مانور کمک گرانشی؛ فضاپیماها چگونه با استفاده از سیاره‌ها شتاب می‌گیرند؟

شاید دست‌کم یک‌بار چنین صحنه‌ای را در فیلم‌های علمی‌تخیلی تماشا کرده باشید: کاپیتان دلیر یک فضاپیما به همراه خدمه‌اش در حال فرار از دست بیگانگان و گریز از یک ابرنواختر هستند یا سوختشان درحال اتمام است و به نظر می‌رسد دیگر هیچ راه نجاتی ندارند. درست در لحظه‌ای که همه‌چیز تمام شده به نظر می‌رسد، سیاره‌ای در مقابلشان ظاهر می‌شود! موتورهای موشکی روشن می‌شود، آن‌ها با تمام توان به سوی سیاره شیرجه می‌زنند و با استفاده از نیروی گرانش آن، خود را به بیرون پرتاب کرده و نجات می‌یابند. سپس موسیقی پیروزی به صدا درمی‌آید!

دست‌کم در دنیای سینما که این‌طور است. اما آیا مانور افزایش سرعت به‌وسیله سیاره‌ها در دنیای واقعی هم کار می‌کند بله! البته نه دقیقاً به شکلی که در فیلم‌ها نشان داده می‌شود، اما این پدیده کاملاً واقعی است و با عنوان «کمک گرانشی» شناخته می‌شود؛ مانوری که یکی از ابزارهای اساسی در اغلب مأموریت‌های میان‌سیاره‌ای محسوب می‌شود.

ایده‌ی مانور گرانشی در ظاهر ساده به نظر می‌رسد: زمانی‌که فضاپیما به جرمی بزرگ، مثلاً سیاره نزدیک می‌شود، گرانش سیاره مسیر حرکت فضاپیما را خم می‌کند و جهت آن را تغییر می‌دهد. اما فراتر از آن، فضاپیما می‌تواند پس از این مانور، از گرانش سیاره برای افزایش یا کاهش سرعت خود نیز استفاده کند. این کار باعث می‌شود که سفر به سیاره‌ها دورتر یا نزدیک‌تر با انرژی کمتری انجام شود.

فرض کنید توپی لاستیکی را از ارتفاع رها می‌کنید. توپ هنگام سقوط شتاب می‌گیرد و سرعتش تا لحظه‌ی برخورد با زمین بیشتر می‌شود. سپس به بالا برمی‌گردد و در این مسیر، سرعتش کم می‌شود. در نهایت توپ پیش از اینکه دوباره سقوط کند متوقف می‌شود که در آن صورت می‌توانید آن را بگیرید یا اجازه دهید دوباره بیفتد. اما در هر صورت، نمی‌تواند از ارتفاع اولیه‌ای که از آن رها شده بالاتر برود. در این فرآیند، توپ هنگام سقوط انرژی جنبشی (انرژی حرکتی) به دست می‌آورد، اما همان انرژی را هنگام بالارفتن از دست می‌دهد. این رفتار متقارن است. حتی اگر توپ کاملاً کشسان باشد و این آزمایش را در خلأ انجام دهید، نهایتاً تا همان ارتفاع اولیه بازمی‌گردد.

همان منطق سقوط توپ برای فضاپیماها نیز برقرار است. وقتی فضاپیما به یک سیاره نزدیک می‌شود، گرانش سیاره به آن شتاب می‌دهد. در نزدیک‌ترین فاصله، فضاپیما با بیشترین سرعت به دور سیاره می‌چرخد (همان مرحله پرتاب در مثال توپ)، اما پس از دور شدن از آن، گرانش سیاره باعث کاهش سرعتش می‌شود، چرا که فضاپیما را به سوی خود می‌کشد. در نهایت وقتی فضاپیما از میدان گرانشی سیاره خارج می‌شود، نسبت به خود سیاره، همان سرعتی را دارد که هنگام نزدیک‌شدن داشت.

