Gravitasjonshjelp

Den gravitasjons assistanse eller gravitasjons støtte eller slynge gravitasjons , i feltet av bane mekanikk , er frivillig bruk av tiltrekningen av et himmellegeme ( planet , måne ) for å endre retning og hastighet av banen til et romfartøy ( romsonden , kunstig satellitt, etc.). Målet er å bruke dette fenomenet for å spare drivstoff som burde ha blitt fortært av kjøretøyets rakettmotor for å oppnå samme resultat. Alle romsonder beregnet på himmellegemer langt fra jorden bruker denne metoden.

Forklaring

For å utføre en gravitasjonsassistentmanøver må romfartøyet nærme seg nær nok til å komme inn i sitt influensområde (det kommer inn i Hill-sfæren ) uten å risikere å påvirke det. Gravitasjonsfeltet tiltrekker seg mer og mer ettersom avstanden reduseres romfartøyet som ser hastigheten øke: den "faller" mot planeten og akselererer derfor. Den beveger seg deretter bort fra planeten og forlater gradvis gravitasjonsfeltet og mister gradvis den oppnådde hastigheten. På slutten av flybyen (når du går ut av Hill's sfære) har romfartøyet omtrent mistet like mye fart i utgangsfasen som det har fått i inngangsfasen. Denne hastigheten har imidlertid endret seg i retning og verdi.

I planetens referanseramme følger håndverket en hyperbolsk bane som begynner ved inngangspunktet til planetens Hill-sfære til den går ut. På disse to punktene er fartøyets relative hastighet den samme, men orienteringen er forskjellig.
I referanserammen til solen (den som teller for en romføler) har retningen og verdien av maskinens hastighet endret seg.

I følgende diagrammer beiter en romføler en planet i to scenarier. Den røde kurven i grafen representerer utviklingen av sondens hastighet over tid, i den heliosentriske referanserammen . Ved å passere til baksiden av planeten i forhold til dens forskyvning i sin bane, utøver sonden en tiltrekningskraft på planeten som reduserer hastigheten og den kinetiske energien til planeten veldig lett (massen er mye større enn planeten) . sonde, effekten er ubetydelig for planeten); ved bevaring er energioverføringen til fordel for sonden som får fart etter passering. Omvendt, ved å passere foran planeten, gir sonden en del av sin kinetiske energi til planeten, noe som får den til å miste hastighet.

Gravitasjonshjelp
For å akselerere passerer romsonden bak planeten. Den røde kurven i grafen representerer utviklingen av sondens hastighet over tid, i den heliosentriske (sol) referanserammen .
Identisk fremstilling for en manøver som tar sikte på å miste hastigheten i solens referanseramme.

Grenser

Endring av hastighet er desto viktigere ettersom romfartens hastighet er viktig, planeten er massiv og flyavstanden er liten. Imidlertid må utførelsen av denne manøveren ta hensyn til følgende begrensninger:

Hvis planeten har en atmosfære, må romføleren passere i tilstrekkelig avstand for å unngå å bremse av den hvis målet er å akselerere og i alle fall å unngå atmosfærisk gjeninnføring.
Banen til planeten og romfartssonen må sammenfalle for at overflyget skal finne sted. I noen tilfeller, for eksempel Voyager-oppdragene, vil det ta mer enn et århundre for den respektive posisjonen til planetene som tillot deres oppdrag å gjenta seg.

Algoritme

Beregningsformelen for å bestemme resultatet av en gravitasjonsassistanse kommer fra den mer generelle beregningsformelen som brukes under en elastisk kollisjon. I begge tilfeller bevares øyeblikket og den kinetiske energien til forsamlingen dannet av romtesonden og planeten. For en massesond og en masseplanet animert av en hastighet i solens referanseramme henholdsvis og før overflyging og fra og etter overflyging. Bevaringen av momentum resulterer i følgende ligning $m_1$ $m_ {2}$ $u_1$ $u_2$ $v_ {1}$ $v_ {2}$

