کمک گرانشی

 کمک گرانشی یا “مانور قلاب سنگ” روشی است که به کمک آن فضاپیماهائی که می خواهند به اعماق فضا سفر کنند از تکانه و انرژی سیارات استفاده کرده و سرعت خود را افزایش و یا کاهش می دهند . در این مقاله در مورد کمک گرانشی توضیح می دهیم . قبل از مطالعه این مقاله مقاله های “ کار و انرژی “، “تکانه“ و بخصوص مقاله “ گرانش و انرژی“  را حتما مطالعه کنید .
قبل از شروع این مقاله توضیح مختصری می دهیم در مورد مقاله هائی که قبل از این مقاله در فصل گرانش منتشر شده است و در انتها هم خلاصه بخش های مختلف این مقاله را جمع آوری می کنیم .

۱- توضیح مختصری در مورد گرانش و پدیده های وابسته به آن

این مسئله که نیروی جاذبه زمین همه چیز را به طرف خود می کشد یکی از مسائلی بود که از قدیم شناخته شده بود زیرا یکی از ملموس ترین پدیده های قابل مشاهده می باشد . بشر اولیه به تجربه در یافته بود که راه گریزی از جاذبه قدرتمند زمین را ندارد هر پرتابه ای که به بالا پرتاب می کرد بعد از مدتی دوباره به زمین سقوط می کرد. و ظاهرا راهی وجود نداشت تا بتوان از چنگال این نیروی عظیم خلاص شد و به آسمان ها و ستارگان و…صعود کرد پا بر روی ماه گذاشت و از آن بالا پائین را نگاه کرد.در این بخش مروری سریع می کنیم به مقالاتی که درباره گرانش نوشتیم. برای مطالعه کاملتر می توانید روی لینک مقاله ها (نوشته های آبی) کلیک کنید.

۱) تاریخچه نجوم و مکانیک کلاسیک

بشر اولیه با وجودی که هیچگونه درکی از قوانین حاکم برجهان و زمین و آسمان و فضا نداشت ولی همواره مشتاق بود تا در باره طبیعت و بخصوص پدیده های آسمانی اطلاعاتی داشته باشد و چون راه درست را نمی شناخت به خرافات و افسانه متوسل شدنخست زمین را روی شاخ گاو و ماهی و…پنداشته و بعد درعصر طلائی یونان آسمان را چون کره ای درنظر گرفت که گرداگرد زمین می چرخد و ستارگان بر این کره استوار شده اند و سیارات و ماه و خورشید هر کدام بر یک کره جداگانه گرد زمین می چرخند. این نظریه که به نظریه زمین مرکزی معروف بود توسط بطلمیوس (فیلسوف یونان باستان) وضع شده و به مدت۱۵۰۰سال بر علم نجوم سلطه داشت تا آن که در دوران رنسانس اروپا توسط نیکلاکپرنیک در هم شکسته شد و به جای زمین خورشید مرکز عالم قرار گرفت. (نظریه خورشید مرکزی)در ابتدا کهنه پرستان برکپرنیک تاختند و صدها سال طول کشید تا به کمک دانشمندان بزرگی چون :گالیله ،تیکو براهه،کپلر و…سرانجام نیوتن پرده از رازهای زمین و ستارگان و نیروی جاذبه زمین برداشته شد و…برای مطالعه تاریخچه گرانش و علم نجوم به مقاله “ تاریخچه گرانش قبل از نیوتن “ مراجعه کنید .

۲) زندگینامه نیوتن

نظر به این که نیوتن بزرگترین دانشمندی بود که پرده از بسیاری از رازهای جهان (از جمله نیرو و گرانش)که هزاران سال دانشمندان به دنبال آن بودند برداشت، در مقاله زندگینامه نیوتن” ابتدا از کودکی نیوتن شروع کرده و بعد در مورد دوران دانشگاه و تحصیل نیوتن و همچنین ماجرای تحقیقات نیوتن در باره گرانش و حرکت توضیح می دهیم .نیوتن علاوه بر مطالعه و تحقیق در مورد نیرو  و گرانش در مورد مسائل دیگر هم به مطالعه و تحقیق پرداخت که در بخش های مختلف این مقاله به آن خواهیم پرداخت مسائلی همچون : تحقیق در باره نور یا نورشناختی ، حساب دیفرانسیل و انتگرال ، شیمی و کیمیاگری و…تحقیقات مذهبی، همچنین در این مقاله
به روابط نیوتن با همکاران و دانشمندان دیگر و مشاغل دولتی وحکومتی که عهده دار بودخواهیم پرداخت.

۳) نیوتن و گرانش

نیوتن چگونه جاذبه را کشف کرد؟ طبق یک داستان نه چندان معتبر ، هنگامی که نیوتن زیر یک درخت سیب نشسته بود بر اثر افتادن سیبی به دنبال کشف اسرار نیروی جاذبه رفت و توانست با کوشش و پشتکار بی نظیری پرده از راز جاذبه برداشته و نام خود را در تاریخ علم جاودانه کند. این که نیوتن چگونه توانست اسرار نیروی جاذبه را کشف کرده و آن را فرمول بندی کند در مقاله “نیوتن و گرانش “به طور کامل شرح دادیم . در این مقاله توضیح می دهیم که ابتدا چگونه ایده گرانش عمومی به ذهن نیوتن رسید و چگونه با مقایسه نیروی گرانشی که زمین به ماه وارد می کند قانون عکس مجذور فاصله را نتیجه گیری کرد و بعد توانست قانون گرانش عمومی را فرمول بندی کرده و در کتاب اصول ریاضی فلسفه طبیعت منتشر کرده (ماجرای چاپ کتاب به کمک هالی را هم در این مقاله شرح می دهیم )و نام خود را در تاریخ علم جاودانه کند .

