Gravitační asistent - Gravity assist

Animace Voyager 1 je trajektorie od 5. září 1977 do 30. prosince 1981
  Voyager 1  ·   Země  ·   Jupiter  ·   Saturn  ·   slunce
Animace Voyager 2 ‚s trajektorii od 20. srpna 1977 do 30. prosince 2000
  Voyager 2  ·   Země  ·   Jupiter  ·   Saturn  ·   Uran  ·   Neptun  ·   slunce

V orbitální mechanice a leteckého inženýrství , je gravitační prak , gravitační manévr manévr , nebo houpačka jednotlivém je použití relativního pohybu (např oběžné dráze kolem Slunce ) a gravitace z planety nebo jiného astronomického objektu měnit dráhu a rychlost z A kosmická loď , obvykle za účelem úspory pohonných hmot a snížení nákladů.

Gravitační pomoc může být použita ke zrychlení kosmické lodi, tj. Ke zvýšení nebo snížení její rychlosti nebo přesměrování její dráhy. „Asistence“ je poskytována pohybem gravitačního tělesa při jeho tažení na kosmickou loď. Gravitační asistenční manévr byl poprvé použit v roce 1959, kdy sovětská sonda Luna 3 vyfotografovala odvrácenou stranu Měsíce Země, a používaly ji meziplanetární sondy od Mariner 10 dále, včetně pozoruhodných průletů dvou sond Voyager na Jupiteru a Saturnu.

Vysvětlení

Příklad setkání.
V referenčním rámci planety vesmírná sonda odlétá přesně stejnou rychlostí, jakou dorazila. Ale když je pozorován v referenčním rámci sluneční soustavy (fixovaný ke Slunci), výhoda tohoto manévru se ukáže. Zde je vidět, jak sonda získává rychlost klepáním energie z rychlosti planety, když obíhá kolem Slunce. (Pokud je trajektorie navržena tak, aby procházela před planetou místo za ní, může být gravitační asistent použit spíše jako brzdný manévr než zrychlování.) Protože hmotnost sondy je o mnoho řádů menší než planeta , zatímco výsledek na sondě je poměrně významný, zpomalovací reakce, kterou planeta zažívá, je podle třetího Newtonova zákona naprosto nepostřehnutelná.
Možné výsledky gravitačního asistenčního manévru v závislosti na vektoru rychlosti a poloze průletu přicházející kosmické lodi

Gravitační pomoc kolem planety mění rychlost kosmické lodi (vzhledem ke Slunci ) vstupem a opuštěním gravitační sféry vlivu planety. Rychlost kosmické lodi se s přiblížením k planetě zvyšuje a klesá, zatímco uniká jejímu gravitačnímu tahu (což je přibližně stejné), ale protože planeta obíhá kolem Slunce, kosmická loď je tímto pohybem během manévru ovlivněna. Pro zvýšení rychlosti se kosmická loď přibližuje k planetě ze směru oběžné rychlosti planety a odlétá opačným směrem. Aby se snížila rychlost, sonda se přibližuje z planety ze směru od orbitální rychlosti planety - v obou typech manévrů je přenos energie ve srovnání s celkovou orbitální energií planety zanedbatelný. Součet kinetických energií obou těles zůstává konstantní (viz elastická kolize ). Manévr prakem lze tedy použít ke změně trajektorie a rychlosti vesmírné lodi vzhledem ke Slunci.

Blízkou pozemskou analogii poskytuje tenisový míč odrážející se od přední části jedoucího vlaku. Představte si, že stojíte na nástupišti a házíte míč rychlostí 30 km/h směrem k vlaku, který se blíží rychlostí 50 km/h. Řidič vlaku vidí, jak se míč přibližuje rychlostí 80 km/h, a poté odjíždí rychlostí 80 km/h poté, co se míč pružně odrazí od přední části vlaku. Kvůli pohybu vlaku je však tento odjezd 130 km/h vzhledem k nástupišti vlaku; míč přidal dvojnásobek rychlosti vlaku ke své vlastní.

Překlad této analogie do vesmíru: v referenčním rámci planety má kosmická loď svislou rychlost v vzhledem k planetě. Jakmile nastane prak, kosmická loď odlétá o 90 stupňů směrem k tomu, na který dorazila. Stále bude mít rychlost v , ale v horizontálním směru. V referenčním rámci Slunce má planeta horizontální rychlost v a pomocí Pythagorovy věty má vesmírná loď zpočátku celkovou rychlost 2 v . Poté, co kosmická loď opustí planetu, bude mít rychlost v + v = 2 v , získává kolem 0,6 v .

