Swing-by - škola fyziky

Rodokmeň Mliečnej dráhy

Plne integrovaná kontrola nanodiamantov

Trochu bližšie k slnku

Vzdialenosti od hviezd

Čo žiari hviezdy

Jednosmerná ulica pre elektróny

Stovky výtlačkov Newtonovej knihy Philosophiae Naturalis Principia Mathematica nájdené v novom počte

Naša slnečná sústava sa sformovala za menej ako 200 000 rokov

Zdravý na Mars

Swing-by

Anglický výraz Swing-by - tiež Prak, gravitačná asistencia (GA), Gravitačné odklonenie, gravitačné manévre alebo Otočte sa okolo manévrov nazývaný - označuje metódu vesmírneho cestovania, pri ktorej letí pomerne ľahká kozmická loď (napríklad vesmírna sonda) v blízkosti oveľa väčšieho telesa (napríklad planéty). V tomto variante preletu sa mení smer letu sondy a môže sa tiež zvyšovať alebo znižovať jej rýchlosť. Dráha planéty sa nijako výrazne nemení kvôli jej podstatne väčšej hmotnosti. Otočný manéver je možné kombinovať aj so zapaľovaním motora. V prípade veľmi krátkeho preletu možno za určitých okolností dosiahnuť výrazne vyššiu účinnosť paliva (pozri Oberth Effect).

Účinok výkyvu nastáva aj vtedy, keď ľahšia planéta alebo asteroid prechádza ťažšou planétou v jej gravitačnom poli. Ak však hmotnosť ľahšej planéty nie je zanedbateľne malá v porovnaní s hmotnosťou ťažšej, ťažšia planéta tiež výrazne zmení svoju slnečnú obežnú dráhu. [1] [2]

princíp

Keď sonda preletí gravitačným poľom planéty, je vychýlená svojim gravitačným ťahom a dôjde k zmene rýchlosti v referenčnom rámci, ktorý sa používa na popis planetárneho pohybu. V závislosti od toho, či sonda pretína svoju obežnú dráhu pred alebo za planétou, sa jej rýchlosť v tomto referenčnom rámci znižuje alebo zvyšuje.

Z pohľadu planéty nie je sonda zrýchlená ani spomalená, iba vychýlená. Planéta sa ale pohybuje aj okolo slnka. Preto bola rýchlosť sondy zmenená z pohľadu slnka.

Chyby v zjednodušenom znázornení

Uplatňujú sa zákony na zachovanie energie a hybnosti. Pretože neexistuje kinetická energia, ale planéta prenáša malú časť svojej kinetickej energie na sondu (alebo naopak), mení sa aj obežná dráha planéty, ale iba nepostrehnuteľne, pretože planéta má oveľa vyššiu hmotnosť ako sonda.

Gravitačné pole planéty sa tiež rozširuje nekonečne a preto ho nikdy nemožno opustiť. S narastajúcou vzdialenosťou k planéte sa však jeho gravitačný ťah stáva tak nízkym, že v určitom okamihu sa stáva gravitačný ťah slnka rozhodnejším a sonda je na obežnej dráhe okolo slnka.

Pre jednoduchosť boli tiež zanedbané vplyvy iných orgánov a relativistické efekty.

Porovnanie s nárazovými procesmi

Pre zjednodušenie možno na ilustráciu použiť aj pružný náraz dvoch telies. [3] Porovnanie praktických nárazových procesov dvoch telies je možné len vtedy, ak sa predpokladá, že pri týchto a výkyvných manévroch dôjde k treniu. Pri výkyve musia byť porovnávacie polohy tiež v rovnakej vzdialenosti od planéty v jej referenčnom systéme.

Bez tejto redukcie z. Napríklad v stolnom tenise hrá hlavnú úlohu trenie s raketou a so vzduchom (Magnusov efekt). Aj v prípade porovnania je potrebné vyhnúť sa brzdeniu alebo zatlačeniu. Pri výkyve je uhol medzi priblížením a vzletom určený rýchlosťou a priblížením, zatiaľ čo v stolnom tenise je určený uhlom nábehu rakety. Kontinuálne dráhy v hojdačke s dvoma telami sa riadia Keplerovými zákonmi, zatiaľ čo v stolnom tenise sa riadia balistikou.

Účinky

V zásade sú výsledkom tieto účinky:

Zmena rýchlosti napr. B. pre ciele bližšie k Slnku ako Venuša alebo vzdialenejšie ciele ako Mars
Zmena smeru letu v obežnej rovine ekliptiky na zameranie nových cieľov
Zmena obežnej dráhy, d. H. Opustenie ekliptiky

Otočné manévre tak môžu slúžiť na úsporu paliva na medziplanetárnych letoch, a teda aj na zníženie nákladov. Čas jazdy sa dá skrátiť získanou rýchlosťou, ale môže sa tiež predĺžiť v dôsledku obchádzok. Na cieľovej planéte možno cestovnú rýchlosť znížiť výkyvom na spoločníkovi (mesiaci), aby sa sonda dostala na obežnú dráhu.