{\ displaystyle \, \! m_ {1} u_ {1} + m_ {2} u_ {2} \ = \ m_ {1} v_ {1} + m_ {2} v_ {2}.}

Bevaring av kinetisk energi resulterer i følgende ligning:

{\ displaystyle {\ tfrac {1} {2}} m_ {1} u_ {1} ^ {2} + {\ tfrac {1} {2}} m_ {2} u_ {2} ^ {2} \ = \ {\ tfrac {1} {2}} m_ {1} v_ {1} ^ {2} + {\ tfrac {1} {2}} m_ {2} v_ {2} ^ {2}.}

Hastigheter kan bestemmes når de er gitt: ${\ displaystyle v_ {1}, v_ {2}}$ ${\ displaystyle u_ {1}, u_ {2}}$

{\ displaystyle {\ begin {array} {ccc} v_ {1} & = & \ displaystyle {\ frac {m_ {1} -m_ {2}} {m_ {1} + m_ {2}}} u_ {1 } + {\ frac {2m_ {2}} {m_ {1} + m_ {2}}} u_ {2} \\ v_ {2} & = & \ displaystyle {\ frac {2m_ {1}} {m_ { 1} + m_ {2}}} u_ {1} + {\ frac {m_ {2} -m_ {1}} {m_ {1} + m_ {2}}} u_ {2} \ end {array}} }

Massa av romfartøyet ( ) er ubetydelig sammenlignet med massen til planeten ( ) ( ), slik at ligningen kan forenkles som følger: $m_1$ $m_ {2}$ ${\ displaystyle m_ {1} \ ll m_ {2}}$

{\ displaystyle {\ begin {array} {ccc} v_ {1} & \ approx & -u_ {1} + 2u_ {2} \\ v_ {2} & \ approx & u_ {2} \ end {array}} }

Bruk sak

Gravitasjonshjelp brukes:

når massen av drivmidler som er nødvendig for at romføleren skal nå sitt mål, krever en bærerakett med en kraft som overstiger noe i lanseringstilbudet. Dette gjelder spesielt romføler beregnet på eksterne planeter (Jupiter, ...) eller for kvikksølv.
når de økonomiske begrensningene for et oppdrag er betydelige: Fra designfasen gjør valget om å bruke gravitasjonsassistanse det mulig å lette sonden og velge en mindre kraftig og derfor billigere bærerakett. En kostnad byttes for utvidelse av transitt til målet;
når lanseringsforholdene er mindre gunstige enn forventet under den første designen: bruk av gravitasjonsassistanse unngår å endre bæreraketten eller gjennomgå oppdragets design. I dette tilfellet modifiseres banen ved å legge til en eller flere gravitasjonsassistanse. Galileo- sonden måtte dermed tilpasse seg en mindre kraftig bærerakett enn forventet, noe som ble kompensert ved å endre banen;
når uforutsette hendelser dukker opp, som det er nødvendig å tilpasse det nåværende oppdraget: Dermed kom mannskapet på Apollo 13 tilbake i god behold til jorden, etter å ha brukt månens gravitasjonsassistanse.

Romoppdrag som brukte denne manøveren

Første romsonder ved hjelp av gravitasjonsassistanse

De første probene for å bruke denne effekten er Pioneer 10 og 11 , som ble lansert i 1972 og 1973 henholdsvis, og ved hjelp av akselerasjons formidlet av Jupiter til å fortsette sin reise til Saturn , samt Mariners 10 (1973) som brukte akselerasjonen kommunisert av Venus. I nå kvikksølv .

Reiser 2

Voyager 2 , som sirklet rundt gigantiske planeter, ble drevet motJupiteri en bestemt bane som ikke er enstandard Hohmann-overføringsbane. Hvis Jupiter ikke hadde vært der da romfartøyet ankom, ville det ha fortsatt i sin bane og returnert tiljordens bane . Uten å bruke tyngdekraftseffekten, skulle sonden i beste fall ha tatt omtrent 30 år, sammenlignet med en faktisk 12-årig reise for å nå Neptun. Voyagerhadde nytte av en konfigurasjon av planetene som bare går igjen hver 176 år eller så.

