yerçekimi yardımı

Yerçekimi yardımı veya yerçekimi destek veya sapan yerçekimi , alanında yörünge mekaniği , bir cazibe gönüllü kullanımıdır gök cismi ( gezegen , ay değişim yönüne) ve bir uzay aracının yörünge (hızlandırmak uzay sondası , yapay uydu, vb.). Amaç, aynı sonucu elde etmek için aracın roket motoru tarafından tüketilmesi gereken yakıttan tasarruf etmek için bu fenomeni kullanmaktır . Dünya'dan uzak gök cisimlerine yönelik tüm uzay sondaları bu yöntemi kullanır.

açıklama

Bir yerçekimi yardımı manevrası gerçekleştirmek için, uzay aracı, etki alanına girmek için yeterince yaklaşmalı ( Hill küresine girer ), ancak onu çarpma riski olmadan. Yerçekimi alanı, hızının arttığını gören uzay aracını mesafe azaldıkça daha fazla çeker: gezegene doğru "düşer" ve bu nedenle hızlanır. Daha sonra gezegenden uzaklaşır ve yavaş yavaş yerçekimi alanını terk eder, yavaş yavaş edindiği hızı kaybeder. Uçağın sonunda (Hill's küresinden çıkarken), uzay aracı çıkış aşamasında kabaca giriş aşamasında kazandığı kadar hız kaybetti. Ancak bu hız yön ve değer olarak değişmiştir.

Gezegenin referans çerçevesinde, araç, gezegenin Hill küresine giriş noktasından çıkışına kadar başlayan hiperbolik bir yörünge izler. Bu iki noktada, aracın nispi hızı aynıdır, ancak yönü farklıdır.
Güneş'in (bir uzay sondası için geçerli olan) referans çerçevesinde, makinenin hızının yönü ve değeri değişmiştir.

Aşağıdaki diyagramlarda, bir uzay sondası iki senaryoda bir gezegeni sıyırır. Grafikteki kırmızı eğri, güneş merkezli referans çerçevesinde , probun hızının zaman içindeki gelişimini temsil eder . Sonda, yörüngesindeki yer değiştirmesine göre gezegenin arkasına geçerek, gezegene, gezegenin hızını ve kinetik enerjisini çok az azaltan bir çekim uygular (kütlesi gezegeninkinden çok daha büyüktür) sonda, etki gezegen için ihmal edilebilir); koruma yoluyla, enerji aktarımı, geçişinden sonra hız kazanan sondaya yarar sağlar. Tersine, sonda gezegenin önünden geçerek kinetik enerjisinin bir kısmını gezegene verir ve bu da gezegenin hız kaybetmesine neden olur.

yerçekimi yardımı
Hızlandırmak için uzay sondası gezegenin arkasından geçer. Grafikteki kırmızı eğri, güneş merkezli (güneş) referans çerçevesinde , probun hızının zaman içindeki gelişimini temsil eder .
Güneş referans çerçevesinde hız kaybetmeyi amaçlayan bir manevranın aynı temsili.

limitler

Uzay sondasının hızı önemli olduğu için hız değişimi daha da önemlidir, gezegen büyüktür ve uçuş mesafesi kısadır. Ancak, bu manevrayı gerçekleştirmek aşağıdaki kısıtlamaları dikkate almalıdır:

Gezegenin bir atmosferi varsa, amaç hızlanmak ve her durumda atmosferik yeniden girişten kaçınmaksa, uzay sondası onun tarafından fren yapmaktan kaçınmak için yeterli bir mesafeden geçmelidir.
Aşırı uçuşun gerçekleşmesi için gezegenin yörüngesi ve uzay sondası çakışmalıdır. Voyager misyonları gibi bazı durumlarda, misyonlarının tekrarlanmasına izin veren gezegenlerin ilgili konumu için bir yüzyıldan fazla zaman alacaktır.

algoritma

Bir yerçekimi yardımının sonucunu belirlemek için hesaplama formülü, esnek bir çarpışma sırasında uygulanan daha genel hesaplama formülünden türetilmiştir. Her iki durumda da uzay sondası ve gezegen tarafından oluşturulan düzeneğin momenti ve kinetik enerjisi korunur. Bir kütle uzay sondası ve güneş referans çerçevesindeki bir hız tarafından canlandırılan bir kütle gezegeni için sırasıyla ve üst uçuştan önce ve üst uçuştan ve sonra. Momentumun korunumu aşağıdaki denklemle sonuçlanır $m_1$ $m_ {2}$ $u_1$ $u_2$ $v_ {1}$ $v_ {2}$