۴) قانون جاذبه عمومی نیوتن

“قانون جاذبه عمومی نیوتن” یا قانون گرانش جهانی یکی از مهمترین قوانین طبیعت می باشد . این قانون به بسیاری از پرسش ها که پیشینیان و ازجمله دانشمندان رنسانس در مورد پدیده های مربوط به جاذبه زمین و حرکت اجرام آسمانی دادند پاسخ داده است . درمقاله “قانون جاذبه عمومی نیوتن“ ابتدا فرمول قانون گرانش جهانی را شرح داده و فرمول آن را به صورت برداری و اسکالر نوشته و بعد یک سری مسائل در ارتباط با گرانش از جمله قضیه های پوسته را شرح می دهیم و در ادامه به شرح آزمایش کاوندیش خواهیم پرداخت که چگونه کاوندیش ثابت گرانش را بدست آورده و به کمک آن توانست جرم زمین و بعد خورشید را محاسبه کند .

۵) مکانیک مداری و قوانین کپلر

در مقاله “مکانیک مداری و قوانین کپلر”ضمن توضیح بسیاری از مسائل در رابطه با مکانیک مداری قوانین سه گانه کپلر را هم آورده و توضیح کاملی در مورد آنها داده و آن قوانین را با توجه به قانون گرانش عمومی اثبات می کنیم .در این مقاله ابتدا یک توپ بزرگ را در نظر گرفته که ازبالای کوه بلندی شلیک می شود(توپ نیوتن) و مسیر این گلوله را با توجه به سرعت خروج گلوله بررسی کرده و نشان می دهد که مسیر گلوله یکی از مقاطع مخروطی می باشد همچنین انواع مدارهای بین دو جسم را (با توجه به جرم دو جسم و مداردایره ای و یا بیضوی) همراه با شکل کامل آن ها تشریح می کنیم .

۶) گرانش و انرژی

یکی از مفاهیم بسیار مفید در فیزیک مفهوم کار و انرژی می باشد . انرژی به دو صورت انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی وجود دارد.درمطالعه حرکت سیاره ها و اجرام آسمانی یکی ازمواردی که خیلی مهم بوده و اهمیت دارد انرژی مکانیکی(مجموع انرژی پتانسیل و جنبشی) اجرام آسمانی می باشد در مقاله “ گرانش و انرژی “ دراین مورد توضیح می دهیم. درابتدای مقاله مفهوم انرژی پتانسیل گرانشی را پیش کشیده و درمورد آن و روش بدست آوردن فرمول های آن توضیح می دهیم و بعدمفهوم انرژی ویژه مداری(مجموع انرژی پتانسیل گرانشی و انرژی جنبشی) رامطرح کرده و فرمول های آن را هم اثبات می کنیم. و درفصل آخرهم درمورد نقش گرانش درشکل گیری جهان توضیح می دهیم .

شکل شماره ۱ – انرژی پتانسیل گرانشی

۲- کمک گرانشی

امروزه برای فرار از جاذبه زمین و فرستادن فضاپیماها (با سرنشن و بدون سرنشین) به اعماق فضا از موتورهای موشکی استفاده می شود و بیشترین نیرو و سوخت این موشک ها برای فرار ازجاذبه زمین مصرف می شود . از طرفی با توجه به عظمت فضا و فاصله های بسیار زیاد برای سفرهای فضائی این سیستم رانش فضاپیماها نمی تواند سرعت لازم را ایجاد کند بنابراین دانشمندان از روش های دیگری برای افزایش سرعت کاوشگرها و سفینه های فضائی(و گاه کاهش سرعت آنها) استفاده می کنند. در این بخش در مورد روش هائی که کاوشگرها برای افزایش و گاه کاهش سرعت استفاده می کنند توضیح می دهیم .

۱) کاوشگرهای فضائی 

کاوشگرها اشیائی هستند که توسط انسان ساخته شده و ازحوزه جاذبه زمین خارج و درفضای بین سیاره ای و گاها در فضای بین ستاره ای(خارج از سامانه خورشیدی) به انجام ماموریت های فضائی مشغول می شوند.
انسان با همه ادعائی که داردتنها توانسته تا کره ماه برود (که طبق گفته های مسئولین ناسا این تکنولوژی هم فراموش شده و تازگی درصدد فرستادن دوباره انسان به ماه هستند ) بنابراین برای کاوش درمنظومه شمسی (و یا احیانا فضای بین ستاره ای) هیچ چاره ای باقی نمی ماند مگر فرستادن سفینه های بدون سرنشین این سفینه ها که کاوشگر نامیده می شوند حامل تجهیزات و دوربین ها و… دستگاه هائی هستند جهت تهیه عکس و فیلم و…اطلاعات مختلف  برای ارسال اطلاعات جمع آوری شده به زمین و همچنین گرفتن دستور از زمین مجهز به آنتن های گیرنده و فرستنده می باشد. این کاوشگرها همگی ربات می باشند یعنی بسیاری از فرمان ها و کارهای خود را به صورت اتوماتیک انجام می دهند.تاکنون کاوشگرهای زیادی به اقصی نقاط منظومه شمسی فرستاده شدند در مورد کاوشگرها و ماموریت آنها در مقاله های آینده مفصل توضیح می دهیم . در ادامه در مورد روش هائی افزایش و کاهش سرعت فضاپیماها توضیح می دهیم .

۲) کمک گرانشی( مانور قلاب سنگ ) چیست ؟ 

کمک گرانشی (Gravity assist) روشی است در مکانیک مداری و مهندسی هوا و فضا و فضانوردی که با استفاده از آن از گرانش و سرعت مداری اجرام آسمانی ( همچون سیاره ها و اقمار و… ) برای تعغیر مسیر و تعغیر سرعت فضاپیماها و کاوشگرها استفاده می شود . استفاده دقیق و حساب شده از این روش ها می تواند به فضا پیما سرعت و شتاب لازم را برای رسیدن به هدف بدهد . و مقدار بسیار زیادی در سوخت و هزینه فرستادن کاوشگرها صرفه جوئی کند .

