Гравитация, пни как следует: простой манёвр — и корабль летит к Меркурию без капли топлива

Научная фантастика давно приучила нас к сценам, где космический корабль, спасаясь от инопланетян, сверхновой или заканчивающегося запаса топлива, внезапно замечает неподалёку планету, резко меняет курс и с рёвом ускоряется, используя её притяжение. Оркестр, аплодисменты — и хэппи-энд. Но возможен ли такой манёвр в действительности?

Ответ: да. Только всё это происходит гораздо спокойнее, чем на экране. В инженерной практике подобный приём называется гравитационным манёвром или, чаще, "гравитационной помощью" (gravitational assist). А вот термин "гравитационная рогатка" (gravitational slingshot), популярный в фильмах и литературе, скорее принадлежит к неформальному обиходу.

Суть метода довольно понятна: когда аппарат сближается с массивным небесным телом, например с планетой, её поле тяготения отклоняет траекторию полёта, изменяя направление движения. Но всё не ограничивается одним лишь поворотом — грамотно спланированный пролёт позволяет как ускорить, так и замедлить зонд, в зависимости от поставленной задачи и геометрии маршрута.

Вот тут становится особенно любопытно. На первый взгляд может показаться, что, приближаясь к планете, космический аппарат набирает скорость, а при удалении теряет её — ведь гравитация действует симметрично. И если рассматривать ситуацию с точки зрения самой планеты, всё действительно так: зонд ускоряется на подлёте и тормозится на выходе, как мяч, который набирает энергию при падении и теряет её, поднимаясь обратно.

Но если взглянуть шире, в контексте Солнечной системы, всё меняется. Планеты ведь движутся по орбите. И если подлететь к небесному телу с "тыла", по направлению его движения, можно не просто изменить вектор, но и "перехватить" часть кинетической энергии. Именно это даёт аппарату нужный импульс и позволяет повысить его скорость относительно Солнца.

Фактически зонд заимствует крошечный фрагмент импульса планеты. Теоретически её собственное движение немного замедляется, но влияние настолько ничтожно, что даже при сотнях запусков разница будет меньше, чем если бы на поезд налетела пылинка.

Такой подход — краеугольный камень межпланетных путешествий. Ракеты способны обеспечить лишь начальное ускорение, а расстояния в пределах Солнечной системы настолько колоссальны, что прямой перелёт к внешним планетам может занять десятилетия. Теоретически можно взять больше топлива , но чем тяжелее аппарат, тем больше энергии требуется на его разгон. Возникает так называемая "проклятая спираль" — ракетное уравнение, где рост массы тянет за собой лавинообразное увеличение расходов.

Поэтому гравитационные пролёты — не просто удобная опция, а зачастую единственный способ добраться до цели. Яркий пример — миссия Cassini, стартовавшая к Сатурну в 1997 году. Масса аппарата с топливом превышала 5,7 тонны, и разогнать такую конструкцию напрямую было бы крайне сложно. Поэтому использовалась сложная схема: два пролёта мимо Венеры, затем — мимо Земли и, наконец, Юпитера. Каждый виток добавлял скорость, экономя топливо.

Иногда манёвр нужен не для ускорения, а наоборот — для торможения. Например, чтобы добраться до Меркурия, нужно уменьшить орбитальную скорость относительно Солнца. Земля мчится по орбите со скоростью более 30 км/с, и аппарат должен «сбросить» часть этой энергии, чтобы попасть ближе к Солнцу. Для этого его запускают в обратном направлении и "замедляют" с помощью пролётов мимо планет.

Именно так поступили в миссии BepiColombo — совместном проекте космических агентств Европы и Японии. Аппарат пролетел мимо Земли, дважды обогнул Венеру и сейчас совершает серию пролетов мимо Меркурия. Уже шесть гравитационных коррекций завершено, последняя — в январе 2025 года. Выход на целевую орбиту ожидается в ноябре 2026.

Подобные стратегии — яркое напоминание о том, что космос действительно требует точного расчёта. Это и есть ракетная наука в полном смысле. Сила тяготения, воспринимаемая как помеха, становится союзником. С правильной траекторией можно пересечь пол-Солнечной системы, почти не используя запас топлива.

Современные миссии всё чаще опираются на моделирование и точные математические расчёты. Космические аппараты применяют эту технику не только для достижения далёких планет, но и для маневров вблизи Земли. Даже системы, вроде Starlink , учитывают гравитационные эффекты при планировании орбитальных корректировок .

Хотя инженеры активно исследуют альтернативные виды двигателей , гравитационные пролёты по-прежнему остаются одним из наиболее надёжных и экономичных способов перемещения. Ведь использовать инерцию планет — значит пользоваться уже существующей энергией, которую дарит сама Вселенная.