Ассистент гравитации

редактировать

Анимация траектории Voyager 1 с 5 сентября 1977 г. по 30 декабря 1981 г.. Вояджер 1 ·Земля ·Юпитер ·Сатурн ·Солнце

Анимация траектории Вояджера 2 с 20 августа 1977 года по 30 декабря 2000 года. Вояджер 2 ·Земля ·Юпитер ·Сатурн ·Уран ·Нептун ·Солнце

В орбитальной механике и аэрокосмической технике, гравитационная рогатка, гравитационный маневр или поворот на - это использование относительного движения (например, орбита вокруг Солнца ) и гравитации планеты или другого астрономического объекта для изменения траектории и скорости космического корабля , обычно сэкономить топливо и сократить расходы.

Гравитационная помощь может использоваться для ускорения космического корабля, то есть для увеличения или уменьшения его скорости или изменения его пути. «Помощь» обеспечивается движением гравитирующего тела, когда оно тянет за собой космический корабль. Гравитационный маневр впервые был использован в 1959 году, когда советский зонд Луна 3 сфотографировал обратную сторону Луны, и он использовался межпланетными зондами с Mariner 10 и позже, включая два "Вояджер" обнаружил заметные облеты Юпитера и Сатурна.

Содержание

1 Объяснение
2 Деривация
3 Историческое происхождение
4 Цель
5 Ограничения
6 Параметр Тиссеранда и помощь силы тяжести
7 Хронология примечательных примеров
- 7.1 Luna 3
- 7.2 Pioneer 10
- 7.3 Mariner 10
- 7.4 Voyager 1
- 7.5 Galileo
- 7.6 Ulysses
- 7.7 MESSENGER
- 7.8 Cassini
- 7.9 Rosetta
- 7.10 Juno
- 7.11 Parker Solar Probe
- 7.12 BepiColombo
8 См. Также
9 Ссылки
10 Внешние ссылки

Пояснение

Пример встречи.. В системе координат планеты, космический зонд улетает с той же скоростью, с которой прибыл. Но при наблюдении в системе отсчета Солнечной системы (привязанной к Солнцу) польза от этого маневра становится очевидной. Здесь можно увидеть, как зонд набирает скорость, получая энергию от скорости планеты, вращающейся вокруг Солнца. (Если траектория предназначена для прохождения перед планетой, а не позади нее, гравитационный ассистент можно использовать в качестве маневра торможения, а не ускорения.) Поскольку масса зонда на много порядков меньше, чем у планеты, хотя результат на зонде весьма значительный, реакция замедления, испытываемая планетой, согласно третьему закону Ньютона, совершенно незаметна.

Возможные результаты гравитационного маневра в зависимости от вектора скорости и положение приближающегося космического корабля

Гравитационная помощь вокруг планеты изменяет скорость (относительно Солнца ), входя и покидая гравитационную сферу влияния планеты. Скорость космического корабля увеличивается по мере приближения к планете и уменьшается при выходе из-под его гравитационного притяжения (что примерно такое же), но поскольку планета вращается вокруг Солнца, космический корабль влияет на это движение во время маневра. Чтобы увеличить скорость, космический корабль летит вместе с движением планеты, получая при этом часть орбитальной энергии планеты; чтобы уменьшить скорость, космический корабль летит против движения планеты, чтобы передать планете часть своей орбитальной энергии - в обоих типах маневра передача энергии по сравнению с общей орбитальной энергией планеты незначительна. Сумма кинетических энергий обоих тел остается постоянной (см. упругое столкновение ). Таким образом, маневр рогатки может быть использован для изменения траектории и скорости космического корабля относительно Солнца.

Близкую аналогию с землей дает теннисный мяч, отскакивающий от движущегося поезда. Представьте, что вы стоите на платформе поезда и бросаете мяч на скорости 30 км / ч в поезд, приближающийся со скоростью 50 км / ч. Машинист поезда видит, как мяч приближается со скоростью 80 км / ч, а затем удаляется со скоростью 80 км / ч после того, как мяч упруго отскакивает от передней части поезда. Однако из-за движения поезда скорость отправления составляет 130 км / ч по отношению к платформе поезда; мяч добавил вдвое большую скорость поезда к своей собственной.