۳) کمک گرانشی برای چه اهدافی استفاده می شود ؟

برای فرستادن کاوشگر ها و سفینه های فضائی به نقاط دور دست در منظومه شمسی و همینطور خروج از سامانه منظومه شمی نیازمند نیروی زیادی می باشد نکته بسیار مهم این است که فضا پیماها فقط می توانند مقدار معینی سوخت با خود حمل کنند و اگر برای رسیدن به هدف تمام سوخت خود را مصرف کنند در رسیدن به هدف دچار مشکل می شوند پس باید سرعت و انرژی بیشتر از سرعتی که پیشرانه موشکی می دهد به کاوشگرها بدهند . همچنین برای کم کردن سرعت و مستقر کردن کاوشگرها روی سیارات یا در مدار آنها باید سرعت این اشیا را پائین بیاورند . بنابراین از نیروهای کمک گرانشی به سه منظور استفاده می کنند :
 تعغیر مسیر فضا پیما ، افزایش سرعت و کاهش سرعت که در ادامه به چگونگی این روش می پردازیم .
ولی قبل از آن در مورد اندازه حرکت و قانون بقای اندازه حرکت توضیح می دهیم .

۴) اندازه حرکت چیست ؟  

تکانه یا اندازه حرکت (Momentum مومنتوم) به حاصل ضرب جرم در سرعت می گویند چون سرعت کمیتی برداری می باشد تکانه هم کمیتی برداری است :

در حالت ساده و غیر برداری هم به این صورت می نویسند .

همچنین باید از اندازه حرکت زاویه ای نام برد که عبارت است ازحاصل ضرب ممان اینرسی در سرعت زاویه ای
نکته : قبل از مطالعه ادامه این مطلب باید تا حدودی با اندازه حرکت و قانون بقای اندازه حرکت آشنائی داشته باشید برای مطالعه و توضیحات کاملتر در این مورد به مقاله “ تکانه “  مراجعه کنید .

۵) قانون بقای اندازه حرکت

قانون بقای اندازه حرکت یکی از مهمترین قوانین در مکانیک می باشد و کاربردهای گسترده ای دارد طبق این قانون در صورتی که نیروئی خارج از بر یک سیستم عمل نکند( و یا برآیند نیروهای وارده بر سیستم صفر باشد ) اندازه حرکت ثابت می ماند . این قانون به نام قانون بقای اندازه حرکت یا “قانون بقای مومنتم” نامیده می شود و اهمیت بسیار زیادی در فیزیک دارد . در مقاله  “ تکانه “ در این مورد بیشتر توضیح دادیم .

۶) نزدیک شدن سفینه فضائی به سیاره ثابت  

وقتی یک سیاره (و یا هر جسم پرجرم ) ثابت باشد و یک فضاپیما(یا هر جسم دیگر) با سرعت بالا به آن نزدیک شود طبق قانون بقای انرژی مکانیکی با همان سرعتی که به آن نزدیک می شود با همان سرعت هم از آن دور می شود (البته در جهت مخالف) در این حالت هیچ اتفاق خاصی نمی افتد مجموع انرژی جنبشی و پتانسیل فضاپیما و سیاره تعغیری نمی کند. وقتی یک فضاپیما به به سیاره نزدیک شود دردام گرانش سیاره می افتد و سرعتش لحظه به لحظه افزایش می یابد و موقعی که از سیاره دور می شود سرعتش کاهش می یابد و به حال اول برمی گردد در واقع فضاپیما با نزدیک شدن و دور شدن از سیاره هیچ انرژی جنبشی و سرعت اضافه بدست نمی آورد؟ ولی واقعا چنین است اگر چنین است پس این کمک گرانشی چگونه انجام می شود؟

۷) چگونه سرعت فضاپیما افزایش می یابد ؟

حال اگر سیاره در حال حرکت باشد (که درواقعیت همیشه همینطور است) موقعی که فضاپیما از سیاره دور می شود بخش بسیار بسیار کوچکی از تکانه سیاره به فضاپیما منتقل می شود در این صورت تکانه فضاپیما بعد از دور شدن از سیاره افزایش می یابد و این همان هدفی است که صاحبان و گردانندگان فضاپیماها در نظر دارند ولی طبق قانون بقای تکانه باید در ازاء افزایش تکانه فضاپیما تکانه سیاره کاهش یابد این به معنی کاهش سرعت و انرژی سیاره می باشد و می تواند سیاره را در مدار مارپیچی به سوی خورشید کشانده و باعث تغییر مدار سیاره و در نهایت سقوط سیاره روی خورشید شود ولی این موضوع ابدا باعث نگرانی نیست چون جرم فضاپیما میلیاردها میلیارد بار از سیاره کمتر است و باید به همین اندازه مانور کمک گرانشی انجام شود تا به اندازه سرعت کم شده از فضاپیما از سیاره کم شود و سیاره مدارش تغییر قابل توجهی کند .


 شکل شماره ۲ – مانور قلاب سنگ برای افزایش سرعت فضاپیما

۸) چگونه سرعت فضاپیما کاهش می یابد؟

موقعی که فضاپیما به یک سیاره متحرک نزدیک می شود اگر جهت حرکت سیاره با فضاپیما در یک جهت باشد موقع دورشدن فضاپیما مقداری از تکانه زاویه ای سیاره به فضاپیما منتقل می شود و سرعت فضاپیما افزایش و در مقابل سرعت سیاره به مقدار بسیار بسیار کوچکی کاهش می یابد که در قسمت قبل شرح دادیم ولی بسیاری از مواقع نیاز است که از تکانه سیاره به عنوان یک ترمز گرانشی استفاده کرده و سرعت فضاپیما را کاهش دهیم این دقعه به صورت عکس عمل می کنیم یعنی فضاپیما خلاف جهت حرکت سیاره به سیاره نزدیک شده و قسمتی از تکانه خود را به سیاره می دهد و سرعت خود را کاهش می دهد در این صورت سرعت سیاره اقزایش پیدا کرده و مدارسیاره بیضی کشیده تر می شود (خروج از مرکز سیاره بزرگتر می شود)در صورت ادامه کار سیاره با جذب مقدار بیشتری انرژی به مدار بالاتری انتقال می یابد ولی با توجه به جرم بسیار بسیار کوچک فضاپیما در مقابل سیاره تقریبا سرعت مداری سیاره هیچ تغییر قابل توجهی نمی کند  مگر این که این عمل میلیاردها و میلیاردها بار تکرار شود .

شکل شماره ۳ -مانور قلاب سنگ برای کاهش سرعت کاوشگر

۸) ادعای ناسا جابجا کردن مدار زمین

حدود سال۲۰۱۶خبری در فضای مجازی و شبکه های اجتماعی منتشر شد مبنی بر این که ناسا قصد دارد مدار زمین را جابجا کرده و زمین را به مدار بالاتری(دورتر ازخورشید)منتقل کرده تا با دور شدن ازخورشید خنک تر شده از این راه با گرمایش زمین مقابله کند . و اما روش این کار :
روشی که ناسا می خواهد این کار را انجام دهد به این صورت است که یکی از سیارک های بزرگ اطراف زمین را به صورت بسیارخطرناکی تا نزدیکی زمین آورده و سیارک ضمن عبور از نزدیکی زمین مقداری از تکانه خود را به زمین انتقال می دهد و بعد رهسپار یکی از سیارات غول پیکر (زحل یا مشتری) می شود و ضمن عبور از نزدیکی سیاره غول پیکر تکانه سیاره را جذب کرده و سرعت خود را افزایش می دهد و دوباره بعد از عبور از نزدیکی زمین این تکانه را به زمین انتقال می دهد و بعد از میلون ها با گذر از نزدیکی زمین و سیاره غول پیکر می تواند آنقدر انرژی به زمین منتقل کند که مدار زمین را بزرگتر کرده و زمین را ازخورشید دورتر کند.(شکل ۷)
صرف نظر از این که چنین خبری درست و یا شایعه می باشد (صحت و سقم آن را می توانید تحقیق کنید )از نظر به این که جرم بعضی از سیارک ها می تواند میلون ها بار بیشتر از جرم فضاپیماها باشد از نظر علمی امکان انجام چنین پروژه ای وجود دارد (ولی فعلا تکنولوژی ما در حدی نرسیده که بتوانیم چنین طرحی را اجرا کنیم)در واقع این سیارک انرژی ویژه مداری را از یکی ازغول های گازی گرفته و به زمین منتقل می کنددر این صورت انرژی مداری زمین افزایش یافته (هرچه سیاره از خورشید دورتر شود انرژی مداری آن بیشتر می شود)و انرژی غول های گازی کاهش می یابد .
نکته : برای این منظور محاسبات بسیار دقیقی باید انجام شود زیرا هر گونه اشتباه محاسباتی می تواند
به یک فاجعه منتهی شود یا سیارک غول آسا روی زمین سقوط کند یا برعس زمین را به خورشید نزدیکتر کند .

 

 شکل شماره ۴ -طرح ناسا برای انتقال زمین 

۳- اهمیت مانور قلاب سنگ گرانشی

کمک گرانشی یا مانور قلاب سنگ چقدر اهمیت دارد؟ این ایده از کی اجرائی شد و سازمان های فضائی و فضانوردی جهان چقدر به آن اهمیت می دهند؟ در بخش قبلی در مورد مانور کمک گرانشی توضیحات مفصل داده و چگونگی این کار را به تفصیل شرح دادیم در این بخش ضمن تکمیل مباحث بخش قبل بیشتر دررابطه با اهمیت و تاریخچه مانور کمک گرانشی توضیح می دهیم .

۱) تاریخچه مانور قلاب سنگ

برای اولین باردرسال ۱۹۱۸یک دانشمند روسی به نام “ یوری کوندراتیوک “درمقاله ای به نام «یک موشک بین سیاره ای» پیشنهاد کرد که وقتی یک فضاپیما بین دو سیاره درحال مسافرت می باشد می توانددر آغاز و انتهای مسیر خود با استفاده از تکانه سیارات سرعت خود را افزایش یا کاهش دهد.در سال ۱۹۲۵ “فردریش زندروگیدوفون و پیترکته “ ( دانشمندان روسی ) با استدلال مشابهی همین مسئله را مطرح و اهمیت آن را برای سفرهای بین سیاره ای گوشزد کردند.ولی اولین استفاده عملی ازمانور قلاب سنگدرسال ۱۹۵۹در ماموریت لونا ۳ روسیه استفاده شد . هدف این ماموریت فرود بر روی ماه بود ولی این فضاپیما در نهایت توانست از نیمه پنهان ماه عکس تهیه کند در هر صورت این اولین مورد استفاده از مانور قلاب سنگ بود .
بعد از آن دانشمندان و سازمان های فضائی که به اهمیت مانور قلاب سنگ پی بردند تقریبا در تمام سفینه ها و کاوشگرهای فضائی ازاین مانور استفاده کردند که در ادامه شرح خواهیم داد.

