• Články
  • Gravity Assist: Jednoduchý fyzický trik, který dovoluje lidstvu prozkoumat hluboký vesmír
Vloženo na 28-09-2019

Gravity Assist: Jednoduchý fyzický trik, který dovoluje lidstvu prozkoumat hluboký vesmír

Jak kosmická loď NASA Voyager unikla sluneční soustavě

Umělecké vykreslení kosmické lodi Voyager se blíží k Saturnovi pomocí gravitační asistence od Jupitera. Kredit: NASA JPL
Tento článek byl původně publikován pro The Wire. To je stejné zrcadlo.

Cestování na velké vzdálenosti vesmíru není levné. Stojí to čas, palivo a peníze kosmické lodi. Naštěstí příroda nabízí bezplatnou pomoc po cestě a návrháři misí ji vždy berou.

Říká se jim gravitační pomoc.

Při těchto manévrech si kosmická loď vyměňuje svou dynamiku v těsném střetu s planetou, aby získala rychlost. Gravitační asistence byly použity v mnoha meziplanetárních misích k pohonu kosmické lodi směrem k jejich cílům.

Gravitační asistence jsou také užitečné, protože není praktické jednoduše přidávat více paliva k napájení kosmické lodi. Přidání více paliva způsobí, že váží více. To znamená, že do rakety musí být přidáno více paliva, aby bylo možné zahájit těžší kosmickou loď. Protože zahrnutí dodatečného paliva také zvyšuje hmotnost rakety, je k přepravě tohoto paliva potřeba více paliva atd.

Obecně platí, že požadavky na palivo se zvyšují exponenciálně s přidáváním hmoty do kosmické lodi. Těžší kosmická loď může vyžadovat složitější raketu, aby byla splněna požadavky. Takové zvýšení nákladů a technologické složitosti lze ušetřit pomocí pomoci při gravitaci.

Také nám umožňují dělat věci, které jsou nad naše současné schopnosti. V 70. letech byly vypuštěny některé z nejambicióznějších kosmických lodí v historii: Voyager 1 a 2, oba NASA. Chtěli by uniknout gravitaci Slunce a opustit sluneční soustavu. Voyager 1 vstoupil do mezihvězdného prostoru v roce 2013 a očekává se, že Voyager 2 brzy udělá totéž. A nebylo by to možné bez asistence gravitací.

Po startu neměli dvojčata Voyagers dostatek rychlosti k okamžitému úniku z gravitační gravitace. Bylo a je nemožné postavit raketu dostatečně silnou, abychom toho dosáhli. Rakety Titan III, které vypustily Voyagery (s odstupem 10 dní), jim ponechaly dostatek energie, jen aby se dostali k Jupiteru.

Aby se tento problém překonal, byli Voyagers přinuceni k tomu, aby se otočili kolem plynového obra, aby získali rychlostní podporu potřebnou k úniku ze slunce. Když se každá kosmická loď přiblížila k Jupiteru, gravitace planety to urychlila. Takové těsné gravitační setkání s planetou se nazývá flyby.

Trajektorie Voyager 1 a 2, ukazující gravitační asistenční manévry v Jupiteru a Saturn, aby unikly sluneční soustavě. Kredit: NASA

Mimořádná rychlost pochází ze samotné planety. Je třeba si uvědomit, že kosmická loď má také nějakou hmotnost, i když ve srovnání s Jupiterem je to nevýznamné. Gravitace funguje oběma způsoby: kosmická loď táhne na Jupiteru - i když Jupiter táhne na kosmické lodi - zpomaluje ho na své oběžné dráze kolem Slunce.

Protože v interakci je vždy zachována celková hybnost, součin hmotnosti a rychlosti, je hybná síla, kterou Jupiter ztratil, získá kosmická loď. Ztráta rychlosti pro Jupiter v tomto schématu je tak zanedbatelná, že není důležitá. Rychlost získaná kosmickou lodí pouze v jedné takové interakci je však značná, jako v případě Voyagers.

Když se Voyager 2 přiblížil k Jupiteru, měl rychlost přibližně 10 km / s. Po asistenci gravitace se rychlost zvýšila na ~ 25 km / s.

Rychlost kosmické lodi Voyager 2 jako funkční vzdálenost od Slunce ve srovnání s únikovou rychlostí sluneční soustavy. Kredit: NASA

Od misí Voyager byly gravitační asistence zvyklé dostat se všude do Sluneční soustavy. Sonda NASA Cassini do systému Saturn vážila při startu více než 5 000 kg - na těžší straně pro meziplanetární mise. Oba Voyagers vážili méně než 900 kg. Raketa, která vypustila Cassini, Titan IV, nebyla významně silnější než Titan III. Protože byla sonda těžká, jediná gravitační asistence od Jupitera by ji nezkracovala. Cassini tedy nejprve odletěla k Slunci, než odletěla: k Vratě trvalo dvě gravitační asistence z Venuše, jedna ze Země a druhá z Jupiteru.