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

Kinetik enerjinin korunumu aşağıdaki denklemle sonuçlanır:

{\ 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}.}

Sağlandığında hızlar belirlenebilir : ${\ görüntü stili v_ {1}, v_ {2}}$ ${\ görüntü stili u_ {1}, u_ {2}}$

{\ displaystyle {\ start {dizi} {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 {dizi}} }

Uzay aracı kütlesi ( ) planet (karşılaştırıldığında ihmal edilebilir ) ( denklem basitleştirilebilir böylece, aşağıdaki gibi): $m_1$ $m_ {2}$ ${\ displaystyle m_ {1} \ ll m_ {2}}$

{\ displaystyle {\ başlangıç ​​{dizi} {ccc} v_ {1} & \ yaklaşık & -u_ {1} + 2u_ {2} \\ v_ {2} & \ yaklaşık & u_ {2} \ bitiş {dizi}} }

Kullanım durumu

Yerçekimi yardımı kullanılır:

uzay sondasının hedefine ulaşması için gerekli olan itici gaz kütlesi, fırlatma teklifindeki her şeyi aşan bir güce sahip bir fırlatıcı gerektirdiğinde. Bu, özellikle dış gezegenlere (Jüpiter, ...) veya Merkür'e yönelik uzay sondaları için geçerlidir.
bir görevin mali kısıtlamaları önemli olduğunda: tasarım aşamasından, yerçekimi yardımı kullanma seçeneği, sondayı hafifletmeyi ve daha az güçlü ve dolayısıyla daha ucuz bir fırlatıcıyı seçmeyi mümkün kılar. Hedefe geçişin uzatılması için bir maliyet değiştirilir;
fırlatma koşulları, ilk tasarım sırasında beklenenden daha az elverişli olduğunda: yerçekimi yardımının kullanılması, fırlatıcıyı değiştirmekten veya görev tasarımını gözden geçirmekten kaçınır. Bu durumda yörünge, bir veya daha fazla yerçekimi yardımı eklenerek değiştirilir. Galileo sondası, bu nedenle, yörüngesini değiştirerek telafi edilen, beklenenden daha az güçlü bir fırlatıcıya uyum sağlamak zorunda kaldı;
Mevcut görevi uyarlamak için gerekli olan öngörülemeyen olaylar ortaya çıktığında: böylece Apollo 13 mürettebatı , Ay'ın yerçekimi yardımına başvurduktan sonra, sağ salim Dünya'ya döndü.

Bu manevrayı kullanan uzay görevleri

Yerçekimi yardımı kullanan ilk uzay sondaları

İlk problar bu etkiyi kullanmak Öncü 10 ve 11 , sırasıyla, 1972 ve 1973 yılında piyasaya tarafından iletilen ivme ile Jüpiter kendi yolculuğuna devam etmek Satürn ve aynı zamanda 10 Mariner tarafından iletilen ivme kullanılan (1973) Venus. Üzere reach Merkür .

2 seyahat

Dev gezegenleri çevreleyen Voyager 2 ,standart bir Hohmann transfer yörüngesiolmayan belirli bir yörüngedeJüpiter'edoğru itildi. Uzay aracı geldiğinde Jüpiter orada olmasaydı, yörüngesine devam edecek veDünya yörüngesinegeri dönecekti . Yerçekimi sapan etkisini kullanmadan, sonda, Neptün'e ulaşmak için 12 yıllık gerçek bir yolculukla karşılaştırıldığında, en iyi ihtimalle yaklaşık 30 yıl sürmüş olmalıydı. Voyager, yaklaşık 176 yılda bir tekrar eden gezegen konfigürasyonundan yararlandı.