۲) سوخت همراه فضا پیما چقدر ارزش دارد؟

مهمترین مسئله در یک فضاپیما سوختی است که می تواند همراه خود بردارد این سوخت بشدت محدود است منظور ما سوختی نیست که فضاپیما را به مدار زمین برده و روانه فضا می کند(این سوخت توسط موشک های غول پیکر چند مرحله ای که در مرحله آخر از فضاپیما جدا می شوند تامین می شود ) بلکه منظور ما سوختی است که برای مانورهای فضائی (تغییر جهت و…)باید همراه فضاپیما باشدهمراه بردن سوخت زیاد باعث افزایش وزن فضاپیما شده و این مسئله وزن و سوخت راکت های بالابر را بشدت افزایش می دهد هرکیلوگرم وزن اضافی برای سازمان های فضائی ده ها هزاردلار هزینه در بردارد و با امکانات فعلی بشدت محدود است. همچنین در فضا امکان رساندن سوخت به فضاپیما وجود ندارد از این رو سوخت همراه فضاپیما بسیار با ارزش است و فضاپیما باید درنهایت صرفه جوئی از آن استفاده کند درغیر این صورت خطر ازدست رفتن فضاپیما و شکست ماموریت و ضرر وزیان هنگفت سازمان فضائی مربوطه وجود دارد .

۳) سفر به فضای درونی مدار زمین  

فضای بین زمین و خورشیددر اصطلاح فضای درونی(نسبت به زمین)نام دارد دو سیاره ناهید و تیر سیارات دورنی نامیده می شوند وقتی یک فضاپیما به درون منظومه شمسی حرکت می کند درواقع به سوی خورشید می رود و گرانش خورشید هر لحظه سرعتش را افزایش می دهد و سرعت فضاپیما را بیشتر از سرعت مورد نیاز می رساند در چنین شرایطی نه تنها نیازی نیست فضاپیما سرعت خود را افزایش دهد بلکه برای جلوگیری
از سقوط روی خورشید باید سرعت خود را کاهش هم بدهد و در اینجا ازمانور قلاب سنگ به عنوان وسیله ای
برای کاهش سرعت(ترمز گرانشی) استفاده می کند .

شکل شماره ۵ – فضای درونی و فضای بیرونی

نکته : در شکل شماره ۵ مقیاس اندازه سیاره ها و فاصله بین آنها رعایت نشده است .

۴) سفر به فضای بیرونی مدار زمین  

فضای خارج مدار زمین فضای در اصطلاح فضای بیرونی(نسبت به زمین) نام دارد سیاره های : بهرام ، مشتری ، کیوان ، اورانوس و نپتون سیارات بیرونی نامیده می شوند وقتی یک فضا پیما به خارج از مدار زمین حرکت کرده و از خورشید دور می شود گرانش خورشید هر لحظه از سرعتش می کاهد و سرعت فضاپیما را کمتر ازسرعت موردنیاز می رسد در چنین شرایطی فضاپیما باید سرعت خود را افزایش دهد و برای افزایش سرعت باید از مانور قلاب سنگ به عنوان وسیله ای برای افزایش سرعت استفاده می کند .

۵) افزایش مانور قلاب سنگ با روشن کردن موتورهای سفینه

یکی از راه های افزایش سرعت فضاپیما روشن کردن موتورهای فضاپیما می باشد و همانطور که گفته شد بخاطر محدود بودن سوخت فضاپیما ، این عمل باید درنهایت احتیاط و فقط درمواقع ضروری استفاده شود. بهترین راه روشن کردن راکت های فضاپیما برای افزایش سرعت ، موقعی است که فضاپیما به نزدیکی سیاره موردنظر می رسد درآن صورت با روشن کردن موتورها تکانه به مراتب بیشتری ازسیاره به فضاپیما منتقل می شود و سرعتی که راکت ها به فضاپیما می دهند با مانور قلاب سنگ مضاعف می شود و به سرعت به مراتب بیشتر از موقعی می رسدکه فقط از موتور موشکی و یا بدون روشن کردن موتورها فقط از مانور قلاب سنگ استفاده می کند . همچنین در موقع کاهش سرعت هم می تواند ضمن نزدیک شدن به فضاپیما موتور موشکی را در جهت عکس (که کار ترمز موشکی را انجام می دهد) روشن کند.

۶) مانور قلاب سنگ در فضای خارج منظومه شمسی

برای یک فضا پیما که قصدخروج از منظومه شمسی و رفتن به منظومه های ستاره ای دیگر را دارد (فضاپیمای بین ستاره ای) می تواند علاوه بر سیارات ازخورشید هم برای افزایش سرعت خود بهره ببرد همچنین می تواند ازجاذبه ستارگان و اجرام عظیم دیگری (ستاره های نوترونی و …تا حتی سیاه چاله های عظیم) هم بهره ببرد .

۷) مسیر طولانی تر ولی با سرعت بیشتر (مدار تبدیل)

بهترین  مسیر همیشه به معنی کوتاهترین مسیر (از نظر فاصله) نیست طی کردن مسیری بسیار طولانی ولی با سرعت بسیار بیشتر در بسیاری از موارد از مسیری نزدیکتر و با سرعت بسیار کمتر ارجعیت دارد واقعیت آن است که فضا(حتی محدوده منظومه شمسی)بسیار عظیم و بزرگ می باشد و سیاره ها در حال حرکت دائمی می باشند و فاصله سیاره ها نسبت به سرعت فضاپیماها بسیار طولانی می باشد بنابراین یک فضاپیما برای رسیدن به سرعت لازم گاهی مجبور است چندین بار حرکت رفت و برگشت به سیاره ها را انجام داده تا به سرعت لازم برسد و حتی مسیر رسیدن به مقصد را بیش ازدو برابر کند ولی در نهایت با سرعت به مراتب بیشتری که بدست می آورددرزمان کوتاهتری به مقصدبرسدو هدف هم رسیدن به مقصددرحداقل زمان میباشد

۸) محدودیت های مانور قلاب سنگ

برای استفاده از مانور قلاب سنگ محدودیت های زیادی وجود دارد ازجمله این که همیشه سیارات (و اجرام عظیم )درجای مناسبی برای مانور قرار نمی گیرند تا به بهترین نحو از مانور قلاب سنگ استفاده کرد و دیگر این که بسیاری از سیارات دارای جو غلیظی هستند برای مانور قلاب سنگ باید تا حد لازم به سیاره نزدیک شد و نزدیکی زیاد به سیاره می تواند فضاپیما را به داخل جو سیاره کشانده و درنهایت موجب سوختن و سقوط سفینه شود .

