روش “قلاب سنگ گرانشی” چیست؟

یکی از بهترین راه ها برای افزایش سرعت یک فضاپیما، کمک گرفتن از قلاب سنگ گرانشی است که به آن “کمک گرانشی” هم می گویند. برای نمونه، هنگامی که ویجر به سوی بیرون از سامانه ی خورشیدی می‌رفت، با گذشتن از کنار سیاره های مشتری و کیوان، کمک های گرانشی دریافت کرد و سرعتش را به اندازه ی کافی برای گریز از گرانش خورشید بالا برد.

خوب اکنون ببینیم شیوه ی کار این کمک گرانشی چیست؟ احتمالا می دانید که در این روش، فضاپیما باید به میزان خطرناکی به یک سیاره ی بزرگ نزدیک شود. اما این روش چگونه باعث افزایش سرعت فضاپیما می شود؟ هنگامی که فضاپیما به سیاره نزدیک می شود، سرعتش بالا می رود. و هنگامی که از آن دور می شود سرعتش دوباره کاهش می یابد. چیزی مانند یک اسکیت سوار در یک نیم لوله. برآیند پایانی این فرآیند صفر است و در واقع فضاپیما با افتادن در چاه گرانشی و بیرون آمدن از آن، هیچ افزایش کلی در سرعتش رخ نمی دهد. پس این کمک گرانشی که می گویند چگونه انجام می شود؟

آنچه گفته شد دربارۀ یک سیاره ی ثابت و بی حرکت بود. ولی اگر سیاره در حرکت باشد، سرعت نزدیک شدن و دور شدن جرم با هم تفاوت خواهد داشت. هر سیاره به هنگام گردش به دور خورشید دارای یک سرعت مداری است. زمانی که فضاپیما به سیاره نزدیک می شود، چون از سیاره سبک تر است به دام گرانش آن افتاده و وارد مدارش می شود. چیزی که باعث افزایش فوق العاده ی سرعت فضاپیما می شود، تکانه ی مداری (اندازه حرکت مداری) است که از سوی سیاره دریافت می کند. هر چه فضاپیما بتواند به سیاره نزدیک تر شود تکانه ی بیشتری دریافت کرده و سرعت دور شدنش از سیاره بیشتر خواهد بود.

همچنین فضاپیما اگر بخواهد سرعتش از این هم بیشتر شود، می تواند در زمان نزدیک ترین فاصله از سیاره، موتورهایش را هم روشن کند. در این زمان سرعت بسیاری که در رویارویی با سیاره به دست آورده کارایی موشک های فضاپیما را چند برابر خواهد کرد. این افزایش سرعت بهایی هم خواهد داشت چرا که یک داد و ستد تکانه رخ می دهد: مقدار ناچیزی از سرعت مداری سیاره کاسته می شود.

اگر فرآیند قلاب سنگ رگانشی را بارها و بارها، در حد میلیون ها بار پیرامون یک سیاره انجام دهید، سرانجام باعث خواهید شد که سرعت سیاره آنقدر کاهش یابد که به سوی خورشید کشیده شده و به آن برخورد کند. همچنین می توانید از فرآیند قلاب سنگ گرانشی برای کاهش سرعت خود فضاپیما نیز بهره ببرید. در این صورت همه‌ی کارها باید وارونه انجام شود: باید در جهتی مخالف جهت گردش سیاره به دور خورشید به آن نزدیک شوید. جابجایی تکانه باعث کاهش چشمگیر سرعت فضاپیما خواهد شد، و به اندازه ی بسیار ناچیزی هم بر سرعت سیاره خواهد افزود.

فضاپیمای مسنجر ناسا، ۲ بار از کنار زمین گذشت، ۲ بار از کنار ناهید و ۳ بار هم به دور خود سیاره ی عطارد چرخید تا بتواند سرعتش را به اندازه ی کافی کاهش دهد به گونه ای که بتواند در مدار گردش به دور این سیاره جای گیرد. اولیس، کاوشگر خورشیدی که در سال ۱۹۹۰ به فضا پرتاب شد، از کمک گرانشی بهره برد تا بتواند مسیرش را به کلی تغییر داده و وارد یک مدار قطبی شمالی-جنوبی به گرد خورشید شود. و کاسینی هم با گذشتن از کنار ناهید، زمین و مشتری توانست وارد مسیری کارآمد برای رسیدن به زحل شود.

در ویدیوی زیر، شبیه سازی گذر فضاپیمای روزتا از کنار زمین و کمک گرفتن گرانشی در مارس سال ۲۰۰۵ را می بینید. این کاوشگر سه بار از کنار زمین و یک بار از کنار مریخ گذشت تا با حفظ ذخیره ی سوخت، خود را به آن سوی کمربند سیارک ها برساند و با دنباله دار چوریموف دیدار کند:

بی شک طبیعت می کوشد کارها برای ما آسان سازد. قلاب سنگ های گرانشی روشی زیبا و موزون برای کاهش سرعت فضاپیماها، کشاندن آنها به مسیری که از هیچ راهی نمی توان واردش شد، یا شتاب دادن و رساندن آن ها به سرعت های باورنکردنی است.

بهره گیری از مکانیک مداری یک رقص زیرکانه برای کمک کردن به کاوش های فضایی است. این نمونه ی درخشانی از نبوغ و استعداد ذهن هایی است که به بشر برای رفتن به ستارگان دوردست یاری می رسانند. شما چه فکر می کنید؟ چه روش های دیگری هست که می توان از آنها برای پیوند میان واقعیت های کاربردی و دانش تخیلی بهره گرفت؟