Swing-by - fizikaiskola
A Tejút családfája
A nanodiamandok teljesen integrált vezérlése
Kicsit közelebb a naphoz
Távolság a csillagoktól
Mitől ragyognak a csillagok
Egyirányú utca az elektronok számára
Új számban talált több száz példányt Newton Philosophiae Naturalis Principia Mathematica-ból
Naprendszerünk kevesebb mint 200 000 év alatt alakult ki
Egészséges a Marson
Lendülés
Az angol kifejezés Lendülés - szintén Csúzli, gravitációs asszisztens (GA), Gravitációs eltérítés, gravitációs manőver vagy Lendüljön túl a manővereken nevezett - az űrutazás olyan módszerére utal, amelyben egy viszonylag könnyű űrhajó (például egy űrszonda) egy sokkal nagyobb test (például egy bolygó) közelében repül. A repülés ezen változatában a szonda repülési iránya megváltozik, és sebessége is növelhető vagy csökkenthető. A bolygó pályája jelentősen nagyobb tömeg miatt nem változik észrevehetően. A lengési manőver kombinálható a motor gyújtásával is. Nagyon szoros repülés esetén bizonyos körülmények között lényegesen magasabb üzemanyag-hatékonyság érhető el (lásd Oberth Effect).
A swing-by hatás akkor is bekövetkezik, amikor egy könnyebb bolygó vagy aszteroida gravitációs területén elhalad egy nehezebb bolygó mellett. Ha azonban a könnyebb bolygó tömege nem elhanyagolhatóan kicsi a nehezebbhez képest, akkor a nehezebb bolygó is észrevehetően megváltoztatja a nappályáját. [1] [2]
elv
Ha egy szonda átrepül egy bolygó gravitációs mezőjén, akkor gravitációs vonzereje eltéríti azt, és a bolygó mozgásának leírására használt referenciakeretben sebességváltozást tapasztal. Attól függően, hogy a szonda keresztezi-e pályáját a bolygó előtt vagy mögött, sebessége csökken vagy nő ebben a referenciakeretben.
A bolygó szempontjából a szonda nem gyorsul vagy lassul, csak elhajlik. De a bolygó a Nap körül is mozog. Ezért a szonda sebességét megváltoztatták a nap szempontjából.
Hibák az egyszerűsített ábrázolásban
Az energia és a lendület megőrzési törvényei érvényesek. Mivel nincs kinetikus energia, de a bolygó kinetikus energiájának egy kis részét átadja a szondának (vagy fordítva), ezért a bolygó pályája is megváltozik, de csak észrevétlenül, mert a bolygó tömege sokkal nagyobb, mint a szonda.
A bolygó gravitációs tere is végtelenül kiterjed, ezért soha nem hagyható el. A bolygótól való távolság növekedésével azonban a gravitációs vonzata olyan gyengévé válik, hogy egy bizonyos ponton a nap gravitációs vonzereje egyre fontosabbá válik, és a szonda a nap körüli pályán van.
Más testek és relativisztikus hatásokat az egyszerűség kedvéért elhanyagolták.
Összehasonlítás az ütközési folyamatokkal
A dolgok egyszerűsítése érdekében két test rugalmas hatása is használható szemléltetésre. [3] Két test gyakorlati ütközési folyamataival való összehasonlítás azonban csak akkor lehetséges, ha az ember feltételezi ezek súrlódásának mentességét ezekben és a „swing-by” manőverben, és a megfontolás a folyamatot közvetlenül megelőző és követő sebességek mennyiségére és irányára korlátozódik. A swing-by mellett az összehasonlítási pozícióknak ugyanabban a távolságban kell lenniük a bolygótól a referenciarendszerében.
E redukció nélkül z. B. Az asztaliteniszben az ütővel és a levegővel való súrlódás (Magnus-effektus) szintén nagy szerepet játszik. Még összehasonlítás esetén is kerülni kell a fékezést vagy a tolást. A swing-by-ban a megközelítés és a felszállás közötti szöget a sebesség és a megközelítés határozza meg, míg az asztalitenisznél az ütő támadási szöge. A folytonos pályaformák két testtel a swing-by-ban Kepler törvényeit követik, míg az asztaliteniszben a ballisztikát.
Hatások
Alapvetően a következő hatások következnek:
- Sebességváltozás, pl. B. a Naphoz közelebb eső célpontokhoz, mint a Vénusz, vagy távolabbi célpontokhoz, mint a Vénusz
- A repülési irány megváltoztatása az ekliptika pályasíkján belül új célok meglátása érdekében
- A pálya síkjának változása, d. H. Elhagyva az ekliptikát
A gyorsított manőverek így üzemanyag-megtakarítást szolgálhatnak a bolygóközi repüléseken, és ezáltal csökkenthetik a költségeket is. Az utazási idő a megszerzett sebességgel lerövidíthető, de a kitérők hatására is növekedhet. A célbolygón az utazási sebesség csökkenthető egy kísérőn (holdon) történő lengéssel, hogy a szonda pályára kerüljön.
Útvonaltervezés
Mivel a valóságban van legalább egy háromtestes probléma (pl. Szonda, bolygó és nap), a pálya változásai nem számíthatók analitikusan, hanem csak numerikusan pontosabban. Mivel a repülési szög és a sebesség az áthaladás után függ egymástól, a távolság és a következő célobjektum helyzete korlátozott. Ha több célpont van megadva és/vagy egy adott megközelítési útvonalra és sebességre korlátozódik, akkor létrejön egy egyenletrendszer, amelyet numerikusan ellenőriznek a megoldások szempontjából. A megoldások (pályák) többnyire csak szűk kezdési időablakokat eredményeznek, napok vagy hetek sorrendjében, amelyek ugyanazon küldetéscélok esetében évek vagy sok évtized különbséggel járhatnak. A földről történő indulás sebessége és így a rakéták költsége, valamint a küldetés időtartama szintén a számítások specifikációja vagy eredménye.
sztori
Michael Minovitch 1961-ben fedezte fel a swing-by manőverek jelentőségét az űrutazás során, és a sugárhajtómű laboratóriumában tanulmányozta. Az első lendületes manővert 1970-ben hajtották végre az Apollo 13 küldetés során. Az oxigéntartály robbanása után a legénység a Hold körüli lengő manőver segítségével megmenthette magát a földre. 1974 februárjában a Mariner 10 volt az első űrhajó, amely manőverezni kezdett egy másik bolygón, és a Vénusz mellett repülve eléggé lelassult ahhoz, hogy elérje a Merkúr bolygót. Ez lehetővé tette az űrszonda elindítását egy olcsóbb Atlas Centaurral (a Titan IIIC-hez képest), és meglátogathatta a Vénuszt is. [5] Manapság szinte minden olyan bolygóközi űrszonda, amelynek végállomása nem a Mars vagy a Vénusz, használja ezt a technológiát.
Példák
A Voyager szondák minden effektust célzottan, több lendületes manőverben használtak fel a külső bolygók feltárására. Tehát üzemanyagot takarítottak meg az elején, vagy lerövidítették a küldetés idejét a Jupiternél kezdődő gyorsulási effektus révén. A repülés irányának megváltoztatásával egyik külső bolygó felé indultak a másik után (Grand Tour). A Szaturnuszon végzett lendüléssel a szondák elérték a harmadik kozmikus sebességet. A swing-by nélkül a Voyager 2-nek több mint kétszer olyan hosszú idő kellett volna, hogy elérje a Neptunust. A pálya síkjának változása közelebb hozta a Voyager 1-et a Szaturnusz Titan holdjához. Az ekliptika elhajlásával azonban nem volt más égitest, amely lendülési manőverrel visszafordulhatott volna.
A Hold-küldetések során swing-by manővereket használtak a Hold körüli hurokban történő repüléshez. [6]
A kilengéseket gyakran nem használják az utazási idők lerövidítésére, sokkal inkább űrszondák indítására olyan hordozórakétákkal, amelyek túl gyengék a célhoz való közvetlen repüléshez. A cél elérése érdekében az űrszondának egy vagy több átugrást kell végrehajtania a szükséges sebesség elérése érdekében. Ez jelentősen meghosszabbítja a repülési időt, mint a közvetlen járat esetén. Leginkább ennek a megközelítésnek az az oka, hogy egy nagyobb hordozórakéta drágább lenne, mint a hosszabb küldetésidő. Csak néha, mint pl B. a Cassini-Huygensnél a szonda olyan nehéz, hogy még a legnagyobb hordozórakéta sem elegendő egy közvetlen repüléshez.
Különösen a második oknál vannak nagyobb kitérők. Például a Szaturnusz felé vezető Cassini-Huygens szondát a kívánt sebességre hozták, először kétszer a Vénusz, majd egyszer a Föld.
A lengéskorlátokat ritkán használják a dőlésszög annyira megváltoztatására, mint az Ulysses napszondával, hogy elhagyják az ekliptika síkját.
A napelemes szondát, amelyet nem valósítottak meg, a Jupiternél egy lengés által egy poláris nappályára kellett volna vinni, amelynek perihéliuma csak három napsugárral volt a napfelszín felett, és amelynek afelülete a Jupiter pályájának szintjén lett volna. [7] Ez nemcsak nagymértékben megváltoztatta volna a hajlandóságot, mint Ulysses, hanem rendkívül lelassult volna.
A Rosetta-misszióhoz elrugaszkodó manővereket is terveztek. A 46P/Wirtanen üstökös eredetileg kiszámított kezdési időablakának meghibásodása miatt, a rakétával kapcsolatos problémák miatt, új útvonalat kellett találni, amely a Churyumov-Gerassimenko üstökös megközelítéséhez vezetett a Földön és a Marson végzett többféle manőver segítségével.
Swing-bys az animációban
A kép alsó részén látható piros görbe az űrszonda sebességét mutatja az idő múlásával.