۴- چه سفینه ها و کاوشگرهائی از مانور قلاب سنگ استفاده کردند؟

بسیاری از کاوشگرها و سفینه هائی که رهسپار فضا شدند از مانور قلاب سنگ گرانشی بهره گرفتند در این بخش تعدادی از مهمترین این کاوشگرها و ماموریت آنها را به اختصار معرفی می کنیم و در پایان جدول کاوشگرهای معرفی شده به همراه سال شروع و پایان ماموریت و … می آوریم(جدول شماره یک)در مقاله ای به نام “ کاوشگرهای فضائی “ در آینده به صورت کامل درمورد آنها توضیح می دهیم.

۱) ویجرها

وویجر (Voyager) نام دو کاوشگر فضایی است که در سال ۱۹۷۷ میلادی توسط ناسا برای مطالعه سیاره‌های سامانه خورشیدی به فضا پرتاب شد. این دو کاوشگر در اصل برای مطالعه سیارات زحل و مشتری طراحی شده بودند اما بعد از انجام مأموریت به سوی فضای بیرونی سامانه خورشیدی حرکت کردند.هزینه ساخت هر دو کاوشگر جمعا ۸۶۵ میلون دلار شد هر دو مجهز به پیل هسته ای هستند و بر روی هر کدام از کاوشگرها یک لوح زرین با اطلاعات کاملی از منظومه شمسی و زمین و انسان ها به همراه عکس ها و متن ها و فایل ها صوتی و فیلم از تمدن های قرار داده شده است (شکل شماره ۹ ) تا اگر دست موجودات فرا زمینی بی افتد با زمین و تمدن زمینی آشنا شوند( اقدامی که به نظر بسیاری از کارشناسان اشتباه بزرگی بود و زمین را در معرض حمله فرازمینی ها قرار می دهد) ویجر یک در۲۵ آگوست۲۰۱۲ (۴ شهریور۹۱) و ویجر۲ درتاریخ (۵ نوامبر ۲۰۱۸ ( ۱۴ آبان ۹۷) از فضای منظومه شمسی خارج شده و وارد فضای بین ستاره ای شدند .

شکل شماره ۶- صفحه طلائی ویجرها

شکل شماره ۷ -کاوشگر ویجر ۱

شکل شماره ۸ -کاوشگر ویجر ۲

شکل شماره ۹- مسیر حرکت ویجرها

۲) فضا پیمای گالیله

در ۱۸اکتبر سال ۱۹۸۹با هدف مطالعهٔ مشتری و قمرهایش ناسا کاوشگری به فضا فرستاد و نامش را به افتخار دانشمند بزرگ گالیله  “فضاپیمای گالیله” ( Galileo spacecraft)گذاشتند .فضاپیمای گالیله در ۷ دسامبر ۱۹۹۵ به خانوادهٔ مشتری رسید و دقیقترین عکس‌های آن زمان را برای دانشمندان فرستاد.همچنین گالیله اطلاعات دقیقی از میدان مغناطیسی ، بادهای خورشیدی اطراف مشتری ، حلقه ها و… شفق های قطبی مشتری فرستاد . همچنین عکس‌های گالیله از اقمار مشتری مشخص کرد که زیر سطح یخزدهٔ «اروپا» می‌تواند. اقیانوسی وجود داشته باشد و «آیو» نزدیکترین قمر مشتری، کاملاً فعال و آتشفشانی است. سرانجام بعد از ۱۴سال که از پرتاب گالیله گذشت بخاطر نبود سوخت، فضاپیما دیگر قادر نبود مسیر خودش را حفظ کند و نیز نمی‌توانست آنتن فرستنده اطلاعاتش را به سمت زمین تنظیم کند. از این رو برای جلوگیری از آلوده شدن قمرهای مشتری با میکروب های زمینی در روز ۲۱سپتامبر۲۰۰۳گالیله به اعماق اتمسفر مشتری شیرجه زد.و نابود شد.

شکل شماره ۱۰-عکسی هنری از فضاپیمای گالیله در کنار مشتری

۳) اولیس

اولیس کاوشگری بود که از صفحه فرضی فضا که حاوی کلیه مدارهای سیارات است گذشت این کار نیازمند مساعدت میدان جاذبه مشتری بود از این رو برای ترمز گرانشی ازمانور قلاب سنگ درنردیکی مشتری بهره برد کاوشگر اولیس در پروازش درسال۱۹۹۴از قطب جنوبی خورشید و در سال ۱۹۹۵ از بالای قطب شمالی آن گذشت و مطالعه باد خورشیدی و میدان مغناطیسی خورشید برفراز قطبهایش را امکان پذیر ساخت. سرانجام  فضا پیمای اولیس در ۳۰ ژوئن ۲۰۰۹ به ماموریت خود پایان داد .

