Swing-by - școală de fizică

Arborele genealogic al Căii Lactee

Control complet integrat al nanodiamantelor

Un pic mai aproape de soare

Distanțe față de stele

Ceea ce face strălucirea stelelor

Stradă cu sens unic pentru electroni

Sute de exemplare ale lui Newton's Philosophiae Naturalis Principia Mathematica găsite într-un nou număr

Sistemul nostru solar a fost format în mai puțin de 200.000 de ani

Sănătos pentru Marte

Treci pe la

Termenul englezesc Treci pe la - de asemenea Slingshot, asistență gravitațională (GA), Deviere gravitațională, manevră gravitațională sau Manevre de trecere numit - se referă la o metodă de călătorie spațială în care o navă spațială relativ ușoară (cum ar fi o sondă spațială) zboară aproape de un corp mult mai mare (cum ar fi o planetă). În această variantă a unui flyby, direcția de zbor a sondei este modificată, iar viteza acesteia poate fi, de asemenea, mărită sau scăzută. Orbita planetei nu este modificată în mod vizibil din cauza masei sale semnificativ mai mari. O manevră swing-by poate fi, de asemenea, combinată cu o aprindere a motorului. Cu treceri foarte apropiate, se poate obține o eficiență semnificativ mai mare a combustibilului în anumite circumstanțe (vezi Efectul obert).

Efectul swing-by apare și atunci când o planetă mai ușoară sau un asteroid trece pe o planetă mai grea în câmpul său gravitațional. Cu toate acestea, dacă masa planetei mai ușoare nu este neglijabil de mică în comparație cu cea mai grea, planeta cea mai grea își va schimba, de asemenea, orbita solară în mod vizibil. [1] [2]

principiu

Dacă o sondă zboară prin câmpul gravitațional al unei planete, aceasta este deviată de atracția gravitațională și experimentează o schimbare de viteză în cadrul de referință care este folosit pentru a descrie mișcarea planetară. În funcție de faptul dacă sonda își traversează orbita în fața sau în spatele planetei, viteza sa scade sau crește în acest cadru de referință.

Din punctul de vedere al planetei, sonda nu este accelerată sau decelerată, ci doar deviată. Dar planeta se mișcă și în jurul soarelui. Prin urmare, viteza sondei a fost modificată din punctul de vedere al soarelui.

Erori în reprezentarea simplificată

Se aplică legile de conservare a energiei și a impulsului. Deoarece nu există energie cinetică, dar planeta transferă o mică parte a energiei sale cinetice către sondă (sau invers), orbita planetei este, de asemenea, schimbată, dar numai imperceptibil, deoarece planeta are o masă mult mai mare decât sonda.

De asemenea, câmpul gravitațional al planetei se extinde infinit și, prin urmare, nu poate fi lăsat niciodată. Cu toate acestea, odată cu creșterea distanței față de planetă, atracția gravitațională a acesteia devine atât de mică încât la un moment dat atracția gravitațională a soarelui este mai decisivă, iar sonda se află pe o orbită în jurul soarelui.

Influențele altor corpuri și efectele relativiste au fost, de asemenea, neglijate din simplitate.

Comparație cu procesele de impact

Pentru a simplifica lucrurile, impactul elastic al celor două corpuri poate fi folosit și pentru ilustrare. [3] Comparația cu procesele de impact practice a două corpuri este posibilă numai dacă unul presupune lipsa de frecare în acestea și în manevra de swing-by și luarea în considerare este limitată la cantitățile și direcțiile vitezei imediat înainte și după proces. Cu swing-by, pozițiile de comparație trebuie să fie, de asemenea, la aceeași distanță de planetă în sistemul său de referință.

Fără această reducere z. În tenisul de masă, de exemplu, fricțiunea cu racheta și cu aerul (efect Magnus) joacă, de asemenea, un rol major. Pentru această comparație, trebuie evitate chiar și manevrele de frânare sau împingere. În swing-by, unghiul dintre apropiere și decolare este determinat de viteză și apropiere, în timp ce în tenisul de masă este determinat de unghiul de atac al rachetei. Formele de cale continuă în swing-by cu două corpuri respectă legile lui Kepler, în timp ce în tenisul de masă urmează balistica.

Efecte

Practic, rezultă următoarele efecte:

Schimbarea vitezei, de ex. B. pentru ținte mai apropiate de Soare decât Venus sau ținte mai îndepărtate decât Marte
Schimbarea direcției de zbor în planul orbitei eclipticii pentru a vedea noi ținte
Schimbarea planului orbitei, d. H. Părăsirea eclipticii

Manevrele swing-by pot servi astfel la economisirea combustibilului pe zborurile interplanetare și, prin urmare, la reducerea costurilor. Timpul de deplasare poate fi scurtat de viteza câștigată, dar poate crește și ca urmare a ocolirii. Pe planeta țintă, viteza de deplasare poate fi redusă cu un swing-by pe un însoțitor (luna) pentru a aduce sonda pe orbită.