Перенос этой аналогии в космос: в системе отсчета планеты космический корабль имеет вертикальную скорость v относительно планеты. После срабатывания рогатки космический корабль покидает курс на 90 градусов к тому, по которому он прибыл. Он по-прежнему будет иметь скорость v, но в горизонтальном направлении. В системе отсчета Солнца планета имеет горизонтальную скорость v, и, используя теорему Пифагора, космический корабль изначально имеет полную скорость √2v. После того, как космический корабль покинет планету, он будет иметь скорость v + v = 2v, набрав примерно 0,6 В.

Этот упрощенный пример невозможно уточнить без дополнительных деталей относительно орбиты, но если космический корабль движется в путь, который образует гиперболу, он может покинуть планету в противоположном направлении без запуска двигателя. Этот пример также является одной из многих траекторий и наборов скорости, которые может иметь космический корабль.

Это объяснение может показаться нарушающим закон сохранения энергии и импульса, очевидно, из ничего прибавляющего скорости космическому кораблю, но влияние космического корабля на планету также должно быть принято во внимание, чтобы обеспечить полное представление о механике. участвует. Линейный импульс, приобретаемый космическим кораблем, равен по величине импульсу, потерянному планетой, поэтому космический корабль набирает скорость, а планета теряет скорость. Однако огромная масса планеты по сравнению с космическим кораблем делает результирующее изменение ее скорости пренебрежимо малым даже по сравнению с орбитальными возмущениями, которым планеты подвергаются из-за взаимодействий с другими небесными телами в астрономически коротких временных масштабах. Например, одна метрическая тонна является типичной массой для межпланетного космического зонда, тогда как Юпитер имеет массу почти 2 x 10 метрических тонн. Следовательно, космический корабль массой в одну тонну, проходящий мимо Юпитера, теоретически приведет к потере планетой примерно 5 х 10 км / с орбитальной скорости на каждый км / с скорости относительно Солнца, полученной космическим кораблем. Для всех практических целей, поскольку воздействие на планету настолько незначительно (поскольку планеты намного массивнее космических кораблей), их можно игнорировать при расчетах.

Реалистичное изображение столкновений в космосе требует рассмотрения трех Габаритные размеры. Применяются те же принципы, только добавление скорости планеты к скорости космического корабля требует сложения вектора, как показано ниже.

Двумерная схема гравитационной рогатки. Стрелки показывают направление, в котором движется космический корабль до и после столкновения. Длина стрелок показывает скорость космического корабля.

Воспроизвести медиа Вид из MESSENGER, когда он использует Землю в качестве гравитационной рогатки для замедления, позволяя выйти на орбиту вокруг Меркурия.

Из-за обратимость орбит, гравитационные рогатки также могут использоваться для снижения скорости космического корабля. Оба Mariner 10 и MESSENGER выполнили этот маневр, чтобы достичь Меркурия.

. Если требуется даже большая скорость, чем можно получить только от гравитации, наиболее экономичный способ использования ракеты. burn - делать это около периапсиса (ближайший подход). Горение данной ракеты всегда обеспечивает одинаковое изменение скорости (Δv ), но изменение кинетической энергии пропорционально скорости транспортного средства во время горения. Таким образом, чтобы получить максимальную кинетическую энергию от ожога, ожог должен происходить с максимальной скоростью транспортного средства в перицентре. Эффект Оберта описывает эту технику более подробно.

Вывод

Формулы для гравитационной помощи могут быть получены из знакомых формул для упругого столкновения. И импульс, и кинетическая энергия сохраняются, поэтому для тел с массой $m 1 {\ displaystyle m_ {1}}$ $m_{1}$ и $m 2 {\ displaystyle m_ {2}}$ $m_ {2}$ , и скорости $u 1 {\ displaystyle u_ {1}}$ $u_ {1}$ и $u 2 {\ displaystyle u_ {2}}$ $u_ {2}$ до столкновения, и $v 1 {\ displaystyle v_ {1}}$ $v_ {1}$ и $v 2 {\ displaystyle v_ {2}}$ $v_ {2}$ после столкновения. импульс до и после столкновения выражается как:

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

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

кинетическая энергия выражается как:

1 2 m 1 u 1 2 + 1 2 m 2 u 2 2 = 1 2 m 1 v 1 2 + 1 2 m 2 v 2 2. {\ 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}.}