پس اگر تمام سرعت اضافه‌ای که فضاپیما هنگام نزدیک‌شدن به سیاره به‌دست می‌آورد، در مسیر بازگشت از دست می‌رود، این مانور چگونه می‌تواند باعث شتاب‌گیری فضاپیما شود؟

کلید پاسخ در عبارت «نسبت به سیاره» نهفته است. اگر فضاپیما با سرعت مثلاً ۲۰ کیلومتر بر ثانیه به سیاره نزدیک شود، با همان سرعت هم آن را ترک می‌کند، اما این سرعت نسبت به خود سیاره سنجیده می‌شود.

نکته مهم این است که خود سیاره نیز در همان لحظه در حال گردش به دور خورشید است. اگر فضاپیما از پشت به سیاره نزدیک شود (یعنی در همان جهت حرکت مداری سیاره)، آنگاه وقتی گرانش سیاره به فضاپیما شتاب می‌دهد، از دیدگاه منظومه شمسی بخشی از سرعت مداری سیاره نیز به فضاپیما منتقل می‌شود. این کار باعث افزایش سرعت فضاپیما نسبت به خورشید می‌شود و به آن کمک می‌کند سریع‌تر به مقصد خود برسد. به بیان ساده، فضاپیما با استفاده از این مانور، بخشی از انرژی جنبشی مداری سیاره را می‌دزدد.

از طرف دیگر، این بدان معناست که خود سیاره کمی در مدارش کند می‌شود که ممکن است نگران‌کننده به نظر برسد! اما نگران نباشید: کاهش سرعت سیاره، با نسبت جرم فضاپیما به جرم سیاره تناسب مستقیم دارد. وقتی یک کاوشگر یک تُنی را با سیاره‌ای چند تریلیون تُنی مقایسه کنیم، تأثیر آن به‌قدری ناچیز است که عملاً هیچ تغییری در مدار سیاره رخ نمی‌دهد. حتی اگر میلیون‌ها فضاپیما را به آن سمت پرتاب کنید، همچنان تفاوتی در سرعت مداری‌اش احساس نمی‌شود. تأثیر برخورد یک باکتری با شما هنگام راه‌رفتن، از این مانور روی سیاره بیشتر است!

دلیل اصلی استفاده از مانور کمک گرانشی این است که فضاپیماها با موشک به فضا پرتاب می‌شوند، و موشک‌ها فقط تا حد مشخصی می‌توانند به فضاپیما سرعت بدهند. با توجه به فناوری کنونی موشک‌ها، این سرعت‌ها نسبتاً پایین هستند و فاصله‌های میان‌سیاره‌ای آن‌قدر زیادند که حتی مستقیم‌ترین و سریع‌ترین سفرها هم سال‌ها، یا برای سیاره‌های بیرونی حتی دهه‌ها، طول می‌کشند. می‌توان با افزودن سوخت بیشتر سرعت را افزایش داد، اما این هم محدودیت دارد: سوخت خودش جرم دارد و برای شتاب دادن به فضاپیما نیاز به سوخت بیشتری دارید که باز هم جرم را بیشتر می‌کند. این چرخه‌ی باطل، توسط چیزی به‌نام «معادله‌ی موشک» توصیف می‌شود و نشان می‌دهد که برای حتی اندکی افزایش سرعت، مقدار سوخت مورد نیاز به‌شدت زیاد می‌شود.

برای مثال، کاوشگر «کاسینی» که در سال ۱۹۹۷ به مقصد زحل پرتاب شد، فضاپیمایی بسیار بزرگ بود، تقریباً به اندازه اتوبوس مدرسه و بدون احتساب سوخت، ۲٫۵ تُن جرم داشت. با احتساب سوخت و تجهیزات پرتاب، وزن کل آن به ۵٫۷ تُن می‌رسید. با موشک‌های آن زمان، رسیدن به زحل تقریباً غیرممکن یا بسیار طولانی بود. بنابراین، برنامه‌ریزان مأموریت از مشتری کمک گرفتند: فضاپیما را طوری هدایت کردند که از کنار مشتری عبور کند و با یک مانور کمک گرانشی سرعت خود را بالا ببرد.