Planificarea traseului

Deoarece în realitate există cel puțin o problemă cu trei corpuri (de exemplu, sondă, planetă și soare), modificările orbitei nu pot fi calculate analitic, ci doar mai numeric. Deoarece unghiul de zbor și viteza depind unele de altele după trecere, scopul pentru distanță și poziția următorului obiect țintă este limitat. Dacă mai multe ținte sunt specificate și/sau limitate la o cale de abordare specifică și viteză la țintă, se creează un sistem de ecuații care este verificat numeric pentru soluții. Soluțiile (traiectorii) au ca rezultat majoritatea doar ferestre de timp de pornire înguste în ordinea zilelor sau săptămânilor, care pentru aceleași obiective ale misiunii pot fi distanțate la ani sau la multe decenii. Viteza de lansare de pe pământ și, prin urmare, costul rachetelor, precum și durata misiunii sunt, de asemenea, specificații sau rezultate ale calculelor.

poveste

Importanța manevrelor swing-by pentru călătoriile spațiale a fost descoperită de Michael Minovitch în 1961 și studiată la Jet Propulsion Laboratory. Prima manevră swing-by a fost efectuată în 1970 în timpul misiunii Apollo 13. După explozia unui rezervor de oxigen, echipajul a reușit să se salveze înapoi pe pământ printr-o manevră swing-by în jurul lunii. În februarie 1974, Mariner 10 a fost prima navă spațială care a oscilat cu manevra pe o altă planetă și, zburând pe lângă Venus, a fost încetinită suficient pentru a ajunge la planeta Mercur. Acest lucru a permis sondei spațiale să înceapă cu un Atlas Centaur mai ieftin (în comparație cu Titan IIIC) și să viziteze Venus. [5] Astăzi, aproape toate sondele spațiale interplanetare care nu au Marte sau Venus ca destinație finală utilizează această tehnologie.

Exemple

Sondele Voyager au folosit toate efectele în mod țintit în mai multe manevre swing-by pentru a explora planetele exterioare. În acest fel au economisit combustibil la început și au scurtat timpul misiunii datorită efectului de accelerație începând de la Jupiter. Schimbând direcția de zbor, s-au îndreptat către o planetă exterioară după alta (Grand Tour). Odată cu trecerea pe Saturn, sondele au atins a treia viteză cosmică. Fără swing-by, ar fi trebuit Voyager 2 mai mult de două ori mai mult până să ajungă la Neptun. Schimbarea în planul orbitei l-a adus pe Voyager 1 mai aproape de luna Titan a lui Saturn. Cu devierea de la ecliptică, totuși, nu a existat nici un alt corp ceresc care să se întoarcă înapoi prin manevră swing-by.

În misiunile lunare, manevrele swing-by erau folosite pentru a zbura în jurul lunii în buclă. [6]

Swing-by-urile nu sunt adesea folosite pentru a scurta timpii de deplasare, ci mai degrabă pentru a lansa sonde spațiale cu vehicule de lansare care sunt prea slabe pentru a zbura direct către țintă. Pentru a atinge obiectivul oricum, sonda spațială trebuie să efectueze unul sau mai multe swing-by-uri pentru a atinge viteza necesară. Acest lucru face ca timpul de zbor să fie semnificativ mai lung decât în cazul unui zbor direct. În principal, motivul acestei abordări este că un lansator mai mare ar fi mai scump decât timpul de misiune mai lung. Doar uneori, cum ar fi B. la Cassini-Huygens, sonda este atât de grea încât nici cel mai mare lansator nu este suficient pentru un zbor direct.

Cu al doilea motiv în special, există ocoliri majore. De exemplu, sonda Cassini-Huygens în drumul său spre Saturn a fost adusă la viteza necesară, mai întâi de două ori de Venus și apoi o dată de Pământ.

Swing-by-urile sunt rareori folosite pentru a schimba înclinația la fel de mult ca și cu sonda solară Ulise, pentru a părăsi planul eclipticii.

Sonda solară, care nu a fost realizată, ar fi trebuit să fie adusă pe o orbită solară polară printr-un leagăn la Jupiter, al cărui periheliu se afla la doar trei raze solare deasupra suprafeței solare și a cărui afeliu ar fi fost la nivelul orbitei lui Jupiter. [7] Nu numai că ar fi schimbat foarte mult înclinația ca Ulise, dar ar fi fost, de asemenea, extrem de încetinită.

De asemenea, pentru misiunea Rosetta au fost planificate manevre swing-by. Datorită eșecului ferestrei de timp calculată inițial pentru cometa 46P/Wirtanen din cauza problemelor cu racheta, a trebuit găsită o nouă rută, care a condus apoi la o apropiere a cometei Churyumov-Gerassimenko prin mai multe manevre de swing pe Pământ și Marte.

Swing-by-uri în animație

Curba roșie din partea inferioară a imaginii arată viteza sondei spațiale în timp.