Uproszczony przykład asysty grawitacyjnej: prędkość pojazdu zmienia się o dwukrotność prędkości planety.
Asysta grawitacyjna – w
astrodynamice
pojęcie określające zmianę
prędkości
i kierunku lotu kosmicznego przy użyciu pola grawitacyjnego
planety
lub innego dużego
ciała niebieskiego
. Jest to obecnie powszechnie używana metoda uzyskiwania prędkości pozwalających osiągnąć zewnętrzne planety
Układu Słonecznego
. Została opracowana w 1959 roku w
moskiewskim
Instytucie Matematyki im. Stiekłowa
. [1]
Asysta grawitacyjna zmienia kierunek w którym porusza się pojazd, nie zmieniając jego prędkości względem planety. Umożliwia to zwiększenie prędkości względem
Słońca
maksymalnie o dwukrotność
prędkości orbitalnej
planety - podobnie jak przy
zderzeniu sprężystym
(choć w tym przypadku nie ma fizycznego kontaktu).
Powody używania asysty grawitacyjnej
Manewrowanie w przestrzeni międzyplanetarnej wymaga brania pod uwagę grawitacji Słońca. Pojazdy wysyłane w kierunku wewnętrznych planet –
Wenus
i
Merkurego
, zbliżając się do Słońca nabierają prędkości i aby wejść na ich orbitę muszą ją jakoś zmniejszyć. Z kolei pojazdy wysyłane w kierunku zewnętrznych planet muszą nabrać odpowiedniej prędkości, aby móc oddalić się na wystarczającą odległość od Słońca. Realizacja tego przy pomocy
napędu rakietowego
wymaga dużych ilości paliwa – dlatego poszukuje się innych metod.
W przypadku lotów do najbliższych planet:
Marsa
i
Wenus
, używa się
manewru transferowego Hohmanna
–
eliptycznej
trajektorii
stycznej
zarówno do początkowej jak i końcowej orbity. Ta metoda pozwala zużyć minimalną ilość paliwa, ale jest bardzo powolna – lot z Ziemi na Marsa w ten sposób trwa ponad
rok
. Lot do zewnętrznych planet trwałby dziesiątki lat, a zużycie paliwa i tak byłoby bardzo duże.
Ograniczenia asysty grawitacyjnej
Głównym ograniczeniem asysty grawitacyjnej jest konieczność dostosowania się do aktualnego położenia planet. Przykładowo sonda
Voyager 2
w swojej misji przeleciała kolejno obok
Jowisza
,
Saturna
,
Urana
i
Neptuna
– ale umożliwiająca to odpowiednia konfiguracja planet powtórzy się dopiero w połowie XXII wieku. Nawet znacznie mniej ambitne loty często mogą być przeprowadzane tylko w odpowiednich momentach.
Innego typu ograniczeniem są
atmosfery
planet, które wykorzystuje się do asysty. Im bliżej planety przelatuje statek kosmiczny, tym większa
siła
działa na niego. Jednak przy zbytnim zbliżeniu,
opór atmosfery
powoduje utratę prędkości (choć w niektórych przypadkach ten efekt może być przydatny).
Wykorzystywanie do asysty Słońca nie ma praktycznego sensu, gdyż środek masy Układu Słonecznego pozostaje pod powierzchnią Słońca. Jednak używanie silników w pobliżu Słońca może zwiększyć ich efektywność (patrz niżej, w sekcji asysta wspomagana). Ograniczeniem w tym przypadku jest wytrzymałość pojazdu na
temperaturę
w pobliżu Słońca.
Można rozważać również międzygwiezdne asysty – np. użycie Słońca przez pojazd spoza Układu, do uzyskania większej prędkości względem innych obiektów
Drogi Mlecznej
. Biorąc pod uwagę zysk prędkości (rzędu setek km/sek) w stosunku do odległości o jakich mowa, byłoby to przydatne jedynie przy lotach trwających tysiące lat.