Uzay aracının gelişi, güneş etrafındaki yörüngesinde Jüpiter'in arkasına geçecek şekilde dikkatlice hesaplandı . Sonda geldiğinde, yerçekimi alanının etkisi altında Jüpiter'e "düştü". Yine de yörünge, sondanın Jüpiter'in yakınından geçmesi ancak ona çarpmaması için yapılmıştır. Jüpiter'e çok yaklaştıktan sonra gezegenden uzaklaştı. Bu yabancılaşma aşamasında, Jüpiter'e kıyasla yavaşladı. Gerçekten de Jüpiter'e göre "yükseldi" ve dolayısıyla ona doğru düştüğünde hızlandığı gibi yavaşladı. Uzaydaki yörüngeler söz konusu olduğunda, enerjinin korunumu vardır: bu nedenle, sonda Jüpiter'i (veya daha doğrusu, yerçekimsel etki bölgesini) oraya vardığı zamankiyle aynı enerjiyle terk etti.

Ancak, güneş merkezli referans çerçevesinde, sondanın enerjisi değişmiştir. Gerçekten de, hız vektörü yerçekimi sayesinde Jüpiter'in referans çerçevesine döndü. Dönmüş olması, Jüpiter'in etki alanından çıkışta, Jüpiter referans çerçevesindeki sondanın hız vektörü ile Jüpiter'in Güneş etrafındaki hız vektörü arasındaki toplamın (bu nedenle toplamın hız vektörü olan toplam) olduğu anlamına gelir. Güneş etrafındaki sonda), iki vektör arasındaki açı daha küçük olduğu için öncekinden daha büyüktür.

Yani yerçekimi kuvveti karşılıklıdır: sonda gerçekten Jüpiter tarafından hızlandırılmışsa, o zaman Jüpiter sonda tarafından yavaşlatılmıştır. (Bir ton veya <1 x 10 daha az prob kütlesi arasındaki oranına bağlıdır çünkü Bununla birlikte, bu yavaşlama Jüpiter oldukça küçük 3 kg ve Jüpiter kütlesi (yaklaşık 2 x 10) 27 kg ). Jüpiter'in Güneş etrafındaki seyrinde gözle görülür bir bozulma olmadan bu şekilde binlerce sonda gönderilebilir.

Bu teknik daha sonra Satürn ve Uranüs yaklaşırken tekrarlandı.

Cassini Huygens

Cassini-Huygens sondası , Satürn'e ulaşmak için tekrar tekrar yerçekimi yardımını kullandı . Hız vektörünü önce Venüs'ün, ardından Dünya'nın ve son olarak Jüpiter'in yanından geçerek iki kez değiştirdi . Yerçekimi yardımı kullanımı 6.7 yıl yerine gerekli 6 yıl süren yörüngesini uzadı Hohman transferi yörüngede ama bir kaydedilmiş delta-V arasında 2 / s km bu özellikle ağır prob Satürn ulaşmasını sağlayan. Sondaya 15,6 km / s'lik bir hız vermek (Satürn'ün ve Dünya'nın yerçekiminin yanı sıra atmosferik sürüklenmenin etkilerini göz ardı ederek) onu doğrudan bir yörüngeye yerleştirmek için , o dönemde hiçbir fırlatıcının yapmayacağı bir hız vermek gerekliydi. yapamamışlardır.

Kaynak ve referanslar

durdurmak 20 Şubat 1995 uzay bilimi ve teknolojisi terminolojisi ile ilgili.

Gabrielle Bonnet, “ gravitasyonel askının etkisi‘ ’ , ilgili culturesciencesphysique.ens-lyon.fr ,24 Ekim 2003(Erişim tarihi: Aralık 15, 2019 ) .
(içinde) Raymond A. Serway, Jewett, John W. ve Vahe Peroomian., Modern fizik ile bilim adamları ve mühendisler için fizik. , 9,5 Mart 2013( ISBN 978-1-133-95405-7 , OCLC 802321453 ) , s. 257
(içinde) Raymond A. Serway, Jewett, John W. ve Vahe Peroomian., Modern fizik ile bilim adamları ve mühendisler için fizik. , 9,5 Mart 2013( ISBN 978-1-133-95405-7 , OCLC 802321453 ) , s. 258
(in) Mark Adler, " Jüpiter yolculuk süresi Voyager Dünya " üzerinde Stack Borsası ,nisan 2017( 2 Nisan 2017'de erişildi ) .

Şuna da bakın:

Dış bağlantılar