{\ 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}.}

Эти уравнения можно решить, чтобы найти $v 1, v 2 {\ displaystyle v_ {1}, v_ {2}}$ $v_ {1}, v_ {2}$ , когда $u 1, u 2 {\ displaystyle u_ {1 }, u_ {2}}$ ${\ displaystyle u_ {1}, u_ {2}}$ известны:

v 1 = m 1 - m 2 m 1 + m 2 u 1 + 2 m 2 m 1 + m 2 u 2 v 2 = 2 m 1 м 1 + м 2 U 1 + м 2 - м 1 м 1 + м 2 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}}}

{\ 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}}}

В случае космического корабля, пролетающего мимо планеты, масса космического корабля ( $m 1 {\ displaystyle m_ {1}}$ $m_{1}$ ) ничтожно мала по сравнению с планетой ( $m 2 {\ displaystyle m_ {2}}$ $m_ {2}$ ) ( $m 1 ≪ m 2 {\ displaystyle m_ {1} \ ll m_ {2}}$ $m_{1}\ll m_{2}$ ), поэтому это сводится к:

v 1 ≈ u 1 + 2 u 2 v 2 ≈ u 2 {\ displaystyle { \ begin {array} {ccc} v_ {1} \ приблизительно u_ {1} + 2u_ {2} \\ v_ {2} \ приблизительно u_ {2} \ end {array}}}

{\ displaystyle {\ begin {array} {ccc} v_ {1} \ приблизительно u_ {1 } + 2u_ {2} \\ v_ {2} \ ок u_ {2} \ end {array}}}

Историческое происхождение

В его статье «Тем кто будет читать, чтобы строить» (Тем, кто будет читать [эту статью], чтобы построить [межпланетную ракету]), опубликованной в 1938 году, но датированной 1918–1919 годами, Юрий Кондратюк предположил, что космический корабль, путешествующий между двумя планетами, может быть ускорен в начале и в конце своей траектории за счет гравитации лун двух планет. Эта часть его рукописи с учетом гравитационных ассистов не получила дальнейшего развития и не была опубликована до 1960-х годов. В своей статье 1925 года «Проблема полета при помощи реактивных аппаратов: межпланетные полеты» [Проблемы полета при помощи реактивных аппаратов: межпланетные полеты] Фридрих Цандер продемонстрировал глубокое понимание физики, лежащей в основе концепции гравитации и ее потенциал для межпланетных исследований Солнечной системы. Это еще более примечательно, если учесть, что другие великие астродинамики того времени никогда не рассматривали помощь гравитации, например Гвидо фон Пирке и Вальтер Хоманн.

Первым, кто рассчитал межпланетное путешествие с учетом множественной гравитационной помощи, был итальянский инженер Гаэтано Крокко.

Маневр гравитации был впервые использован в 1959 г., когда советский зонд Луна 3 сфотографировал обратную сторону Луны. Маневр опирался на исследования, проведенные под руководством Мстислава Келдыша в Математическом институте, в том числе Всеволодом Александровичем Егоровым.

Цель

Сюжет гелиоцентрической скорости "Вояджера-2" по отношению к его расстоянию от Солнца, иллюстрируя использование силы тяжести для ускорения космического корабля по Юпитеру, Сатурну и Урану. Чтобы наблюдать Тритон, «Вояджер-2» пролетел над северным полюсом Нептуна, что привело к ускорению вне плоскости эклиптики и уменьшению скорости вдали от Солнца.

Космический корабль, летящий с Земли на внутреннюю планету, будет увеличиваться. его относительная скорость, потому что он падает к Солнцу, а космический корабль, летящий с Земли на внешнюю планету, уменьшит свою скорость, потому что покидает окрестности Солнца.

Хотя орбитальная скорость внутренней планеты больше, чем у Земли, космический корабль, летящий на внутреннюю планету, даже с минимальной скоростью, необходимой для ее достижения, все равно ускоряется гравитацией Солнца до скорости заметно больше, чем орбитальная скорость этой планеты назначения. Если целью космического корабля является только полет над внутренней планетой, то обычно нет необходимости замедлять космический корабль. Однако, если космический корабль должен быть выведен на орбиту вокруг этой внутренней планеты, то должен быть какой-то способ его замедлить.

Точно так же, хотя орбитальная скорость внешней планеты меньше орбитальной скорости Земли, космический корабль, покидающий Землю с минимальной скоростью, необходимой для полета на какую-либо внешнюю планету, замедляется гравитацией Солнца до очень большой скорости. меньше, чем орбитальная скорость этой внешней планеты. Следовательно, должен быть какой-то способ ускорить космический корабль, когда он достигнет этой внешней планеты, если он собирается выйти на орбиту вокруг нее. Однако, если космический корабль будет ускорен до уровня, превышающего необходимый минимум, для выхода на орбиту вокруг целевой планеты потребуется меньшее количество топлива. Кроме того, ускорение космического корабля в начале полета сокращает время полета.