Tento příliš zjednodušený příklad není možné upřesnit bez dalších podrobností týkajících se oběžné dráhy, ale pokud kosmická loď cestuje po dráze, která tvoří hyperbolu , může opustit planetu v opačném směru, aniž by vypálila svůj motor. Tento příklad je také jednou z mnoha trajektorií a zrychlení, které může vesmírná loď mít.

Zdá se, že toto vysvětlení porušuje zachování energie a hybnosti, což zjevně zvyšuje rychlost kosmické lodi z ničeho, ale je třeba vzít v úvahu také účinky kosmické lodi na planetu, aby byl poskytnut úplný obraz o použité mechanice. Lineární hybnost získaná vesmírnou lodí má stejnou velikost jako síla ztracená planetou, takže kosmická loď získává rychlost a planeta ztrácí rychlost. Obrovská hmotnost planety ve srovnání s kosmickou lodí však činí výslednou změnu její rychlosti zanedbatelně malou, i když ve srovnání s orbitálními poruchami, které planety procházejí v důsledku interakcí s jinými nebeskými tělesy v astronomicky krátkých časových obdobích. Například jedna metrická tuna je typickou hmotností meziplanetární vesmírné sondy, zatímco Jupiter má hmotnost téměř 2 x 10 24 metrických tun. Tónová kosmická loď kolem Jupitera tedy teoreticky způsobí, že planeta ztratí přibližně 5 x 10-25 km/s orbitální rychlosti na každý km/s rychlosti relativní ke Slunci získané kosmickou lodí. Pro všechny praktické účely, protože účinky na planetu jsou tak malé (protože planety jsou mnohem hmotnější než kosmické lodě), mohou být ve výpočtu ignorovány.

Realistická zobrazení setkání ve vesmíru vyžadují zvážení tří dimenzí. Platí stejné zásady, pouze přidání rychlosti planety k rychlosti kosmické lodi vyžaduje přidání vektoru , jak je uvedeno níže.

Dvourozměrné schéma gravitačního praku. Šipky ukazují směr, kterým se kosmická loď pohybuje před a po setkání. Délka šipek ukazuje rychlost kosmické lodi.
Pohled z MESSENGERU, který využívá Zemi jako gravitační prak ke zpomalení, aby umožnil vložení na oběžnou dráhu kolem Merkuru

Vzhledem ke vratnosti oběžných drah lze ke snížení rychlosti kosmické lodi použít také gravitační praky. Oba Mariner 10 a MESSENGER provedl tento manévr k dosažení Merkuru .

Je -li zapotřebí ještě větší rychlosti, než je k dispozici pouze při gravitační asistenci, je nejekonomičtější způsob, jak použít vypálení rakety, udělat to blízko periapsie (nejbližší přiblížení). Dané vypálení rakety vždy poskytuje stejnou změnu rychlosti ( Δv ), ale změna kinetické energie je úměrná rychlosti vozidla v době spálení. Aby se z popáleniny dostalo co nejvíce kinetické energie, musí k popálení dojít při maximální rychlosti vozidla, při periapsi. Oberthův efekt popisuje tuto techniku ​​podrobněji.

Derivace

Vzorce pro gravitační asistenci lze odvodit ze známých vzorců pro pružnou kolizi . Oba hybnost a kinetická energie jsou zachovány, takže pro subjekty s masami a , a rychlostí a před srážkou, a i po srážce. Hybnost před a po srážce je vyjádřeno:

Kinetická energie je vyjádřeno:

Tyto rovnice lze vyřešit, pokud jsou známy:

V případě kosmické lodi letící kolem planety je hmotnost kosmické lodi ( ) ve srovnání s hmotností planety ( ) ( ) zanedbatelná , takže se snižuje na:

Historický původ

Ve svém příspěvku „Тем, кто будет читать, чтобы строить“ (Pro ty, kteří budou číst [tento dokument] za účelem vybudování [meziplanetární rakety]), publikovaný v roce 1938, ale datovaný rokem 1918–1919, Jurij Kondratyuk navrhl, aby se jednalo o vesmírnou loď. cestování mezi dvěma planetami by bylo možné urychlit na začátku a na konci její trajektorie využitím gravitace měsíců obou planet. Tato část jeho rukopisu zohledňujícího gravitační asistence se dočkala pozdějšího vývoje a byla vydána až v 60. letech minulého století. V jeho 1925 papíru „Проблема полета при помощи реактивных аппаратов: межпланетные полеты“ [Problémy letu tryskového pohonu: meziplanetární lety], Friedrich Zander ukázal hluboké znalosti fyziky za koncepce gravitace, pomoci a jeho potenciál pro meziplanetárního zkoumání sluneční soustava. To je ještě výjimečnější, když vezmeme v úvahu, že jiní velcí astrodynamici té doby, např. Guido von Pirquet a Walter Hohmann , nikdy nepovažovali gravitační asistence.

První, kdo vypočítal meziplanetární cestu s ohledem na více gravitačních asistencí, byl italský inženýr Gaetano Crocco .

Gravitační asistenční manévr byl poprvé použit v roce 1959, kdy sovětská sonda Luna 3 fotografovala odvrácenou stranu Měsíce Země. Manévr se opíral o výzkum prováděný pod vedením Mstislava Keldyše na Steklovově matematickém ústavu mimo jiné Vsevolodem Alexandrovičem Egorovem.

V létě roku 1964 v NASA Jet Propulsion Laboratory ( JPL ) dostal Gary Flandro za úkol studovat techniky zkoumání vnějších planet sluneční soustavy. V této studii objevil vzácné uspořádání vnějších planet (Jupiter, Saturn, Uran a Neptun) a vytvořil planetární misi Planetary Grand Tour využívající gravitační asistenční techniku ​​ke zkrácení trvání mise ze čtyřiceti let na méně než deset. let.

Účel

Spiknutí heliocentrické rychlosti sondy Voyager 2 proti její vzdálenosti od Slunce, ilustrující využití gravitační pomoci ke zrychlení kosmické lodi Jupiterem, Saturnem a Uranem. Aby mohl Voyager 2 pozorovat Tritona , prošel severním pólem Neptunu, což mělo za následek zrychlení z roviny ekliptiky a snížení rychlosti od Slunce.

Kosmická loď cestující ze Země na vnitřní planetu zvýší svoji relativní rychlost, protože padá směrem ke Slunci, a kosmická loď cestující ze Země na vnější planetu sníží svoji rychlost, protože opouští blízkost Slunce.

Přestože je oběžná rychlost vnitřní planety vyšší než rychlost Země, kosmická loď, která cestuje na vnitřní planetu, je i při minimální rychlosti potřebné k jejímu dosažení zrychlena gravitací Slunce na rychlost výrazně vyšší než oběžná rychlost té cílové planety. Pokud je účelem kosmické lodi pouze létat na vnitřní planetě, pak není obvykle nutné kosmickou loď zpomalovat. Pokud však má být kosmická loď vložena na oběžnou dráhu kolem této vnitřní planety, musí existovat nějaký způsob, jak ji zpomalit.

Podobně, zatímco orbitální rychlost vnější planety je nižší než rychlost Země, kosmická loď opouštějící Zemi minimální rychlostí potřebnou k cestě na nějakou vnější planetu je gravitací Slunce zpomalena na rychlost mnohem nižší než orbitální rychlost ta vnější planeta. Proto musí existovat nějaký způsob, jak urychlit kosmickou loď, když dorazí na tuto vnější planetu, pokud má vstoupit na oběžnou dráhu kolem ní.

Raketové motory lze určitě použít ke zvýšení a snížení rychlosti kosmické lodi. Raketový tah však vezme pohonnou látku, pohonná hmota má hmotnost a dokonce i malá změna rychlosti (známá jako Δ v nebo „delta- v “, symbol delta používaný k reprezentaci změny a „v“ značící rychlost ) se překládá do mnohem větší požadavek na pohonnou látku potřebnou k dobrému úniku ze zemské gravitace . Důvodem je nejen to, že motory primárního stupně musí zvedat extra pohonnou látku, ale musí také zvednout extra pohonnou látku nad rámec toho, co je potřebné pro zvednutí této další pohonné látky. Na start rakety hmota požadavek exponenciálně zvyšuje se zvýšením požadované delta V kosmické lodi.