Plánovanie trasy

Pretože v skutočnosti existuje problém najmenej troch telies (napr. Sonda, planéta a slnko), zmeny na obežnej dráhe nemožno vypočítať analyticky, ale iba numericky presnejšie. Pretože uhol letu a rýchlosť po prechode navzájom závisia, je rozsah vzdialenosti a polohy nasledujúceho cieľového objektu obmedzený. Ak je zadaných viac cieľov alebo je ich počet obmedzený na určitú cestu a rýchlosť priblíženia k cieľu, vytvorí sa systém rovníc, ktorý je číselne kontrolovaný na nájdenie riešení. Výsledkom riešení (trajektórií) sú väčšinou iba úzke počiatočné časové okná rádovo dní alebo týždňov, ktoré môžu byť pre rovnaké ciele misie od seba vzdialené roky alebo desiatky rokov. Rýchlosť štartu zo zeme a tým aj náklady na rakety, ako aj trvanie misie sú tiež špecifikáciami alebo výsledkami výpočtov.

príbeh

Dôležitosť obratných manévrov pre cestovanie vesmírom objavil Michael Minovitch v roku 1961 a študoval na Jet Propulsion Laboratory. Prvý manéver s obratom sa uskutočnil v roku 1970 počas misie Apollo 13. Po výbuchu kyslíkovej nádrže sa posádka dokázala zachrániť naspäť na Zem pomocou prudkého manévru okolo Mesiaca. Vo februári 1974 bol Mariner 10 prvou kozmickou loďou, ktorá manévrovala manévrom na inej planéte, a preletom okolo Venuše bola dostatočne spomalená, aby sa dostala na planétu Merkúr. To umožnilo zahájiť vesmírnu sondu lacnejším Atlasom Kentaur (v porovnaní s Titanom IIIC) a tiež navštíviť Venušu. [5] Dnes túto technológiu využívajú takmer všetky medziplanetárne vesmírne sondy, ktoré ako konečný cieľ nemajú Mars alebo Venušu.

Príklady

Sondy Voyager cielene využili všetky efekty pri niekoľkých manévroch otočením na preskúmanie vonkajších planét. Takže pri štarte ušetrili palivo alebo skrátili čas misie prostredníctvom akceleračného účinku začínajúceho na Jupiteri. Zmenou smeru letu smerovali na jednu vonkajšiu planétu za druhou (Grand Tour). S prepnutím na Saturn dosiahli sondy tretiu kozmickú rýchlosť. Bez zmeny polohy by Voyager 2 trvalo viac ako dvakrát tak dlho, kým by sa dostalo na Neptún. Zmena obežnej dráhy priniesla Voyager 1 bližšie k Saturnovmu mesiacu Titan. S odklonením od ekliptiky však už nebolo iného nebeského telesa, ktoré by sa dalo otočiť manévrovaním.

Pri mesačných misiách sa pomocou otočných manévrov lietali okolo mesiaca v slučke. [6]

Swing-bys sa často nepoužívajú na skrátenie cestovných časov, ale skôr na vypustenie vesmírnych sond raketami, ktoré sú príliš slabé na priamy let k cieľu. Aby bolo aj tak možné dosiahnuť cieľ, musí vesmírna sonda vykonať jeden alebo viac výkyvov, aby dosiahla potrebnú rýchlosť. Takto je doba letu podstatne dlhšia ako pri priamom lete. Dôvodom tohto prístupu je väčšinou to, že väčší launcher by bol nákladnejší ako dlhší čas misie. Len niekedy, ako napr B. pri Cassini-Huygens je sonda taká ťažká, že ani najväčší odpaľovač nestačí na priamy let.

Najmä z druhého dôvodu existujú veľké obchádzky. Napríklad sonda Cassini-Huygens na ceste k Saturnu bola privedená na požadovanú rýchlosť, najskôr dvakrát Venušou a potom raz Zemou.

Výkyvy sa zriedka používajú na zmenu sklonu tak ako u solárnej sondy Ulysses, aby sa opustila rovina ekliptiky.

Slnečná sonda, ktorá sa nerealizovala, mala byť na polárnu slnečnú obežnú dráhu privedená výkyvom pri Jupiteri, ktorého perihélium bolo iba tri slnečné polomery nad slnečným povrchom a ktorého afélium by bolo na úrovni obežnej dráhy Jupitera. [7] To by nielen výrazne zmenilo sklon ako Ulysses, ale tiež by to bolo veľmi spomalené.

S misiou Rosetta sa počítalo aj s obratmi. Kvôli zlyhaniu pôvodne vypočítaného času začiatku kométy 46P/Wirtanen kvôli problémom s raketou bolo treba nájsť novú trasu, ktorá potom viedla k priblíženiu ku kométe Čurjumov-Gerassimenko prostredníctvom niekoľkých manévrov otočením na Zemi a Marse.

Výkyvy v animácii

Červená krivka v dolnej časti obrázka zobrazuje rýchlosť vesmírnej sondy v čase.