Ракетные двигатели, безусловно, можно использовать для увеличения и уменьшения скорости космического корабля. Однако для тяги ракеты требуется топливо, топливо имеет массу и даже небольшое изменение скорости (известное как Δv, или «дельта-v», символ дельта используется для обозначения изменения, а «v» означает скорость ) означает гораздо большую потребность в топливе, необходимом для выхода из гравитационного колодца Земли. Это связано с тем, что двигатели первичной ступени не только должны поднимать дополнительное топливо, они также должны поднимать дополнительное топливо сверх того, которое необходимо для подъема этого дополнительного топлива. Требуемая взлетная масса увеличивается экспоненциально с увеличением требуемой дельта-v космического корабля.

Поскольку для доставки топлива в космос требуется дополнительное топливо, космические миссии спроектированы с ограниченным «бюджетом» топлива, известным как «бюджет дельта-v ». Бюджет дельта-v - это фактически общее количество топлива, которое будет доступно после отрыва от земли, для ускорения, замедления, стабилизации против внешнего удара (частицами или другими внешними эффектами) или изменения направления, если он не может получить больше топлива. Вся миссия должна быть спланирована в рамках этой возможности. Следовательно, способы изменения скорости и направления, которые не требуют сжигания топлива, являются предпочтительными, потому что они обеспечивают дополнительные возможности маневрирования и улучшение курса без расхода топлива из ограниченного количества, которое было перенесено в космос. Гравитационные маневры могут значительно изменить скорость космического корабля без расхода топлива и могут сэкономить значительное количество топлива, поэтому они являются очень распространенным методом экономии топлива.

Пределы

Траектории, которые позволили космическому кораблю-близнецу НАСА "Вояджер" совершить поездку по четырем планетам-гигантам и достичь скорости, чтобы покинуть Солнечную систему

Основным практическим ограничением использования гравитационного маневра является то, что планеты и другие большие массы редко бывают в нужных местах, чтобы позволить путешествие к конкретному пункту назначения. Например, миссии Voyager, которые начались в конце 1970-х, стали возможными благодаря выравниванию «Grand Tour » Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Подобное выравнивание не повторится до середины 22 века. Это крайний случай, но даже для менее амбициозных миссий бывают годы, когда планеты разбросаны по неподходящим частям своих орбит.

Еще одно ограничение - это атмосфера, если таковая имеется, доступной планеты. Чем ближе космический корабль может подойти, тем выше его скорость периапсиса, поскольку сила тяжести ускоряет космический корабль, позволяя получить больше кинетической энергии от сгорания ракеты. Однако, если космический корабль окажется слишком глубоко в атмосфере, энергия, потерянная из-за сопротивления, может превысить получаемую за счет гравитации планеты. С другой стороны, атмосфера может быть использована для выполнения аэродинамического торможения. Также были теоретические предложения по использованию аэродинамической подъемной силы, когда космический корабль летит через атмосферу. Этот маневр, называемый ассистентом аэрогравитации, может изменить траекторию на больший угол, чем только сила тяжести, и, следовательно, увеличить выигрыш в энергии.

Даже в случае безвоздушного тела существует предел того, насколько близко может подойти космический корабль. Величина достижимого изменения скорости зависит от скорости приближения космического корабля и скорости убегания планеты в точке наибольшего сближения (ограниченной либо поверхностью, либо атмосферой).

Межпланетные рогатки с использованием самого Солнца не являются возможно, потому что Солнце находится в состоянии покоя относительно Солнечной системы в целом. Однако колющий удар, когда он находится вблизи Солнца, имеет тот же эффект, что и мощная рогатка, описываемая как эффект Оберта. Это может значительно увеличить тяговую мощность космического корабля, но ограничивается способностью космического корабля противостоять жаре.

Возможна межзвездная рогатка, использующая Солнце, с участием, например, объекта, прибывающего из другого места в нашей галактике и проходящего мимо Солнца, чтобы ускорить его галактическое путешествие. Тогда энергия и угловой момент будут исходить от Солнца по орбите вокруг Млечного Пути. Эта концепция широко представлена в отмеченном наградами романе Артура Кларка 1972 года Свидание с Рамой ; его история касается межзвездного космического корабля, который использует Солнце для выполнения такого рода маневров и в процессе вызывает тревогу у многих нервных людей.

