Asysta grawitacyjna

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
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[edytuj | edytuj kod]

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 Hohmannaeliptycznej 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[edytuj | edytuj kod]

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[edytuj | edytuj kod]

Mariner 10 – pierwsze użycie[edytuj | edytuj kod]

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[edytuj | edytuj kod]

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 sumarycznie 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[edytuj | edytuj kod]

Voyager 1 jest obecnie ponad 17 miliardów kilometrów (115,256 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[edytuj | edytuj kod]

W 1990 roku ESA wysłała sondę Ulysses, której zadaniem było badanie biegunów Słońca. Aby wyjść poza płaszczyznę ekliptyki, sonda musiała wytracić prędkość 30 km/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[edytuj | edytuj kod]

Asysta wspomagana[edytuj | edytuj kod]

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 1 m/s zysku prędkości w perycentrum przełoży się na dodatkowe \sqrt{10,7} = 3,3 m/s po opuszczeniu orbity. A zatem pole grawitacyjne Jowisza może zwiększyć efektywność silników ponad trzykrotnie.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy