Swing-by

Výkyv s vychýlením střely o 180 ° a 90 °. Jeho rychlost vzhledem k planetě (modrá šipka) zůstává stejná. Vektorové přidání rychlosti planety ve vztahu ke slunci (žlutá šipka) udává rychlost střely ve vztahu ke slunci (šedá šipka).

Anglický výraz swing-by - také známý jako prak, gravitační asistence (GA), odchylka gravitace nebo manévr s otočením - popisuje způsob vesmírného cestování, při kterém je relativně lehká kosmická loď (jako je vesmírná sonda ) blízko mnohem větší tělo (například planeta ) letí kolem. V této variantě průletuzmění se směr letu sondy, čímž lze také zvýšit nebo snížit její rychlost. Otočný manévr lze také kombinovat se zapalováním motoru. V případě velmi blízkého průletu lze za určitých okolností dosáhnout výrazně vyšší účinnosti paliva (viz Oberth Effect ).

Efekt výkyvu nastává také tehdy, když kometa, asteroid nebo (jak se to pravděpodobně stalo v rané historii sluneční soustavy) lehčí planeta prochází těžší planetou ve svém gravitačním poli. Pokud hmotnost lehčí planety není zanedbatelně malá ve srovnání s těžší planetou, těžší planeta také znatelně změní svoji oběžnou dráhu.

zásada

  • Časový průběh rychlosti během výkyvu

  • Swing-by pro načtení rychlosti

  • Swing-by pro snížení rychlosti

Když se sonda pohybuje gravitačním polem planety, je vychýlena svým gravitačním tahem. Ve vztahu k planetě se absolutní hodnota rychlosti sondy nemění v nekonečné vzdálenosti od planety , tj. H. orbitální energie kosmické lodi ve vztahu k planetě zůstává konstantní. Průhybem se změní pouze směr rychlosti.

Kromě toho se však planeta pohybuje kolem Slunce. Rychlost sondy vzhledem ke slunci je vektorovým součtem rychlosti sondy vzhledem k planetě a rychlosti planety kolem Slunce a tento součet se mění ve velikosti. Ve vztahu ke slunci je tedy sonda rychlejší nebo pomalejší. Jinými slovy: Gravitační síly mezi sondou a planetou spojují dva pohyby a umožňují výměnu orbitální energie mezi těmito dvěma pohyby.

účinky

V zásadě jsou výsledkem následující efekty:

  • Změna rychlosti v referenčním systému vyšší úrovně, d. H. orbitální energii kosmické lodi
  • Změna směru letu v rovině oběžné dráhy referenčního systému (např. Ekliptiky ) za účelem pozorování nových cílů
  • Změna úrovně cesty, např. B. Opuštění ekliptiky

Vzhledem k výrazně větší hmotnosti planety ve srovnání s kosmickou lodí nelze účinky na oběžnou dráhu planety měřit, zatímco orbitální energie sondy se může značně měnit.

Otočné manévry tak mohou sloužit k úspoře paliva na meziplanetárních letech, a proto také ke snížení nákladů. Získanou rychlost lze zkrátit, ale může se také prodloužit v důsledku objížďky. Na cílové planetě lze cestovní rychlost snížit otočením na satelitu (měsíc), aby se sonda dostala na oběžnou dráhu.

Srovnání s dopadovými procesy

Pro zjednodušení lze k ilustraci použít pružný náraz dvou těl, například čelní kontakt stolního tenisu s raketou na stolní tenis. Pokud raketa na stolní tenis spočívá nepohyblivě, míč se idealizuje (tj. Bez zohlednění tření, úhlu náběhu rakety atd.) Stejnou rychlostí. Pokud hráč posune pálku směrem k míči, odrazí se zpět (z pohledu diváka) vyšší rychlostí; naopak, hráč může zpomalit míč „vzetím“ rakety. Z „pohledu“ (setrvačného systému) rakety se vždy odskočí stejnou rychlostí, jinak by to nebyl pružný šok.

Trajektorie Voyager 2
  • Voyager 2
  • slunce
  • Země
  • Jupiter
  • Saturn
  • Uran
  • Neptune

    • Pokud se míček a raketa nesetkávají čelně, je třeba vzít v úvahu také složku boční rychlosti; stejné je to s výkyvem, protože vesmírná sonda nezasáhne planetu čelně. Při střídání dochází k interakci po delší dobu, ale základní princip je stejný.

    Plánování trasy

    Protože ve skutečnosti existuje alespoň problém se třemi těly (např. Sonda, planeta a slunce), nelze změny na oběžné dráze vypočítat analyticky, ale pouze numericky přesněji. Protože letový úhel a rychlost po průletu na sobě závisí, je rozsah vzdálenosti a polohy dalšího cílového objektu omezen. Pokud je zadáno několik cílů nebo je omezeno na určitou cestu a rychlost přiblížení k cíli, vytvoří se systém rovnic, který je numericky zkontrolován pro řešení. Řešení ( trajektorie ) většinou vedou pouze k úzkým časovým oknům zahájení v řádu dnů nebo týdnů, které u stejných cílů mise mohou být od sebe vzdáleny roky nebo desítky let. Rychlost startu ze Země a tedy náklady na rakety, stejně jako doba trvání mise, jsou také specifikacemi nebo výsledky výpočtů.

    příběh

    Rychlostní profil sondy Voyager 2. Únikové rychlosti ze sluneční soustavy (sluneční úniková rychlost) bylo možné dosáhnout pouze průletem u Jupitera . K dalšímu zvýšení rychlosti došlo na Saturnu a Uranu. Na Neptunu byla sonda přivedena blízko svého měsíce Tritonu; při tom byla přijata ztráta rychlosti.