A вращающаяся черная дыра может оказать дополнительную помощь, если ее ось вращения выровнена правильно. Общая теория относительности предсказывает, что большая вращающаяся масса вызывает перетаскивание кадра - рядом с объектом само пространство перемещается в направлении вращения. Этот эффект производит любой обычный вращающийся объект. Хотя попытки измерить перетягивание кадра вокруг Солнца не дали четких доказательств, эксперименты, проведенные Gravity Probe B, обнаружили эффекты перетаскивания кадра, вызванные Землей. Общая теория относительности предсказывает, что вращающаяся черная дыра окружена областью пространства, называемой эргосферой, внутри которой невозможно стоять на месте (относительно вращения черной дыры), потому что само пространство тянется со скоростью света в том же направлении, что и вращение черной дыры. Процесс Пенроуза может предложить способ получения энергии из эргосферы, хотя для этого космическому кораблю потребуется сбросить некоторый «балласт» в черную дыру, и космическому кораблю пришлось бы расходовать энергию, чтобы нести « балласт »к черной дыре.

Параметр Тиссеранда и поддержка силы тяжести

Использование поддержки силы тяжести ограничивается сохраняемой величиной, называемой параметром Тиссерана (или инвариантом). Это приближение к постоянной Якоби ограниченной задачи трех тел. Рассматривая случай, когда комета вращается вокруг Солнца, и эффекты, которые могла бы иметь встреча с Юпитером, Феликс Тиссеран показал, что

TP = a J a + 2 ⋅ aa J (1 - e 2) cos ⁡ i { \ displaystyle T_ {P} \ = {\ frac {a_ {J}} {a}} + 2 \ cdot {\ sqrt {{\ frac {a} {a_ {J}}} (1-e ^ {2})}} \ cos i}

{\ displaystyle T_ {P} \ = {\ frac {a_ {J}} {a}} + 2 \ cdot {\ sqrt {{\ frac {a} {a_ {J}) }}} (1-e ^ {2})}} \ cos i}

останется постоянным (где $a {\ displaystyle a \, \!}$ $a \, \!$ - это большая полуось кометы, $e {\ displaystyle e \, \!}$ $e \, \!$ его эксцентриситет, $i {\ displaystyle i \, \!}$ $i \, \!$ его наклон и $a J {\ displaystyle a_ {J}}$ ${\ displaystyle a_ {J}}$ - большая полуось Юпитера). Это применимо, когда комета находится достаточно далеко от Юпитера, чтобы иметь четко определенные элементы орбиты, и до такой степени, что Юпитер намного менее массивен, чем Солнце, и находится на круговой орбите.

Эта величина сохраняется для любой системы из трех объектов, один из которых имеет незначительную массу, а другой - промежуточной массы и находится на круговой орбите. Примерами являются Солнце, Земля и космический корабль или Сатурн, Титан и космический корабль Кассини (с использованием большой полуоси возмущающего тела вместо $a J {\ displaystyle a_ {J}}$ ${\ displaystyle a_ {J}}$ ). Это накладывает ограничение на то, как гравитационная помощь может использоваться для изменения орбиты космического корабля.

Параметр Тиссерана изменится, если космический корабль совершит движущий маневр или гравитационную поддержку какого-то четвертого объекта, что является одной из причин того, что многие космические корабли часто сочетают Землю и Венеру (или Марс) с гравитацией или также выполняют большие глубокие космические маневры.

Хронология примечательных примеров

Луна 3

Маневр гравитации был впервые использован в 1959 году, когда Луна 3 сфотографировал обратную сторону Луны.

Пионер 10

В декабре 1973 года космический корабль Пионер 10 был первым, кто использовал эффект гравитационной рогатки для достижения космической скорости и покинул Солнечную систему.

Mariner 10

Зонд Mariner 10 был первым космическим кораблем, который использовал эффект гравитационной рогатки для достижения другой планеты, проходя мимо Венеры 5 февраля 1974 года на пути к становится первым космическим аппаратом, исследовавшим Меркурий.

Вояджер-1

По состоянию на 21 июля 2018 года Вояджер-1 превышает 142,75 а.е. (21,36 млрд км) от Солнца и находится в межзвездном пространстве. Он получил энергию, чтобы полностью избежать гравитации Солнца, совершая маневры с рогаткой вокруг Юпитера и Сатурна.

