Эффект Оберта
Эффе́кт О́берта — в космонавтике — эффект, проявляющийся в том, что ракетный двигатель, движущийся с высокой скоростью, совершает больше полезной работы, чем такой же двигатель, движущийся медленно.
Эффект Оберта вызывается тем, что при движении с высокой скоростью топливо имеет больше энергии[1], доступной для использования (при скорости, превышающей половину скорости реактивной струи, кинетическая энергия может превысить потенциальную химическую энергию), и эта энергия может использоваться для получения большей механической мощности. Назван в честь Германа Оберта, одного из учёных, разрабатывавших ракетные технологии, который впервые описал эффект[2].
Эффект Оберта используется при пролётах тел с включённым двигателем в так называемом манёвре Оберта, при котором импульс двигателя применяется при наибольшем сближении с гравитирующим телом (при низком гравитационном потенциале — низкой потенциальной энергии и высокой скорости — большой кинетической энергии, так как сумма этих энергий в системе, над которой не производится работа, постоянна). В таких условиях включение двигателя даёт большее изменение кинетической энергии и достигаемой в результате манёвра скорости по сравнению с тем же импульсом, применённым вдали от тела. Для получения наибольшего выигрыша от эффекта Оберта требуется, чтобы космический аппарат смог создать максимальный импульс на наименьшей высоте; из-за этого манёвр практически бесполезен при использовании двигателей с относительно низкой тягой, но с высоким удельным импульсом, например, ионного двигателя.
При объяснении принципа действия многоступенчатых ракет также можно пользоваться эффектом Оберта: верхние ступени создают больше кинетической энергии, чем ожидается при простом анализе по химической энергии топлива, которое они несут. Исторически непонимание этого эффекта приводило ученых к выводу о том, что межпланетные перелёты потребуют нереалистично большого количества топлива[2].
Ракетные двигатели создают (в вакууме) одинаковую силу вне зависимости от их скорости. Двигатель, установленный на неподвижном аппарате (например, при проведении стендовых огневых испытаний), не производит полезной работы, химическая энергия топлива полностью уходит на ускорение газов. Но при движении ракеты тяга двигателя действует на протяжении траектории движения. Сила, действующая при изменении положения тела, производит механическую работу. Чем дальше (быстрее) ракета и полезная нагрузка переместятся за время работы двигателя, тем бо́льшую кинетическую энергию получит ракета, и тем меньшую — продукты сгорания.
где — кинетическая энергия, — сила (тягу двигателя рассматриваем как постоянную), — пройденное расстояние. Дифференцируя по времени, мы получим