    V počátcích cestování vesmírem se odehrály manévry pro změnu směru letu, například pomocí sondy Luna 3 (1959), která jako první obíhala kolem Měsíce a znovu nastavovala směr Země. Otočný manévr byl také použit v Apollu 13 (1970) k letu kolem Měsíce ve smyčce a přímém návratu. Se solární sondou Ulysses (1990) byl použit výkyv u Jupitera ke změně sklonu, aby se opustila rovina ekliptiky.

    Michael Minovitch , který pracoval v Laboratoři tryskového pohonu , objevil v roce 1961, že vesmírným sondám může být přidána další rychlost otočením . Dříve se považovalo za nemožné, aby se konvenční raketová technologie mohla někdy dostat na planety vnější sluneční soustavy. Důvodem je teoreticky předpokládané energetické minimum, které je dáno Hohmannovým přenosem, a skutečnost, že podle základní rovnice rakety požadovaná startovací hmotnost kosmické lodi exponenciálně roste s požadovanou konečnou rychlostí.

    První meziplanetární sondy využívající tuto technologii byly Pioneer 10 (1972: Země → Jupiter → mezihvězdný prostor), Pioneer 11 (1973: Země → Jupiter → Saturn → mezihvězdný prostor) a Mariner 10 (1973: Země → Venuše → Merkur ). Swing-by měl zvláštní význam pro dvě sondy Voyager (1977): Díky planetární konstelaci, ke které dochází pouze každých 176 let, mohl Voyager 2 navštívit planety Jupiter, Saturn, Uran a Neptun také jeden po druhém . když její sesterská sonda Voyager 1 , která navštívila Jupiter a Saturn, dosáhla třetí kosmické rychlosti, která je přivedla do mezihvězdného prostoru.

    Dráha letu NASA / ESA - kosmická sonda Cassini-Huygens : Po vzletu ze Země letěla dvakrát kolem Venuše , jednou kolem Země a jednou kolem Jupitera , dokud neměla dostatek kinetické energie prostřednictvím tohoto manévru výkyvem , jeho cílem byl Saturn dosáhnout.

    Mezitím byly vypuštěny vesmírné sondy se stále složitějšími trajektoriemi : Jupiterova sonda Galileo (1989) letěla kolem Venuše a dvakrát kolem Země, saturnská sonda Cassini-Huygens (1997) dvakrát kolem Venuše, Země a Jupitera. Mise Rosetta (2004) dosáhl Comet Churyumov-Gerasimenko přes několik otočným by manévrů na Zemi a Marsu , a Parker Solar Probe (2018) používá sedm fly-odstavných ploch zpomalit Venuši. Po celkem devíti výhybkách na Zemi, Venuše a Merkur se očekává, že BepiColombo (2025) vstoupí na oběžnou dráhu kolem Merkuru.

    Viz také

    literatura

    • B. Stanek: Vesmírný slovník. Halwag Verlag, Bern (1983), ISBN 3-444-10288-7 , str. 331-334.
    • Ernst Messerschmid, Stefanos Fasoulas: Vesmírné systémy: Úvod s cvičeními a řešeními. Springer Verlag, Berlin Heidelberg 2013, ISBN 978-3-662-09674-1 , s. 142–150 ( omezený náhled při vyhledávání knih Google).

    webové odkazy

    Commons : Gravitační praky  - sbírka obrázků, videí a zvukových souborů
    • Michael Müller: Swing-by. V archivu: Wissensnishorizont.de.

    Individuální důkazy

    1. ↑ Stefan Deiters: Sluneční soustava. Bylo tam jednou pět plynových gigantů? astronews.com, 16. listopadu 2011, přístup 16. dubna 2014 .
    2. ^ Laura Hennemann: Sluneční soustava. Vyděděná planeta. sterne-und-weltraum.de, 15. listopadu 2011, přístup dne 16. dubna 2014 . (Článek cituje zdroj: arxiv : 1109.2949 )
    3. ^ Gravitační pomocný základ. JPL / NASA, archivovány od originálu dne 26. července 2016 ; zpřístupněno 16. dubna 2014 .
    4. ↑ Oběžná dráha Luna 3. Planetární společnost, zpřístupněno 17. prosince 2018 .
    5. ^ W. David Woods: Jak Apollo přiletěl na Měsíc . Springer ( omezený náhled v Google Book Search).
    6. ^ M. Minovitch: Gravitační asistent.
    7. ↑ a b Richard L. Dowling et al: The Effect of Gravity-Propelled Interplanetary Space Travel on the Exploration of the Solar System: Historical Survey, 1961 to 2000. (PDF) In: History of Rocketry and Astronautics, AAS History Series, Vol 28. Donald C Elder, s. 339 , přístup 17. prosince 2018 .
    8. ↑ Reiner Klingholz: Marathon in Space: jedinečná cesta Voyageru 2 . Ullstein, 1992, ISBN 3-548-34870-X , str. 23 .
    9. ↑ SP-424 Mariner Venus-Mercury Mission. At: History.NASA.gov.
    10. ↑ https://sci.esa.int/web/bepicolombo/-/48871-getting-to-rtuť