شکل شماره ۱۱- عکسی هنری از فضاپیمای اولیس

۴) مسنجر

فضا پیمای مسنجر( MESSENGER) فضاپیمایی است که توسط ناسا و برای گردش به دور سیاره تیر ساخته شد. مسنجر اولین فضاپیمایی است که به طور خاص برای مطالعه سیاره تیر ساخته شده است. ماموریت این فضاپیما تحقیق دررابطه با مواد شیمیایی، آب و هوای آن و میدان مغناطیسی موجود در تیر است. این فضاپیما در اوت ۲۰۰۴ توسط موشک دلتا ۲ به فضا پرتاب شد. برای این که سرعت فضاپیما کاهش پیدا کرده و بتواند در مدار عطارد قرار گیرد یک سال پس از پرتاب دوباره به زمین برگشته ( فاصله ۲۳۴۷ کیلومتری)و همچنین دو با هم به طرف ناهید ( زهره ) حرکت کرد تا با مانور کمک گرانشی از سرعت خود بکاهد . در تاریخ ۳۰ مارس ۲۰۱۵پس از۱۱سال، ماموریت موفق آمیز عمر این فضاپیما با کوبیده شدن به سطح سیاره تیر پایان یافت.

شکل شماره  ۱۲ – عکسی هنری از فضاپیمای مسنجر

۵) کاسینی-هویگنس

کاسینی-هویگنس) Cassini–Huygens (یکی از مهمترین مأموریت‌های فضایی است که بطور مشترک توسط ناسا و آژانس فضایی اروپا و آژانس فضائی ایتالیا با بودجه ۲۶/۳میلیارد دلار بود و برای کاوش سیاره کیوان و قمرهای آن به فضا فرستاده شده‌ بود . فضا پیما از دو بخش تشکیل شده بود مدارگرد فضائی پژوهشی  کاسینی وفضاپیمای هویگنس که درتاریخ ۱۵اکتبر۱۹۹۷(۲۳ مهر ۱۳۷۶) به فضا پرتاب شد.در ۱۵ژانویه ۲۰۰۵( ۲۶ دی ماه ۱۳۸۳) بعداز رسیدن فضاپیما به مدار زحل فضاپیمای هویگنس ازکاسینی جدا شدو به سلامت برروی تایتان (قمر زحل)فرود آمد و تا۹۰دقیقه به ارسال عکس و فیلم و اطلاعات گرانبها پرداخت . کاسینی هم تا ۱۵سپتامبر ۲۰۱۷( ۲۴ شهریور ۱۳۹۶)به ارسال عکس و فیلم و اطلاعات پرذاخت و بعد برای جلوگیری ازسقوط روی قمرهای زحل و… برروی زحل سقوط عمدی کرده ونابودشد. لازم به ذکر است که فضا پیما برای بدست اوردن سرعت لازم برای رسیدن به زحل از مانور قلاب سنگ  گرانشی توسط  زمین و زهره استفاده کرد .

شکل شماره ۱۳- عکسی هنری از کاسینی به دور زحل

۶) رزتا

فضاپیمای رزتاRosetta) (توسط سازمان فضایی اروپا برای مطالعه دنباله دارP67 دردوم مارس ۲۰۰۴ ازگویان فرانسه به فضا پرتاب شد و درتاریخ ۶اوت ۲۰۱۴به دنباله دارP67در آنسوی مدار مشتری رسید و فرودگری به نام فیله(Philae )را برسطح دنباله دار نشاند تا بتواند خاک و سنگ دنباله دار را آزمایش کند. این فضا پیما هم جهت رسیدن به دنباله دار از مانور قلاب سنگ توسط زمین و مریخ و بعضی سیارک ها استفاده کرد .

شکل شماره ۱۴- عکسی هنری از رزتا و فیله در نزدیکی P67

۷)جونو

فضاپیمای جونو (Juno) در پنجم اوت ۲۰۱۱(۱۴مرداد۱۳۹۰)به منظور مطالعه در مورد مشتری(میدان مغناطیسی ، میدان گرانشی ، جو ، سرعت بادها و… سرنخ هائی در مورد چگونگی تشکیل مشتری) از فلوریدا به فضا پرتاب شد و در۴ ژوئیه۲۰۱۶(۱۴تیر ۱۳۹۵)به مدار مشتری رسید. پس از فضا پیمای گالیله این دومین فضاپیمائی بود که برای مطالعه مشتری فرستاده شد . این دومین فضاپیمائی بود که به مشتری فرستاده شد . جونو برای افزایش سرعت و رسیدن به مدار مشتری از مانور قلاب سنگ  گرانشی توسط زمین و زهره استفاده کرد .

  

 شکل شماره ۱۵- عکسی هنری از جونو بر فراز مشتری

 ۸) خلاصه کاوشگرهائی که به فضا فرستاده شده و از مانور قلاب سنگ بهره گرفتند

در جدول شماره یک کاوشگرهائی را فهرست کرده ایم که به فضا فرستاده شده اند و کمک گرانش یا مانور قلاب سنگ بهره برده اند .

جدول شماره یک – کاوشگرهائی که از مانور قلاب سنگ استفاده کردند .

 

۵- خلاصه کمک گرانشی

یک سفینه فضائی با موشک های غول پیکر به فضا فرستاده شده و بعد از مانور مداری در مدار زمین ، به اعماق فضا روانه می شود همراه هر سفینه مقداری سوخت برای مانورهای سفینه موجود می باشد که باید از همین مقدار سوخت به نحو احسن استفاده کرده تا فضاپیما (سفینه فضائی) بتواند به مانورهای خود در فضا ادامه دهد (تغییر مسیر ، قرار گیری در مدار سیارات و قمرها و… فرود روی سیاره ها و قمرها ) نکته ای که بسیار مهم می باشد این است که فضاپیما نمی تواند بین راه سوختگیری کند زیرا در فضا هیچ مکانی برای سوختگیری وجودندارد بنابراین فضاپیما باید بتواند از این سوخت به نحو احسن استفاده کند .
کمک گرانشی یا مانور قلاب سنگ روشی هوشمند برای استفاده از تکانه و انرژی جنبشی اجسام فضائی ( ستارگان و سیارات و قمرها و…) به منظور صرفه جوئی در سوخت و بدست آوردن تکانه و انرژی رایگان می باشد ولی این روش چگونه انجام می شود.در مقاله کمک گرانشی به شرح این روش پرداختیم .
برای مطالعه این مقاله بهتر است ابتدا مقاله های : “ قانون جاذبه عمومی نیوتن “، “ مکانیک مداری و قوانین کپلر ” ، “ کار و انرژی “ ، “ تکانه “  و “ گرانش و انرژی“  را حتما مطالعه کنید .

