لجعل الزئبق القبض عليه. BepiColombo من المقرر حاليًا أن يدور حول عطارد في ديسمبر 2025 إذا سارت الأمور وفقًا للخطة.

رسوم متحركة توضح مسار BepiColombo من الإطلاق إلى الدخول في مدار ميركوري. لاحظ flybys متعددة المستخدمة حول الزئبق. الائتمان: Phoenix777 على ويكيبيديا

تم إطلاق ناسا باركر سولار بروب هذا العام لدراسة الشمس من خلال جوها. كما هو الحال مع BepiColombo ، سيتم تسريع Parker باستمرار عند الاقتراب من الشمس ، مما يجعل من الصعب الاقتراب منها. على مدى ست سنوات ، سوف يستخدم باركر سبعة مساعِد جاذبية من كوكب الزهرة لتحقيق مداره النهائي في عام 2024. سينتقل هذا المدار إلى وجهته المستهدفة: 6 ملايين كيلومتر من سطح الشمس ، أو أقرب بمقدار 10 مرات من عطارد.

يستخدم مسار Parker Solar Probe سبعة جاذبية تساعد من كوكب الزهرة لتحقيق أقرب تمريرة إلى الشمس. الائتمان: ناسا

يمكن أن تساعد فيزياء الجاذبية أيضًا في تغيير ميل المدار.

في عام 1990 ، تم إطلاق مهمة أوليسيس التابعة لناسا ، وهي أول دراسة لدراسة أقطاب الشمس. للقيام بذلك ، كان على أوليسيس مغادرة الطائرة المدارية للنظام الشمسي - الطائرة التي تدور حولها الكواكب الثمانية حول الشمس - وتحقيق مدار مائل للغاية.

في عام 1992 ، تولى أوليسيس مساعدة جاذبية من كوكب المشتري ، بالقرب من القطب الشمالي. عززت قوة الكوكب القوية مسار المركبة الفضائية جنوبًا ، مما وضع الأخير في مدار حوله عبر القطبين الشمالي والجنوبي للشمس عند درجة حرارة 80 درجة.

تعتبر أداة مساعدة الجاذبية أداة متعددة الاستخدامات في صندوق أدوات مصمم المهمة. يمكن لمهمات الفضاء في المستقبل أن تساعد في مساعدة الجاذبية على تحقيق المزيد - مثل استخدام مركبة فضائية تدور حول القمر بلوتو تشارون لاستكشاف نظام بلوتوني بأكمله.

أنظر أيضا

الشخصية الرئيسية تمشي في مطبخي وتضعني مستقيمةمقاييس اجتماعية قابلة للمراجعة لـ NFTsلتجربة أفضل للمستخدم ، فقط قم بإضافة الجدارياتأحذية رياضية + شارع الفن: الزواج المثاليقيمة التصميم للأعمال (تقرير McKinsey وغيرها)الفنانون: لا تشيس الكمال ، تشيس إنر تروث