Гравитационная праща
Гравитационный манёвр — также называемый гравитационной пращой — один из самых элегантных приёмов в исследовании космоса. Тщательно рассчитав пролёт мимо планеты, космический аппарат может набрать (или потерять) огромную скорость, не израсходовав ни капли топлива. Этот приём сделал возможной каждую крупную миссию к внешним планетам Солнечной системы — от «Пионеров» и «Вояджеров» до «Кассини» и «Новых горизонтов».
Физика изящно проста. В системе отсчёта планеты встреча абсолютно симметрична — аппарат приближается и удаляется с одинаковой скоростью, лишь отклоняясь по направлению. Но поскольку сама планета движется в пространстве, это симметричное отклонение превращается в асимметричное изменение гелиоцентрической скорости аппарата. Аппарат фактически «заимствует» крошечную долю орбитального импульса планеты.
Угол отклонения
Ключевой параметр гравитационного манёвра — угол отклонения δ, определяющий, насколько поворачивается вектор скорости аппарата. Он зависит от трёх величин: массы планеты M, скорости подлёта аппарата v∞ (относительно планеты) и минимального расстояния сближения r_p. Формула δ = 2·arcsin(1/(1 + r_p·v²∞/(GM))) показывает, что большее отклонение требует либо более массивной планеты, либо меньшей скорости подлёта, либо более тесного сближения.
Энергетический баланс
Откуда берётся энергия? Из орбитального движения планеты. Когда аппарат набирает скорость, планета теряет ничтожную долю орбитальной энергии. При пролёте «Вояджера-1» мимо Юпитера аппарат набрал около 16 км/с, тогда как орбитальная скорость Юпитера уменьшилась приблизительно на 1 фут за триллион лет. Обмен реален, но совершенно ничтожен для планеты.
Миссии, которые изменили всё
В 1966 году Гари Фландро из JPL обнаружил, что редкое расположение планет в конце 1970-х позволит одному аппарату посетить Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун с помощью последовательных гравитационных манёвров. Эта концепция «Большого тура» привела к миссиям «Вояджер» — самому далёкому путешествию человечества. «Вояджер-2» остаётся единственным аппаратом, посетившим все четыре планеты-гиганта, причём каждый пролёт изгибал и ускорял его траекторию к следующей цели.