۱) کمک گرانشی (مانور قلاب سنگ )

کمک گرانشی (Gravity assist)روشی است در مکانیک مداری و مهندسی هوا و فضا و فضانوردی که با استفاده از آن از گرانش و سرعت مداری اجرام آسمانی (همچون سیاره ها و اقمار و… )برای تعغیر مسیر و تعغیر سرعت فضاپیماها و کاوشگرها استفاده می شود. استفاده دقیق و حساب شده از این روش ها می تواند به فضاپیما سرعت و شتاب لازم را برای رسیدن به هدف بدهد . و مقدار بسیار زیادی در سوخت و هزینه فرستادن کاوشگرها صرفه جوئی کند .
روش این کار به این صورت می باشد که فضاپیما اگر می خواهد سرعت خود را افزایش دهد ضمن نزدیک شدن به یک جسم عظیم(مثلا یک سیاره ) مقداری از تکانه سیاره را گرفته و تکانه و در نتیجه سرعت خود را افزایش ( درنتیجه تکانه و انرژی سیاره به همان اندازه کاهش میدهد) می دهد و اگر قضد کاهش سرعت را دارد) تکانه و اندازه حرکت خود را به سیاره داده (بنابراین تکانه و انرژی سیاره به همان اندازه افزایش می یابد) در بخش دوم (۲- کمک گرانشی) در این مورد توضیح دادیم .

شکل شماره ۱۶ – عملکرد کمک گرانشی فضاپیما اگر در مسیر حرکت سیاره (مسیر آبی) به سیاره نزدیک شود سرعتش افزایش و اگر در مسیر مخالف حرکت سیاره ( مسیر قرمز ) به سیاره نزدیک شود سرعتش کاهش می یابد.

۲) اهمیت مانور قلاب سنگ گرانشی

کمک گرانشی یا مانور قلاب سنگ چقدر اهمیت دارد؟ این ایده از کی اجرائی شد و سازمان های فضائی و فضانوردی جهان چقدر به آن اهمیت می دهند؟
در بخش سوم (۳- اهمیت مانور قلاب سنگ گرانشی) ابتدا از تاریخچه مانور قلاب سنگ شروع کرده و بعد شرح دادیم که در کجا باید افزایش سرعت صورت گیرد و در کجا کاهش سرعت ، همچنین نشان دادیم  که مانور قلاب سنگ فقط برای سفر در درون منظومه شمسی استفاده نمی شود می توان با این روش سرعت یک سفینه را برای سفر به دنیای خارج از منظومه شمسی بشدت افزایش داد و به این وسیله به خارج از منظومه شمسی سفر کرد همچنین باید متوجه باشیم که اجرای این مانور محدودیت هائی هم دارد و بنابراین نمی توان همیشه به نحو احسن از آن استفاده کرد . در بخش سوم مقاله (۳- اهمیت مانور قلاب سنگ گرانشی) ابعاد مختلف این مسئله را روشن کرده و پاسخ تمام این سوالات را دادیم .

۳)چه سفینه ها و کاوشگرهائی از مانور قلاب سنگ استفاده کردند؟

بسیاری از کاوشگرها و سفینه هائی که رهسپار فضا شدند از مانور قلاب سنگ گرانشی بهره گرفتند در این بخش تعدادی از مهمترین این کاوشگرها و ماموریت آنها را به اختصار معرفی کرده  و در پایان جدول کاوشگرهای معرفی شده به همراه سال شروع و پایان ماموریت و … آوردیم (جدول شماره یک) در مقاله ای به نام “ کاوشگرهای فضائی “ در آینده به صورت کامل درمورد آنها توضیح می دهیم.

برای مطالعه سایر مقاله های نجومی روی شکل زیر کلیک کنید.

برای مطالعه مقاله های روانشناسی اینجا  را کلیک کنید .

عکس های طبیعت, طبیعت خوانسار , شکوفه های بهاری  , گلستان کوه ,دانلود آلبوم های کامل بهترین و زیباترین عکس ها ,آلبوم هائی با صدها عکس کیفیت بالا ,  در هیچ کجای اینترنت این عکسها را پیدا نمیکنید , عکس هابدون استفاده از تکنیک های فتوشاپ تهیه شده , کاملا طبیعی 

برای آموزش کامل و حرفه ای گوگل مپ روی شکل زیر کلیک کنید

همه جیز در مورد گوگل مپ

۱) هر گونه اظهار نظر را در فرم اظهار نظر کاربران وارد کنید .
۲) نظرات بعد از تایید مدیریت نشان داده می شود .
۳) با انتقادات و پیشنهادات سازنده خود ما را هرچه بیشتر  همراهی کنید . مدیریت از انتقادات و پیشنهادات سازنده شما استقبال میکند .
۴) نوشته های قرمز پر رنگ ارجاع به لینک هستند که هنوز لینک آنها قرار داده نشده است ( هنوز صفحه آنها منتشر نشده است )
۵) نوشته های آبی پر رنگ ارجاع به لینک هستند که لینک آنها قرار داده شده است (صفحه آنها منتشر شده است )
۶) هرگونه بهره برداری : کپی تمام و یا قسمتی از مطالب این سایت بدون ارجاع منبع آن ممنوع می باشد .
۷) تکثیر فایل های Pdf با ذکر منبع آزاد ولی فروش آن تحت هر عنوان و با ذکر منبع هم ممنوع می باشد.

 

 

 

 

نظر بدهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *