Gravity assists: the free slingshot

Pada tahun 1977 dua pesawat ruang angkasa Voyager meninggalkan Bumi pada rute yang menggunakan penyelarasan langka dari Yupiter, Saturnus, Uranus dan Neptunus, yang terjadi sekali setiap 175 tahun atau lebih. Setiap planet membengkokkan jalur mereka dan melemparkan mereka lebih cepat. Tanpa penguatan gratis itu, Voyager 2 tidak akan pernah mencapai Neptunus dalam dua belas tahun.

Planet ini tidak memberikan energi. Dia meminjamkanmu gerakannya.

Lihat

Bayangkan bola tenis dilemparkan di depan kereta yang bergerak. Itu melompat kembali lebih cepat daripada itu dilemparkan, karena kereta bergerak menuju ke arahnya. Asisten gravitasi adalah ide yang sama, dengan gravitasi bukan tabrakan:

1. Dilihat dari planet, pesawat ruang angkasa jatuh ke dalam, berputar dan memanjat keluar pada kecepatan yang sama yang datang dengan. Hanya arah yang berubah.
2. Dilihat dari Matahari, planet itu sendiri bergerak dengan kecepatan beberapa km/detik. Tambahkan gerakan itu ke pesawat ruang angkasa sebelum dan setelah flyby: karena arah berubah, kecepatan total bisa jauh lebih besar setelah.

Melalui dibelakang planet, di belakang planet, menambah kecepatan. Melalui di depan mengambilnya; itulah bagaimana Messenger memperlambat untuk mencapai Merkurius.

Mengerti

Dalam contoh ini, pesawat ruang angkasa mendekati Yupiter pada v∞ = 7.5 km/s dan melewati 5 radius Yupiter dari pusatnya. Hiperbola melengkung arahnya dengan

δ = 2 arcsin(1/e),   e = 1 + r_p v∞² / μ

Dengan μ_Jupiter = 1.267 × 10⁸ km³/s², e = 1.16 dan putaran adalah sekitar 119 derajat. Menambah kecepatan orbit Yupiter (13.1 km/s):

• Sebelumnya: sekitar 7.6 km/s relatif terhadap Matahari.
• Setelah: sekitar 19.9 km/s relatif terhadap Matahari.

Pesawat ruang angkasa memperoleh lebih dari 12 km / s tanpa menembakkan mesin. Yupiter, 10²⁴ kali lebih berat, kehilangan momentum yang sama dan melambat dengan jumlah yang terlalu kecil untuk pernah diukur.

Master

Perubahan kecepatan heliosentris terbesar yang mungkin adalah 2 v∞ sin(δ/2), dicapai ketika kecepatan relatif masuk dan keluar ditempatkan simetris tentang kecepatan planet. Semakin dekat jalurnya (sedikit r_p) dan semakin besar planetnya, semakin besar δ dapat menjadi, sampai batas yang ditetapkan oleh atmosfer atau jari-jari planet.

Asisten gravitasi adalah transfer energi orbital dalam masalah tiga badan: di bingkai planet energinya terkonservasi; di bingkai Matahari perubahan energi pesawat ruang angkasa oleh Δε = v_planet · Δv_rel. Perancang misi merantai mereka (Cassini: Venus, Venus, Bumi, Yupiter) dan menambahkan powered flybys kecil di mana pembakaran pada pendekatan terdekat memperoleh keuntungan dari efek Oberth.