Галилей

Анимация траектории Галилея с 19 октября 1989 г. по 30 сентября 2003 г.. Галилео ·Юпитер ·Земля ·Венера ·951 Гаспра ·243 Ида

Космический корабль Галилео был запущен НАСА в 1989 году на борту космического корабля . Атлантида. Его первоначальная миссия была рассчитана на использование прямого переноса Хомана. Однако ракета-носитель «Кентавр», предназначенная для ракеты-носителя Галилео, была запрещена в качестве «груза» шаттла из соображений безопасности после потери космического корабля «Челленджер». С замененной верхней ступенью твердотопливной ракеты IUS, которая не могла обеспечить столько дельта-v, Галилей не поднялся прямо к Юпитеру, а пролетел один раз над Венерой и дважды над Землей, чтобы достичь Юпитера в декабре. 1995.

Инженерный обзор Galileo предположил (но так и не смог окончательно доказать), что это более продолжительное время полета в сочетании с более сильным солнечным светом около Венеры привело к отказу смазки в главной антенне Galileo, что вынудило использовать гораздо меньшую резервная антенна с последующим снижением скорости передачи данных с КА.

Его последующий тур по спутникам Юпитера также использовал многочисленные маневры с рогаткой с этими лунами для экономии топлива и увеличения количества встреч.

Улисс

Анимация траектории Улисса с 6 октября 1990 г. по 29 июня 2009 г.. Улисс ·Земля ·Юпитер ·C / 2006 P1 ·C / 1996 B2 ·

В 1990 году НАСА запустило космический корабль ESA Ulysses для изучения полярных областей Солнца. Все планеты вращаются примерно в плоскости, совпадающей с экватором Солнца. Таким образом, чтобы выйти на орбиту, проходящую над полюсами Солнца, космический корабль должен был бы исключить скорость 30 км / с, унаследованную им от орбиты Земли вокруг Солнца, и набрать скорость, необходимую для вращения вокруг Солнца в направлении от полюса к Солнцу. Полюсная плоскость, задачи, которые невозможно выполнить с помощью одних только существующих двигательных систем космических кораблей, что делает маневры с помощью гравитации необходимыми.

Соответственно, Улисс был сначала отправлен к Юпитеру и стремился достичь точки в космосе впереди и к югу от планеты. Проходя мимо Юпитера, зонд провалился сквозь гравитационное поле планеты, обменявшись импульсом с планетой. С помощью гравитационного маневра траектория зонда изогнулась на север относительно плоскости эклиптики на орбиту, которая проходит над полюсами Солнца. Используя этот маневр, Улиссу нужно было достаточно топлива, чтобы отправить его в точку рядом с Юпитером, что вполне соответствует текущим возможностям.

MESSENGER

Анимация траектории движения MESSENGER с 3 августа 2004 г. по 31 марта 2011 г.. MESSENGER ·Земля ·Меркурий ·Венера

Миссия MESSENGER (запущенная в августе 2004 г.) широко использовала гравитационные вспомогательные средства для замедления его скорости перед обращением к Меркурию. Миссия MESSENGER включала один облет Земли, два облета Венеры и три облета Меркурия, прежде чем, наконец, прибыл к Меркурию в марте 2011 года со скоростью, достаточно низкой для выхода на орбиту с доступным топливом. Хотя облеты были в основном орбитальными маневрами, каждый из них давал возможность для важных научных наблюдений.

Кассини

Космический корабль Кассини-Гюйгенс дважды пролетел мимо Венеры, затем Земли и, наконец, Юпитера на пути к Сатурну. 6,7-летний транзит был немного дольше, чем шесть лет, необходимых для перехода Хомана, но уменьшил необходимую дополнительную скорость (дельта-v) примерно до 2 км / с, так что большой и тяжелый зонд Кассини смог достичь Сатурна. что было бы невозможно при прямой передаче даже с Titan IV, самой большой ракетой-носителем, доступной в то время. Переход Хомана к Сатурну потребовал бы в общей сложности 15,7 км / с дельта-v (без учета собственных гравитационных скважин Земли и Сатурна и без учета аэротормозов ), что не входит в возможности современные ракеты-носители и двигательные установки космических кораблей.