Kosmická loď ESA Rosetta studovala kometu 67P po náročném letu. Aby se Roseta setkala s kometou, musela se vyrovnat vysoké rychlosti komety, zahrnující tři prolétání kolem Země a jedno kolem Marsu.

Desetiletá cesta Rosety Sluneční soustavou zahrnovala několik přeletů, včetně tří kolem Země. Kredit: ESA

Gravitační asistence lze také použít ke zpomalení kosmické lodi. To funguje, když se kosmická loď blíží k planetě ve směru opačném k oběžné dráze planety kolem Slunce. V tomto scénáři by kosmická loď ztratila na planetě dynamiku.

Ale proč vůbec zpomalovat?

Mise do vnitřní Sluneční soustavy čelí různým výzvám, než ty, které směřují do Sluneční soustavy. Zvažte poslední misi na Merkur - ESA BepiColombo -, která byla zahájena 20. října 2018.

Merkur leží hluboko v gravitační studni Slunce. To znamená, že kosmická loď směřující na Merkur bude neustále zrychlována díky gravitaci Slunce. Na takové dráze by BepiColombo dosáhl Merkuru rychlostí příliš vysokou, aby se nemohl zachytit na oběžné dráze.

Jedna cesta ven je retrográdní strčení: vypálit motory skrz trysky směřující ve směru letu jako forma brzdění. To by však spotřebovalo hodně paliva, a jak jsme viděli, není to praktické. Rtuť také postrádá významnou atmosféru, jako je Venuše, Země nebo dokonce Mars, takže ani aerobraking není možností.

Návrháři mise BepiColombo přistoupili k problému pomocí řešení gravitace. Sonda použije jednu gravitační asistenci ze Země, dvě z Venuše a šest ze samotné Merkuru ke zpomalení. S každým přeletem sonda uvolní část své bohaté orbitální rychlosti. Po několika přeletech to bude dostatečně pomalé, aby ho Merkur zachytil. BepiColombo je v současné době naplánováno na oběžné dráze Merkuru v prosinci 2025, pokud všechno půjde podle plánu.

Animace znázorňující trajektorii BepiColombo od zahájení po vstup na ortuť Merkuru. Všimněte si více přeletů používaných kolem Merkuru. Kredit: Phoenix777 na Wikipedii

Solární sonda NASA Parker byla spuštěna letos pro studium Slunce tím, že je v jeho atmosféře. Stejně jako u BepiColombo bude i Parker neustále zrychlován, když se blíží ke Slunci, takže bude obtížné se k němu dostat tak blízko. Během šesti let použije Parker sedm gravitačních asistencí od Venuše k dosažení své konečné oběžné dráhy v roce 2024. Tato oběžná dráha ji dovede k cílové destinaci: 6 milionů kilometrů od povrchu Slunce, ~ 10x blíže než Merkur.

Trajektorie sluneční sondy Parker využívá sedm gravitačních asistencí od Venuše k dosažení nejbližšího průchodu ke Slunci. Kredit: NASA

Fyzikální gravitační asistence lze také použít ke změně sklonu orbity.

V roce 1990 byla zahájena mise NASA-ESA Ulysses, která jako první studovala póly Slunce. Aby to bylo možné, musel Ulysses opustit orbitální rovinu sluneční soustavy - rovinu, v níž osm planet obíhá kolem Slunce - a dosáhnout velmi nakloněné oběžné dráhy.

V roce 1992 vzal Ulysses gravitační pomoc od Jupitera, poblíž jeho severního pólu. Silná gravitace planety ohýbala trajektorii kosmické lodi na jih a umístila ji na oběžné dráze, která ji vedla kolem severních a jižních pólů Slunce na sklon 80 °.

Gravitační asistence je všestranný nástroj v sadě nástrojů návrháře mise. Budoucí vesmírné mise by mohly využít gravitačních asistencí k dosažení ještě více - jako kdyby měl orbiter použít Plutův Měsíc Charon k prozkoumání celého plutonského systému.

Viz též

Hlavní postava chodí do mé kuchyně a staví mě rovněAuditativní sociální metriky pro NFTPro lepší uživatelský dojem stačí přidat nástěnné malbySneakers + Street Art: The Perfect MarriageHodnota designu pro podnikání (McKinseyho zpráva a další)Interpreti: Don't Chase Perfection, Chase Inner Truth