Istnieje fundamentalne ograniczenie możliwości asysty grawitacyjnej, wynikające z
ogólnej teorii względności
. Jeśli pojazd zbliżyłby się za bardzo do
horyzontu
czarnej dziury
, zakrzywienie
czasoprzestrzeni
zabrałoby mu więcej prędkości niż uzyskałby przy użyciu asysty. Jedynie obracająca się czarna dziura mogłaby nadać dodatkową prędkość, z powodu efektu wleczenia układów inercjalnych. W odpowiedniej konfiguracji pojazd mógłby, wrzucając część masy pod horyzont zdarzeń, przejąć część momentu obrotowego takiej czarnej dziury.
Przykłady zastosowania asysty
Mariner 10 – pierwsze użycie
Pierwszy raz zastosowano asystę grawitacyjną w misji
Mariner 10
. Przechodząc obok Wenus
5 lutego
1974
roku, sonda zmieniła swoją trajektorię, tak aby przelecieć później obok Merkurego.
Sonda Cassini – wielokrotna asysta
Sonda
Cassini-Huygens
w drodze na Saturna przeszła dwukrotnie obok Wenus, następnie obok Ziemi i wreszcie obok Jowisza. Jej lot trwał ponad sześć i pół roku (manewr Hohmanna trwałby 6 lat), ale sumaryczne wymagał przyspieszania silnikami jedynie o 2 km/s, co było szczególnie istotne ze względu na duże rozmiary sondy (manewr Hohmanna wymagałby przyspieszeń o 15,7 km/s).
Voyager 1 – najszybszy i najdalszy sztuczny obiekt
Voyager 1
jest obecnie ponad 15 miliardów kilometrów (101
j.a.
) od Słońca, na granicy pomiędzy Układem Słonecznym a
przestrzenią międzygwiezdną
. Ma wystarczającą prędkość aby opuścić Układ, dzięki asyście Jowisza i Saturna.[2]
Sonda Ulysses – wyjście poza płaszczyznę ekliptyki
W
1990
roku
ESA
wysłała sondę
Ulysses
, której zadaniem było badanie
biegunów
Słońca. Aby wyjść poza
płaszczyznę
ekliptyki
, sonda musiała wytracić prędkość 30km/s z jaką porusza się Ziemia. Wykorzystano w tym celu asystę Jowisza, kierując sondę "przed" i "pod" niego – tak aby wyjściowa prędkość była prostopadła do ekliptyki.
Inne sondy
Asysta wspomagana
Zysk z asysty grawitacyjnej można zwiększyć, używając dodatkowo silników w momencie zbliżenia do mijanego obiektu. Praca silników zawsze zwiększa prędkość pojazdu o ustaloną wielkość. Jednak wzrost
energii kinetycznej
jest proporcjonalny do prędkości w czasie gdy pracują. Tym samym, najwięcej energii zyskuje się gdy ta prędkość jest największa – w pobliżu
perycentrum
. Energia jest w tym procesie zachowana – zysk pochodzi z pozostawienia odrzuconego materiału w polu grawitacyjnym planety.
Przykładowo, manewr Hohmanna z Ziemi na Jowisza przeprowadza pojazd po
hiperbolicznej
trajektorii obok Jowisza z prędkością 60 km/s, pozwalając uzyskać ostatecznie (pod opuszczeniu jego pola grawitacyjnego) 5,6 km/s, czyli 10,7 razy mniejszą prędkość. Oznacza to że praca dająca 1
J
energii kinetycznej z dala od Jowisza nada 10,7 J w
perycentrum
. Każdy 1m/s zysku prędkości w perycentrum przełoży się na dodatkowe 
m/s po opuszczeniu orbity. A zatem pole grawitacyjne Jowisza może zwiększyć efektywność silników ponad trzykrotnie.
Przypisy
Zobacz też
Linki zewnętrzne