Межпланетная траектория Кассини

Анимация траектории Кассини с 15 октября 1997 г. по 4 мая 2008 г.. Кассини – Гюйгенс ·Юпитер ·Сатурн ·Земля ·Венера ·2685 Масурский

Скорость Кассини относительно Солнца. Гравитация способствует формированию пиков слева, в то время как периодические изменения справа вызваны орбитой космического корабля вокруг Сатурна.

После выхода на орбиту вокруг Сатурна космический корабль Кассини использовал несколько Титан помощь гравитации для навигации через сложный орбитальный тур. Типичная встреча с Титаном изменила скорость космического корабля на 0,75 км / с, и космический корабль совершил 127 встреч с Титаном. Эти встречи позволили совершить орбитальный тур с широким диапазоном расстояний периапсиса и апоапсиса, различных ориентаций орбиты по отношению к Солнцу и наклонов орбиты от 0 ° до 74 °.

Розетта

Анимация траектории Розетты с 2 марта 2004 г. по 9 сентября 2016 г.. Розетта ·67P / CG ·Земля ·Марс ·21 Лютеция ·2867 Šteins

Зонд Rosetta, запущенный в марте 2004 года, использовал четыре гравитационных маневра (в том числе один всего в 250 км от поверхности Марса) для ускорения во внутренней части Солнечной системы. Это позволило ему соответствовать скорости кометы 67P / Чурюмова – Герасименко в точке встречи в августе 2014 года.

Juno

Космический корабль Juno был запущен 5 августа 2011 г. (UTC). Траектория использовала ускорение гравитационного поля от Земли, совершенное пролетом над Землей в октябре 2013 года, через два года после ее запуска 5 августа 2011 года. Таким образом, Juno изменил свою орбиту (и скорость) в сторону своей конечная цель, Юпитер, всего через пять лет.

Анимация траектории Юноны с 5 августа 2011 г. по 30 июля 2021 г.. Юнона ·Земля ·Марс ·Юпитер

Солнечный зонд Паркер

НАСА Миссия Parker Solar Probe, запущенная в 2018 году, будет использовать многократную гравитационную поддержку на Венере, чтобы убрать угловой момент Земли с орбиты и упасть на расстояние 8,5 солнечные радиусы (5.9 Gm ) от Солнца. Миссия Parker Solar Probe будет самым близким приближением к Солнцу из любой космической миссии.

BepiColombo

Анимация траектории BepiColombo с 20 октября 2018 г. по 2 ноября 2025 г.. BepiColombo ·Земля ·Венера ·Меркурий ·Солнце. Для получения более подробной анимации см. это видео.

BepiColombo - это совместный проект Европейского космического агентства (ESA) и Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA) на планету Меркурий. Он был запущен 20 октября 2018 года. Он будет использовать технику гравитации с Землей один раз, с Венерой дважды и шесть раз с Меркурием. BepiColombo назван в честь Джузеппе (Бепи) Коломбо, который был одним из первых мыслителей этого способа маневров.

См. Также

Портал космических полетов

3753 Cruithne, астероид, который периодически сталкивается гравитационной рогаткой с Землей
Бюджет Дельта-v
Передача низкой энергии, тип гравитационной помощи, при которой космический корабль гравитационно захватывает орбиту на орбиту небесным телом. Этот метод обычно применяется в системе Земля-Луна.
Динамическое трение
Аномалия пролета, аномальное увеличение дельта-v во время гравитации помогает
Гравитационная замочная скважина
Межпланетная транспортная сеть
n проблема тела
New Horizons, миссия с использованием гравитации (пролет мимо Юпитера), которая достигла Плутона 14 июля 2015 г.
Pioneer 10
Pioneer 11, a Миссия с использованием гравитации (пролет мимо Юпитера 1974-12-03) по достижению Сатурна в 1979 году
Pioneer H, первая предложенная миссия вне эклиптики (OOE) для Юпитера и наблюдения Солнца (Солнца)
STEREO, миссия с использованием гравитации, в ходе которой с помощью Луны Земли два космических корабля были выведены с земной орбиты на гелиоцентрическую орбиту

Ссылки

Внешние ссылки

Найдите Gravity Assistant в Wiktionary, бесплатном словаре.

Basics of Space Flight: A Gravity Assist Primer на NASA.gov
Spaceflight и космический корабль: Gravity Assist, обсуждение на Phy 6.org
"Гравитационная рогатка". MathPages.com.
Эксперимент с падением двойного шара
«Рогатка с гравитацией, история вопроса, принцип, приложения, части 1 и 2», на EEWorldoneline.com