رازِ سفر رایگان به سیارات: ترفند جاذبه‌ای ناسا برای سفرهای فضایی ارزان!
حتماً در فیلم‌های علمی-تخیلی بارها این صحنه را دیده‌اید: کاپیتان شجاع یک سفینه فضایی و خدمه‌اش در حال فرار از دست بیگانگان، انفجار یک ابرنواختر یا اتمام سوخت، هیچ راه نجاتی ندارند و در آستانه خورده شدن، تبخیر شدن یا گیر افتادن هستند. اما ناگهان، سیاره‌ای را در مقابل خود می‌بینند! با تمام قدرت به سمت آن حرکت می‌کنند، موتورها را روشن کرده و با استفاده از جاذبه آن، خود را به سوی امنیت پرتاب می‌کنند. هورا! موسیقی پیروزی پخش می‌شود.
این تصویر، چیزی است که حداقل در پرده سینما می‌بینیم. اما آیا این مانور در دنیای واقعی هم کاربرد دارد؟
پاسخ مثبت است! البته نه دقیقاً به همان شکلی که در فیلم‌ها نشان داده می‌شود، اما این یک پدیده واقعی است. این تکنیک به طور گسترده با عنوان “تیرکمانش گرانشی” (Gravitational Slingshot) شناخته می‌شود، اگرچه بیشتر دانشمندان از آن به عنوان “کمک گرانشی” (Gravitational Assist) یاد می‌کنند و یک ابزار ضروری برای بیشتر ماموریت‌های بین سیاره‌ای به شمار می‌رود.
ایده اصلی بسیار ساده است. وقتی یک فضاپیما به یک جرم بزرگ، مثلاً یک سیاره، نزدیک می‌شود، جاذبه سیاره مسیر آن را خم می‌کند و جهت حرکت فضاپیما را تغییر می‌دهد. اما موضوع فراتر از این است: فضاپیما می‌تواند از جاذبه سیاره برای افزایش یا کاهش سرعت خود پس از این مانور استفاده کند و در نتیجه سفرهای آسان‌تری را به سیارات بیرونی یا درونی منظومه شمسی ممکن سازد.
در حالی که بخش تغییر مسیر به اندازه کافی بدیهی به نظر می‌رسد، بخش افزایش یا کاهش سرعت تا حدودی خلاف انتظار است. این پدیده به تقارن گرانش مربوط می‌شود.
گرانش چگونه به فضاپیماها سرعت می‌بخشد؟
تصور کنید یک توپ پلاستیکی را در فاصله‌ای از زمین نگه داشته‌اید و آن را رها می‌کنید. توپ در حین سقوط شتاب می‌گیرد و سرعت آن تا لحظه برخورد به زمین افزایش می‌یابد. سپس به بالا می‌پرد و سرعتش کم می‌شود. در نهایت متوقف می‌شود و شما می‌توانید آن را بگیرید یا دوباره رها کنید. اما در هر صورت، توپ نمی‌تواند بالاتر از ارتفاعی که از آن رها شده، بپرد. توپ در حین سقوط انرژی جنبشی (انرژی حرکت) به دست آورد، اما پس از پرش و در حین کند شدن سرعتش در مسیر بازگشت به بالا، دوباره آن را از دست داد. این عمل متقارن است، بنابراین در بهترین حالت (اگر یک توپ کاملاً الاستیک داشته باشید و این آزمایش را در خلاء انجام دهید)، توپ تا همان ارتفاعی که از آن رها شده، بالا می‌رود.
همین امر در مورد یک فضاپیما که به یک سیاره نزدیک می‌شود نیز صادق است. جاذبه سیاره در هنگام نزدیک شدن به آن، به شما شتاب می‌دهد، شما در نزدیک‌ترین فاصله، با سرعت دور می‌زنید (همان بخش “تیرکمانش”) و سپس، با دور شدن، آن سرعت اضافی را از دست خواهید داد، زیرا جاذبه سیاره همچنان شما را به سمت خود می‌کشد. با کاهش این کشش گرانشی، فضاپیما نسبت به سیاره با همان سرعتی که در ابتدا به آن نزدیک شده بود، حرکت خواهد کرد.
پس اگر تمام سرعت اضافی در مسیر خروج از دست می‌رود، چگونه می‌توان از این مانور برای شتاب دادن به یک فضاپیما استفاده کرد؟ نکته کلیدی در عبارت “نسبت به سیاره” نهفته است. اگر با سرعت مثلاً ۲۰ کیلومتر در ثانیه (km/s) به سیاره نزدیک شوید، با همان سرعت از آن دور خواهید شد. اما این سرعت شما در مقایسه با سیاره است.
در همان زمان، و این نکته بسیار مهم است، سیاره نیز به دور خورشید می‌چرخد. اگر از پشت به سیاره نزدیک شوید (یعنی در جهت حرکت آن)، در این صورت، هنگامی که جاذبه سیاره به شما سرعت می‌بخشد، از نظر خورشید مرکزی نیز شما را به دنبال خود می‌کشد و بخشی از سرعت مداری خود را به شما اضافه می‌کند. این کار باعث می‌شود نسبت به خورشید یک جهش پیدا کنید و سرعتتان در مسیر رسیدن به مقصد افزایش یابد. در واقع، فضاپیما با دزدیدن کمی از انرژی جنبشی مداری سیاره، یک افزایش خالص در سرعت به دست می‌آورد.
