Trọng lực hỗ trợ: cái bẫy tự do

Năm 1977, hai tàu vũ trụ Voyager rời Trái Đất trên một tuyến đường sử dụng sự sắp xếp hiếm hoi của Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, điều này xảy ra khoảng mỗi 175 năm. Mỗi hành tinh bẻ cong đường đi của chúng và đẩy chúng nhanh hơn. Không có những động cơ tăng tốc miễn phí, Voyager 2 sẽ không bao giờ tới được Sao Hải Vương trong mười hai năm.

Hành tinh không cho năng lượng đi. Nó cho anh chuyển động.

Nhìn kìa.

Hãy tưởng tượng một quả bóng tennis ném vào phía trước của một chuyến tàu đang di chuyển. Nó nảy trở lại nhanh hơn khi nó được ném, bởi vì tàu lửa đang di chuyển về phía nó. Một sự trợ giúp trọng lực cũng là ý tưởng tương tự, với trọng lực thay vì va chạm:

1. Nhìn từ hành tinh, tàu vũ trụ rơi vào, xoay vòng và leo lên với cùng một tốc độ như khi nó đến. Chỉ có hướng thay đổi.
2. Xem từ mặt trờihành tinh đang di chuyển với tốc độ nhiều km/s. Cộng chuyển động đó vào vận tốc của tàu vũ trụ trước và sau khi bay qua: vì hướng thay đổi, tổng vận tốc có thể lớn hơn nhiều sau đó.

Vượt sau hành tinh, trong dòng chảy của hành tinh, tăng tốc độ. Vượt trước sẽ lấy đi nó; đó là cách mà Messenger chậm lại để đến Sao Thủy.

Hiểu rồi.

Trong ví dụ này, tàu vũ trụ tiếp cận Sao Mộc với vận tốc v∞ = 7.5 km/s và đi qua bán kính 5 lần Sao Mộc từ trung tâm. Đường hyperbola bẻ cong hướng của nó bằng

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

Với μ_Jupiter = 1.267 × 10⁸ km³/s², e = 1.16 và vòng quay là khoảng 119 degrees. Cộng vận tốc quỹ đạo của Sao Mộc (13,1 km/s):

• Trước: khoảng 7.6 km/s so với Mặt Trời.
• Sau: khoảng 19.9 km/s so với Mặt Trời.

Tàu vũ trụ đạt được trên 12 km/s mà không bật động cơ. Sao Mộc, nặng hơn 10²⁴ lần, mất đi động lượng tương tự và chậm lại một cách quá nhỏ để đo được.

Thầy

Sự thay đổi lớn nhất có thể của vận tốc nhật tâm là 2 v∞ sin(δ/2), đạt được khi vận tốc tương đối vào và ra được đặt đối xứng về vận tốc của hành tinh. Càng gần đường đi (r_p nhỏ hơn) và hành tinh càng lớn, δ càng lớn, xuống đến giới hạn được đặt bởi khí quyển hoặc bán kính của hành tinh.

Trọng lực trợ giúp là một sự chuyển đổi năng lượng quỹ đạo trong bài toán ba vật thể: trong khung của hành tinh, năng lượng được bảo toàn; trong khung của Mặt Trời, năng lượng của tàu vũ trụ thay đổi theo Δ = v_planet · Δv_rel. Các nhà thiết kế nhiệm vụ liên kết chúng (Cassini: Sao Kim, Sao Kim, Trái Đất, Sao Mộc) và thêm các bay qua nơi mà một vụ cháy ở gần nhất có lợi từ hiệu ứng Oberth.