על מנת להאיץ או להאט בחלל צריך להפעיל מנוע ולבזבז דלק, שאין לנו הרבה ממנו. אבל מה אם אפשר היה "לגנוב" קצת תנע מגופים שכבר נמצאים בחלל? תמרון ה"מקלעת כבידתית" (Gravitational slingshot) עושה בדיוק את זה. נסביר את העיקרון שעומד מאחוריו.

אבל מה יקרה אם תניעו את המחבט ותחבטו בכדור? זה לא משנה את המצב בהרבה. נניח שוב כי אין "בזבוז" אנרגיה. אם נושיב הוביט קטן על המחבט, אז מבחינתו המצב שתיארנו קודם עדיין מתקיים ברובו. כלומר, מה שההוביט רואה הוא, שאחרי החבטה הכדור יתרחק ממנו באותה מהירות שבה היה בדרך למחבט. ההבדל הוא במהירות הכדור שהההוביט רואה: אם נניח שהכדור נע ב-100 קמ"ש (יחסית לקרקע), והמחבט נע ב-10 קמ"ש בכיוון ההפוך (גם יחסית לקרקע), אז ההוביט יראה שהכדור מתקרב אליו ב-110 קמ"ש ומתרחק ממנו ב-110 קמ"ש.

אבל מה אתם תראו? אם הכדור מתרחק מהמחבט ב-110 קמ"ש, והמחבט זז ב-10 קמ"ש, אז יחסית אליכם, הכדור נע ב-120 קמ"ש! הכדור התקרב אליכם ב-100 קמ"ש, אבל התרחק ב-120 קמ"ש. הכדור הרוויח מהירות! מה שאנחנו ראינו כאן הוא בעצם העברת תנע מגוף גדול לגוף קטן. תנע הוא מכפלה של מהירות במסה. במערכת (כלומר, אתם והכדור) התנע נשמר, כלומר תוספת תנע לכדור צריכה לבוא על חשבון לקיחת תנע מכם. במקרה שלנו יש הבדל מאוד גדול בין התנע שלכם לבין התנע של הכדור. לכן, כמות התנע שנלקחה מכם בזמן החבטה כמעט אינה מורגשת (המצב היה שונה אם במקום בכדור טניס חבטתם בכדור באולינג).

זה הרעיון שעומד מאחורי "מקלעת כבידתית" - תמרון בחלל שנועד לחסוך ב"הודף" (שהוא המונח המקצועי ל"דלק" [1]). הודף בחלל הוא מצרך יקר, עקב מגבלות מקום ומחסור בתחנות דלק. מעבר לזה, אנחנו צריכים להשתמש בהודף גם בשביל לבלום – שהרי בחלל אין חיכוך. אבל לפעמים, כשכוכבי לכת מסתדרים טוב, אפשר להשתמש בכבידה שלהם בשביל להאיץ (או להאט).

נסביר. כשחללית מתקרבת לעצם גדול בחלל, כמו כוכב לכת, היא מושפעת מכוח הכבידה שלו ונמשכת אליו. לכן, כשהחללית מתקרבת אל כוכב הלכת היא תאיץ, וכשתתרחק – היא תאט. יחסית לכוכב הלכת, מהירות ההגעה של החללית אליו תהיה שווה בערך למהירות ההתרחקות, כמו במקרה של כדור הטניס והמחבט. אבל כוכב הלכת נע מסביב לשמש, וכיוון שכך, החללית מקבלת תוספת מהירות יחסית לשמש, כמו שכדור הטניס קיבל תוספת מהירות יחסית לקרקע. ככל שחולפים קרוב יותר לכוכב הלכת, כך תוספת המהירות תגדל (אבל צריך להיזהר שלא להיכנס לאטמוספירה שלו אם ישנה). עם זאת, בניגוד לכדור הטניס, החללית מבצעת פניה של 90 מעלות יחסית לכיוון שממנו היא הגיעה, כלומר היא פונה מסביב לכוכב הלכת.

התמרון הזה, ה"מקלעת הכבידתית", נמצא בשימוש רחב במשימות חלל עמוקות. המגבלה של התמרון בכך שכוכבי לכת תמיד בתנועה, ולכן לפעמים התמרון מסביבם לא יקח אותנו לאן שהיינו רוצים להגיע. מצד שני, אם הפלנטות מסתדרות כמו שצריך, אפשר לקבל תוספת מהירות משמעותית, בחינם.

כך אכן קרה במקרה של וויאג'ר 2 [2], חללית אמריקאית ששוגרה ב-1977. המסלול והשיגור שלה תוכננו כך, שהיא נעזרה בארבעה (!) כוכבי לכת בשביל לצבור מהירות – צדק, שבתאי, אורנוס ונפטון. היום וויאג'ר 2 נמצאת מחוץ למערכת השמש.

אפשר להשתמש בתמרון גם בשביל להאט. לפי חוקי קפלר, כדי להגיע לכוכבי לכת קרובים יותר לשמש מכדור הארץ צריך להאט [3]. אם לדוגמה רוצים להגיע מכדור הארץ לכוכב חמה (מרקורי), צריך לאבד הרבה מהירות. כשחללית ממריאה, היא נעה מסביב לשמש בערך באותה מהירות כמו כדור הארץ - כמעט 30 קילומטר לשנייה. על מנת להקטין את המרחק מהשמש, החללית צריכה להאט, והרבה – בערך ב-12.5 קילומטר לשנייה (כלומר, יותר מהמהירות שנדרשת בשביל להמריא מכדור הארץ), כך שלבצע זאת בעזרת טיל זה מאתגר מאוד. לכן, חללית המשימה BepiColombo למרקורי [4] מבצעת סדרה של תמרוני מקלעת על מנת להאט את המהירות ולהגיע ליעדה, וכך יכולה להשתמש משמעותית בפחות הודף. יש לזה כמובן מחיר – במקום להגיע למרקורי בפחות משנה, יקח לחללית חמש שנים להשלים את המסע.

יבוא יום ובעיית המגבלה של הדלק בחלליות תיפתר. עד אז, נמשיך לגנוב תנע מכוכבי לכת, כי אין כמו אנרגיה בחינם.

עריכה: ינון קחטן

הערות והרחבות:

[1] פוסט על איך פועלים טילים

[2] כתבה של סוכנות החלל הישראלית על החללית וויאג'ר 2

[3] שינוי מסלולים בחלל

[4] כתבה על BepiColombo באתר הידען