این به نوبه خود به این معنی است که سرعت حرکت سیاره در مدار خود به دور خورشید کمی کاهش می‌یابد، که خطرناک به نظر می‌رسد! اما نگران نباشید: کاهش سرعت سیاره متناسب با این است که چقدر جرم آن از فضاپیما بیشتر است. با توجه به جرم یک کاوشگر معمولی یک تنی در مقایسه با یک سیاره چند سکستیلیون تنی، کاهش سرعت سیاره به هیچ وجه قابل توجه نیست. شما می‌توانید یک میلیون کاوشگر را به سمت آن پرتاب کنید و هرگز نتوانید تفاوتی در سرعت مداری آن تشخیص دهید. تاثیر یک باکتری که در حین پیاده‌روی به شما برخورد می‌کند، بسیار بیشتر از این خواهد بود.
اهمیت کمک گرانشی در سفرهای فضایی
دلیل اینکه استفاده از کمک‌های گرانشی ارزش این همه زحمت را دارد این است که فضاپیماها توسط موشک‌ها پرتاب می‌شوند و موشک‌ها فقط می‌توانند تا یک سرعت حداکثر معینی شتاب بگیرند. در فناوری موشکی فعلی ما، این سرعت‌ها بسیار پایین و فواصل بین سیاره‌ای بسیار زیاد هستند، به طوری که حتی سریع‌ترین و مستقیم‌ترین سفرها نیز سال‌ها (یا حتی دهه‌ها برای مقاصد دورتر در منظومه شمسی) طول می‌کشند. شما می‌توانید فضاپیما را با سوخت بیشتری بارگیری کنید تا سریع‌تر حرکت کند، اما این کار هم محدودیت‌هایی دارد. سوخت جرم دارد و شما باید آن جرم اضافی را شتاب دهید، که به سوخت بیشتری نیاز دارد، که جرم بیشتری دارد. این دور باطل توسط چیزی توصیف می‌شود که “معادله موشکی” نامیده می‌شود و به این معنی است که مقدار سوختی که باید اضافه کنید تا حتی کمی سریع‌تر حرکت کنید، به سرعت به مقیاس‌های بازدارنده می‌رسد.
بنابراین، کاهش زمان سفر مستلزم روش دیگری است، مانند استفاده از سرعت یک سیاره بزرگ و پرانرژی در طول مسیر! به عنوان مثال، کاوشگر کاسینی (Cassini) که در سال ۱۹۹۷ (دی ۱۳۷۵) به مقصد زحل پرتاب شد، یک فضاپیمای بسیار بزرگ به اندازه یک اتوبوس مدرسه بود و بدون سوخت جرمی معادل ۲.۵ تن متریک داشت. (با اضافه شدن سوختی که برای انجام ماموریت خود در زحل نیاز داشت، به همراه وسیله پرتاب و سایر تجهیزات، جرم آن به ۵.۷ تن متریک رسید.) با موشک‌هایی که در آن زمان در اختیار داشتیم، رسیدن به زحل تقریباً غیرممکن بود. بنابراین، برنامه‌ریزان ماموریت از سیاره مشتری بهره بردند و فضاپیما را در یک مانور تیرکمانش سرعت‌بخش از کنار آن عبور دادند که زمان قابل توجهی از سفر را کاهش داد. در واقع، کاسینی برای رسیدن به مشتری، دو بار از کنار زهره و یک بار از کنار زمین عبور کرد و هر بار مقداری از انرژی مداری سیاره را “دزدید”.
کمک گرانشی در جهت مخالف نیز کار می‌کند. زمین با سرعت بیش از ۳۰ کیلومتر در ثانیه (km/s) به دور خورشید می‌چرخد، بنابراین شلیک یک کاوشگر به سمت خورشید یا سیارات داخلی منظومه شمسی به دلیل آن سرعت جانبی بسیار دشوار است. در عوض، برنامه‌ریزان ماموریت یک مسیر غیرمستقیم‌تر را ترجیح می‌دهند. آنها فضاپیما را با سرعت کافی در جهت مخالف مسیر زمین به دور خورشید پرتاب می‌کنند تا مثلاً در مقابل سیاره زهره قرار گیرد، جایی که می‌تواند مقداری از انرژی مداری خود را به سیاره اهدا کند تا حتی بیشتر به سمت خورشید سقوط کند. بپی‌کلمبو (BepiColombo)، یک ماموریت مشترک بین آژانس فضایی اروپا (European Space Agency) و آژانس کاوش‌های هوافضای ژاپن (Japan Aerospace Exploration Agency) به مقصد سیاره تیر، دقیقاً همین کار را انجام داد و یک بار از کنار زمین و دو بار از کنار زهره عبور کرد تا به مجاورت سیاره تیر برسد. حتی در آن زمان، این فضاپیما مجبور شد در مجموع شش کمک گرانشی از کنار سیاره تیر انجام دهد تا با سرعت مداری این سیاره به دور خورشید مطابقت پیدا کند. آخرین کمک گرانشی در ژانویه ۲۰۲۵ (دی ۱۴۰۳) انجام شد و در نوامبر ۲۰۲۶ (آبان ۱۴۰۵) وارد مدار سیاره تیر خواهد شد.
کمک‌های گرانشی یک نمونه بارز از این واقعیت هستند که سفر فضایی دشوار است. گرانش بزرگترین مقصر است؛ فقط دور شدن از زمین در وهله اول بزرگترین بخش مشکل است. با این حال، جالب اینجاست که گرانش می‌تواند دستیابی به بیشتر نقاط دیگر منظومه شمسی را بسیار آسان‌تر کند.