Romfartøyets ankomst er nøye beregnet slik at den går bak Jupiter i sin bane rundt solen . Da sonden ankom, "falt" den mot Jupiter, under påvirkning av dens tyngdefelt. Banen ble likevel laget slik at sonden passerte nær Jupiter, men ikke krasjet inn i den. Etter å ha nærmet seg veldig nær Jupiter, flyttet den seg bort fra planeten. I løpet av denne fasen av fremmedgjøring bremset hun tempoet sammenlignet med Jupiter. Faktisk "steg" den i forhold til Jupiter, og bremset derfor etter hvert som den hadde akselerert når den hadde falt mot den. Når det gjelder baner i rommet, er det energibesparelse: sonden forlot derfor Jupiter (eller mer nøyaktig dens gravitasjonsinnflytende sone) med samme energi som da den kom dit.

Imidlertid har sondenes energi endret seg i den heliosentriske referanserammen. Faktisk har hastighetsvektoren snudd i Jupiters referanseramme, takket være gravitasjon. Det faktum at den har rotert betyr at ved utgangen fra Jupiters innflytelsessfære, blir summen mellom hastighetsvektoren til sonden i Jupiter referanseramme og hastighetsvektoren til Jupiter rundt solen (sum som derfor er hastighetsvektoren til sonden rundt solen) er større enn før fordi vinkelen mellom de to vektorene er mindre.

Så tyngdekraften er gjensidig: hvis sonden faktisk ble akselerert av Jupiter, ble Jupiter bremset av sonden. Likevel er denne bremsingen av Jupiter ganske liten, siden den avhenger av forholdet mellom massen til sonden (mindre enn ett tonn, eller <1 × 10 3 kg ) og massen til Jupiter (ca. 2 × 10 27 kg ). Tusenvis av sonder kunne sendes på denne måten uten at Jupiter merkbart ble forstyrret i løpet av solen.

Denne teknikken ble deretter gjentatt da Saturn og Uranus nærmet seg.

Cassini-Huygens

Cassini-Huygens- sonden har flere ganger brukt gravitasjonsassistanse for å nå Saturn . Den modifiserte hastighetsvektoren først ved å passere to ganger i nærheten av Venus, deretter Jorden og til slutt Jupiter . Bruken av gravitasjonsassistanse forlenget sin bane som varte 6,7 år i stedet for de 6 årene som kreves for en Hohman- overføringsbane, men den sparte en delta-V på 2 km / s slik at denne spesielt tunge sonden nådde Saturn. Det ville ha vært nødvendig å gi sonden en hastighet på 15,6 km / s (forsømmelse av tyngdekraften til Saturn og jorden samt effekten av atmosfærisk luftmotstand) for å plassere den på en direkte bane, som ingen bærerakett i perioden ville ha ikke har klart å gjøre.

Kilde og referanser

Stopp av 20. februar 1995 knyttet til terminologien innen romvitenskap og teknologi.

Gabrielle Bonnet, “ Effekten av“ gravitasjonsslyngen ” , på kultursvitenskapelig fysikk.ens-lyon.fr ,24. oktober 2003(åpnet 15. desember 2019 ) .
(i) Raymond A. Serway, Jewett, John W. og Vahe Peroomian., Fysikk for forskere og ingeniører med moderne fysikk. , 9.,5. mars 2013( ISBN 978-1-133-95405-7 , OCLC 802321453 ) , s. 257
(i) Raymond A. Serway, Jewett, John W. og Vahe Peroomian., Fysikk for forskere og ingeniører med moderne fysikk. , 9.,5. mars 2013( ISBN 978-1-133-95405-7 , OCLC 802321453 ) , s. 258
(i) Mark Adler, " Voyager Earth to Jupiter reisetid " på Stack Exchange ,april 2017(åpnet 2. april 2017 ) .

Se også

Eksterne linker