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Veröffentlicht am 28-09-2019

Gravity Assist: Der einfache Physik-Trick, mit dem die Menschheit den Weltraum erkunden kann

Wie das Raumschiff NASA Voyager dem Sonnensystem entkommen konnte

Eine künstlerische Darstellung der Voyager-Raumsonde, die sich dem Saturn nähert, unter Verwendung eines Gravitationsassistenten von Jupiter. Bildnachweis: NASA JPL
Dieser Artikel wurde ursprünglich für The Wire veröffentlicht. Dies ist ein Spiegel des Gleichen.

Reisen über weite Entfernungen sind nicht billig. Es kostet Raumschiff Zeit, Treibstoff und Geld. Glücklicherweise bietet die Natur auf ihrem Weg kostenlose Hilfe an und Missionsdesigner nehmen diese immer in Anspruch.

Sie werden als Schwerkraftassistenten bezeichnet.

Bei diesen Manövern tauscht ein Raumschiff seinen Schwung in enger Begegnung mit einem Planeten aus, um an Geschwindigkeit zu gewinnen. In zahlreichen interplanetaren Missionen wurden Gravitationshilfen eingesetzt, um Raumschiffe auf ihre Ziele zu treiben.

Schwerkrafthilfen sind auch nützlich, weil es nicht praktisch ist, einfach mehr Treibstoff für den Antrieb eines Raumfahrzeugs hinzuzufügen. Das Hinzufügen von mehr Kraftstoff macht es mehr wiegen. Dies bedeutet, dass der Rakete mehr Treibstoff hinzugefügt werden muss, um das jetzt schwerere Raumschiff zu starten. Da das Einbeziehen von zusätzlichem Treibstoff auch die Masse der Rakete erhöht, wird mehr Treibstoff benötigt, um diesen Treibstoff zu transportieren, und so weiter.

Als Daumenregel steigt der Treibstoffbedarf exponentiell an, wenn dem Raumfahrzeug mehr Masse hinzugefügt wird. Bei schwereren Raumfahrzeugen muss möglicherweise eine komplexere Rakete gebaut werden, um die Anforderungen zu erfüllen. Eine solche Erhöhung der Kosten und der technologischen Komplexität kann durch die Verwendung von Schwerkraftassistenten eingespart werden.

Sie ermöglichen es uns auch, Dinge zu tun, die über unsere derzeitigen Fähigkeiten hinausgehen. In den 1970er Jahren wurden einige der ehrgeizigsten Raumschiffe der Geschichte gestartet: Voyager 1 und 2, beide von der NASA. Sie würden der Schwerkraft der Sonne entkommen und das Sonnensystem verlassen. Voyager 1 ist 2013 in den interstellaren Raum eingetreten, und Voyager 2 wird voraussichtlich bald das Gleiche tun. Und ohne die Schwerkraft wäre das nicht möglich gewesen.

Nach dem Start hatten die Zwillings-Voyager nicht genug Geschwindigkeit, um der Schwerkraft der Sonne sofort zu entkommen. Es war und ist uns unmöglich, eine Rakete zu bauen, die stark genug ist, um dies zu erreichen. Die Titan-III-Raketen, die die Voyager abfeuerten (Abstand von 10 Tagen), ließen ihnen genug Energie, um auf den Jupiter zu gelangen.

Um dieses Problem zu lösen, mussten die Voyager um den Gasriesen schwingen, um den Geschwindigkeitsschub zu erhalten, der zur Flucht vor der Sonne erforderlich war. Als sich jedes Raumschiff Jupiter näherte, beschleunigte die Schwerkraft des Planeten die Annäherung. Solch eine Begegnung mit einem Planeten durch die Schwerkraft wird als Vorbeiflug bezeichnet.

Voyager 1 & 2 Flugbahnen, die Gravitationsmanöver bei Jupiter & Saturn zeigen, um dem Sonnensystem zu entkommen. Bildnachweis: NASA

Die zusätzliche Geschwindigkeit kommt vom Planeten selbst. Es ist daran zu erinnern, dass das Raumschiff auch eine gewisse Masse hat, auch wenn sie im Vergleich zu Jupiter unbedeutend ist. Die Schwerkraft funktioniert in beide Richtungen: Das Raumschiff zieht an Jupiter - auch wenn Jupiter an dem Raumschiff zieht - verlangsamt es auf seiner Umlaufbahn um die Sonne so leicht.

Da der Gesamtimpuls, ein Produkt aus Masse und Geschwindigkeit, immer in einer Wechselwirkung erhalten bleibt, gewinnt das Raumfahrzeug den von Jupiter verlorenen Impuls. Der Geschwindigkeitsverlust für Jupiter in diesem Schema ist so vernachlässigbar, dass er unwichtig ist. Aber die Geschwindigkeit, die das Raumschiff in nur einer solchen Interaktion erreicht, ist ziemlich bedeutend, wie im Fall der Voyager.

Die Voyager 2 hatte eine Geschwindigkeit von ~ 10 km / s, als sie sich dem Jupiter näherte. Nach der Schwerkraftunterstützung stieg die Geschwindigkeit auf ~ 25 km / s.

Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs Voyager 2 als Funktion der Entfernung von der Sonne im Vergleich zur Fluchtgeschwindigkeit des Sonnensystems. Bildnachweis: NASA

Seit den Voyager-Missionen werden Gravitationshilfen eingesetzt, um überall im Sonnensystem voranzukommen. Die Cassini-Sonde der NASA für das Saturn-System wog beim Start über 5.000 kg - auf der schwereren Seite für interplanetare Missionen. Die beiden Voyager wogen jeweils weniger als 900 kg. Die Rakete, die Cassini, Titan IV, abfeuerte, war nicht wesentlich leistungsfähiger als die Titan III. Da die Sonde schwer war, würde eine einzige Schwerkrafthilfe von Jupiter sie nicht schneiden. Also flog Cassini zuerst in Richtung Sonne, bevor sie wegflog: Es waren zwei Gravitationshilfen von der Venus, eine von der Erde und eine von Jupiter, erforderlich, um den Saturn zu erreichen.

Die ESA-Raumsonde Rosetta untersuchte den Kometen 67P nach einer anstrengenden Reise. Um sich mit dem Kometen zu treffen, musste Rosetta der hohen Geschwindigkeit des Kometen entsprechen, bei der drei Fliegen um die Erde und ein Fliegen um den Mars beteiligt waren.

Rosettas 10-jährige Reise durch das Sonnensystem beinhaltete mehrere Vorbeiflüge, darunter drei um die Erde. Gutschrift: ESA

Gravitationshilfen können auch verwendet werden, um ein Raumschiff zu verlangsamen. Dies funktioniert, wenn sich das Raumschiff dem Planeten entgegengesetzt zur Umlaufbahn des Planeten um die Sonne nähert. In diesem Szenario würde das Raumschiff an Schwung für den Planeten verlieren.

Aber warum überhaupt langsamer fahren?

Missionen in das innere Sonnensystem stehen vor anderen Herausforderungen als im äußeren Sonnensystem. Betrachten Sie die jüngste Mission von Mercury - die ESA BepiColombo -, die am 20. Oktober 2018 gestartet wurde.

Quecksilber liegt tief im Gravitationsbrunnen der Sonne. Dies bedeutet, dass ein Raumschiff, das auf Merkur zusteuert, aufgrund der Schwerkraft der Sonne ständig beschleunigt wird. Auf einer solchen Flugbahn würde BepiColombo Merkur mit einer Geschwindigkeit erreichen, die zu hoch ist, um sich in die Umlaufbahn befördern zu lassen.

Ein Ausweg ist das rückläufige Schieben: Die Triebwerke werden durch Triebwerke gezündet, die als eine Art Bremsen in Flugrichtung zeigen. Dies würde jedoch viel Kraftstoff verbrauchen, und wie wir gesehen haben, ist dies nicht praktikabel. Dem Quecksilber fehlt auch eine bedeutende Atmosphäre wie die Venus, die Erde oder sogar der Mars. Daher ist auch ein Bremsen mit dem Flugzeug keine Option.

Die Missionskonstrukteure von BepiColombo gingen das Problem mit einer schwerkraftunterstützten Lösung an. Die Sonde wird einen Schwerkraft-Assistenten von der Erde, zwei von der Venus und sechs von Merkur selbst zum Verlangsamen verwenden. Bei jedem Vorbeiflug verliert die Sonde einen Teil ihrer reichlichen Umlaufgeschwindigkeit. Nach mehreren Vorbeiflügen wird es langsam genug sein, damit Mercury es einfängt. BepiColombo soll derzeit Merkur im Dezember 2025 umkreisen, wenn alles nach Plan verläuft.

Animation, die die Flugbahn von BepiColombo vom Start bis zum Erreichen der Umlaufbahn von Mercury zeigt. Beachten Sie die vielen Vorbeiflüge um Mercury. Bildnachweis: Phoenix777 auf Wikipedia

Die NASA Parker Solar Probe wurde in diesem Jahr auf den Markt gebracht, um die Sonne in ihrer Atmosphäre zu untersuchen. Wie bei BepiColombo wird Parker bei der Annäherung an die Sonne ständig beschleunigt, was es schwierig macht, so nah an die Sonne heranzukommen. Innerhalb von sechs Jahren wird Parker sieben Gravitationsassistenten von der Venus einsetzen, um seine endgültige Umlaufbahn im Jahr 2024 zu erreichen. Diese Umlaufbahn wird ihn zu seinem Ziel bringen: 6 Millionen Kilometer von der Sonnenoberfläche entfernt, etwa 10x näher als Merkur.

Die Flugbahn der Parker-Sonnensonde nutzt sieben Gravitationshilfen von Venus, um den nächstgelegenen Durchgang zur Sonne zu erreichen. Bildnachweis: NASA

Die Physik der Schwerkraft kann auch verwendet werden, um die Neigung einer Umlaufbahn zu ändern.

Im Jahr 1990 wurde die NASA-ESA-Mission Ulysses ins Leben gerufen, die sich zunächst mit den Polen der Sonne befasste. Dazu musste Ulysses die Umlaufbahn des Sonnensystems verlassen - die Ebene, in der die acht Planeten die Sonne umkreisen - und eine sehr geneigte Umlaufbahn erreichen.

1992 erhielt Ulysses einen Schwerkraftassistenten von Jupiter in der Nähe seines Nordpols. Die starke Schwerkraft des Planeten bog die Flugbahn des Raumfahrzeugs nach Süden und brachte es in eine Umlaufbahn, die es mit einer Neigung von 80 ° an den Nord- und Südpolen der Sonne vorbeiführte.

Der Schwerkraftassistent ist ein vielseitiges Instrument im Werkzeugkasten des Missionsdesigners. Zukünftige Weltraummissionen könnten mit Hilfe der Schwerkraft noch mehr erreichen - wie ein Orbiter, der mit Plutos Mond Charon das gesamte plutonische System erforscht.

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