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

Wie das Raumschiff NASA Voyager dem Sonnensystem entkam

Eine künstlerische Darstellung des Voyager-Raumfahrzeugs, das sich dem Saturn nähert, unter Verwendung einer Schwerkraftunterstützung von Jupiter. Bildnachweis: NASA JPL
Dieser Artikel wurde ursprünglich für The Wire veröffentlicht. Dies ist ein Spiegel desselben.

Das Reisen über weite Entfernungen ist nicht billig. Es kostet Raumfahrzeuge Zeit, Treibstoff und Geld. Glücklicherweise bietet die Natur unterwegs kostenlose Hilfe an, und Missionsdesigner nehmen diese immer in Anspruch.

Sie werden Schwerkrafthilfen genannt.

Bei diesen Manövern tauscht ein Raumschiff seinen Impuls in einer engen Begegnung mit einem Planeten aus, um an Geschwindigkeit zu gewinnen. Schwerkrafthilfen wurden in zahlreichen interplanetaren Missionen eingesetzt, um Raumfahrzeuge zu ihren Zielen zu treiben.

Schwerkrafthilfen sind auch nützlich, weil es nicht praktisch ist, einfach mehr Treibstoff hinzuzufügen, um ein Raumschiff anzutreiben. Wenn Sie mehr Kraftstoff hinzufügen, wiegt es mehr. 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 Faustregel gilt, dass der Treibstoffbedarf exponentiell ansteigt, wenn dem Raumfahrzeug mehr Masse hinzugefügt wird. Bei schwereren Raumfahrzeugen muss möglicherweise eine komplexere Rakete gebaut werden, um den Anforderungen gerecht zu werden. Solche Kostensteigerungen und technologische Komplexität können durch die Verwendung von Schwerkrafthilfen 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 betrat 2013 den interstellaren Raum und Voyager 2 wird dies voraussichtlich bald tun. Und ohne Schwerkrafthilfen wäre das nicht möglich gewesen.

Nach dem Start hatten die Zwillingsreisenden 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, mit denen die Voyagers (im Abstand von 10 Tagen) gestartet wurden, ließen ihnen genug Energie, um zum Jupiter zu gelangen.

Um dieses Problem zu lösen, mussten die Voyager um den Gasriesen herumschwingen, um den Geschwindigkeitsschub zu erhalten, der erforderlich ist, um der Sonne zu entkommen. Als sich jedes Raumschiff dem Jupiter näherte, beschleunigte die Schwerkraft des Planeten ihn. Eine solch enge Gravitationsbegegnung mit einem Planeten wird als Vorbeiflug bezeichnet.

Flugbahnen der Voyager 1 und 2, die Manöver zur Unterstützung der Schwerkraft bei Jupiter und Saturn zeigen, um dem Sonnensystem zu entkommen. Bildnachweis: NASA

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

Da der Gesamtimpuls, ein Produkt aus Masse und Geschwindigkeit, in einer Wechselwirkung immer erhalten bleibt, wird der vom Jupiter verlorene Impuls vom Raumschiff gewonnen. 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.

Voyager 2 hatte eine Geschwindigkeit von ~ 10 km / s, als es sich 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 wurden Schwerkrafthilfen eingesetzt, um überall im Sonnensystem zu sein. Die NASA-Cassini-Sonde 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, mit der Cassini gestartet wurde, Titan IV, war nicht wesentlich leistungsstärker als die Titan III. Da die Sonde schwer war, würde eine einzige Schwerkraftunterstützung von Jupiter sie nicht schneiden. Also flog Cassini zuerst zur Sonne, bevor er wegflog: Es dauerte zwei Schwerkrafthilfen von der Venus, eine von der Erde und eine vom Jupiter, um den Saturn zu erreichen.

Das Raumschiff ESA Rosetta untersuchte den Kometen 67P nach einer anstrengenden Reise. Um sich mit dem Kometen zu treffen, musste Rosetta der hohen Geschwindigkeit des Kometen entsprechen, an der drei Vorbeiflüge um die Erde und einer um den Mars beteiligt waren.

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

Schwerkrafthilfen können auch verwendet werden, um ein Raumschiff zu verlangsamen. Dies funktioniert, wenn sich das Raumschiff dem Planeten in einer Richtung nähert, die der Umlaufbahn des Planeten um die Sonne entgegengesetzt ist. In diesem Szenario würde das Raumschiff an Dynamik für den Planeten verlieren.

Aber warum überhaupt langsamer fahren?

Missionen im inneren Sonnensystem stehen vor anderen Herausforderungen als Missionen im äußeren Sonnensystem. Betrachten Sie die jüngste Mission bei Mercury - die ESA BepiColombo - die am 20. Oktober 2018 gestartet wurde.

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

Ein Ausweg ist das rückläufige Stoßen: die Triebwerke durch Triebwerke abfeuern, die als Bremsform in Flugrichtung zeigen. Dies würde jedoch viel Kraftstoff verbrauchen, und wie wir gesehen haben, ist das nicht praktikabel. Merkur fehlt auch eine bedeutende Atmosphäre wie Venus, Erde oder sogar Mars, so dass Aerobraking auch keine Option ist.

Die BepiColombo-Missionsdesigner näherten sich dem Problem mit einer Lösung zur Unterstützung der Schwerkraft. Die Sonde verwendet eine Schwerkraftunterstützung von der Erde, zwei von der Venus und sechs von Merkur selbst, um langsamer zu werden. Bei jedem Vorbeiflug verliert die Sonde einen Teil ihrer reichlichen Umlaufgeschwindigkeit. Nach mehreren Vorbeiflügen ist es langsam genug, damit Merkur es einfängt. BepiColombo soll derzeit im Dezember 2025 Merkur umkreisen, wenn alles nach Plan läuft.

Animation, die die Flugbahn von BepiColombo vom Start bis zur Umlaufbahn von Mercury zeigt. Beachten Sie die zahlreichen Vorbeiflüge rund um Mercury. Bildnachweis: Phoenix777 auf Wikipedia

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

Die Flugbahn der Parker Solar Probe nutzt sieben Schwerkrafthilfen der Venus, um den der Sonne am nächsten gelegenen Durchgang zu erreichen. Bildnachweis: NASA

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

1990 wurde die NASA-ESA-Mission Ulysses gestartet, die als erste die Pole der Sonne untersuchte. 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 nahm Ulysses eine Schwerkraftunterstützung 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 ° am Nord- und Südpol der Sonne vorbeiführte.

Der Schwerkraftassistent ist ein vielseitiges Instrument in der Toolbox des Missionsdesigners. Zukünftige Weltraummissionen könnten Schwerkrafthilfen nutzen, um noch mehr zu erreichen - wie wenn ein Orbiter Plutos Mond Charon verwendet, um das gesamte plutonische System zu erkunden.