Protože ke zvedání paliva do vesmíru je potřeba další palivo, jsou vesmírné mise koncipovány s „rozpočtem“ s těsným pohonem, známým jako „ rozpočet delta-v “. Rozpočet delta-v je ve skutečnosti celkový hnací plyn, který bude k dispozici po opuštění Země, pro zrychlení, zpomalení, stabilizaci proti vnějším nárazům (částicemi nebo jinými vnějšími efekty) nebo změny směru, pokud nemůže získat více hnacího plynu . Celá mise musí být naplánována v rámci této schopnosti. Metody změny rychlosti a směru, které nevyžadují spalování paliva, jsou proto výhodné, protože umožňují extra manévrovací schopnosti a vylepšení kurzu, aniž by došlo k utrácení paliva z omezeného množství, které bylo přeneseno do vesmíru. Gravitační asistenční manévry mohou výrazně změnit rychlost kosmické lodi bez vynaložení pohonné hmoty a mohou ušetřit značné množství pohonné hmoty, takže jsou velmi běžnou technikou pro úsporu paliva.

Limity

Dráhy, které umožnily dvojici kosmických lodí NASA Voyager cestovat po čtyřech obřích planetách a dosáhnout rychlosti úniku ze sluneční soustavy

Hlavním praktickým limitem pro použití gravitačního asistenčního manévru je to, že planety a jiné velké masy jsou zřídka na správných místech, aby umožnily plavbu do určitého cíle. Například mise Voyager, které začaly na konci 70. let, byly umožněny sladěním Jupitera, Saturnu, Uranu a Neptunu „ Grand Tour “. K podobnému zarovnání dojde znovu až v polovině 22. století. To je extrémní případ, ale i pro méně ambiciózní mise existují roky, kdy jsou planety roztroušeny v nevhodných částech jejich oběžných drah.

Dalším omezením je atmosféra, je -li nějaká, dostupné planety. Čím blíže se kosmická loď může přiblížit, tím vyšší je rychlost její periapsie, protože gravitace kosmickou loď zrychluje, což umožňuje spálení rakety získat více kinetické energie. Pokud se však kosmická loď dostane příliš hluboko do atmosféry, energie ztracená při tažení může překročit energii získanou gravitací planety. Na druhou stranu lze atmosféru využít k dosažení aerobrakingu . Objevily se také teoretické návrhy na využití aerodynamického vztlaku, když kosmická loď letí atmosférou. Tento manévr, nazývaný aerogravitační asistent , by mohl ohnout trajektorii o větší úhel než samotná gravitace, a tím zvýšit zisk energie.

I v případě bezvzduchového tělesa existuje limit, jak blízko se může kosmická loď přiblížit. Velikost dosažitelné změny rychlosti závisí na rychlosti přiblížení kosmické lodi a únikové rychlosti planety v bodě nejbližšího přiblížení (omezeného buď povrchem, nebo atmosférou).

Meziplanetární praky využívající samotné Slunce nejsou možné, protože Slunce je ve srovnání se sluneční soustavou jako celkem v klidu. Tahání, když je blízko Slunce, má stejný účinek jako poháněný prak popsaný jako Oberthův efekt . To má potenciál enormně zvýšit přítlačnou sílu kosmické lodi, ale je to omezeno schopností kosmické lodi odolávat horku.

Je představitelný mezihvězdný prak využívající Slunce, zahrnující například objekt přicházející odjinud z naší galaxie a houpající se kolem Slunce, aby se podpořilo jeho galaktické cestování. Energie a moment hybnosti by poté pocházely z oběžné dráhy Slunce kolem Mléčné dráhy . Tento koncept je prominentní v oceněném románu Arthura C. Clarka z roku 1972 Rendezvous With Rama ; jeho příběh se týká mezihvězdné kosmické lodi, která používá Slunce k provádění tohoto druhu manévru, a přitom znepokojuje mnoho nervózních lidí.

Rotující černé díry by mohly poskytnout další pomoc, pokud je jeho osa rotace je vyrovnána tou správnou cestou. Obecná relativita předpovídá, že velká rotující hmota produkuje tažení snímků-v blízkosti objektu se samotný prostor táhne ve směru otáčení. Tento efekt vytváří jakýkoli obyčejný rotující předmět. Ačkoli pokusy změřit tažení snímku kolem Slunce nepřinesly žádné jasné důkazy, experimenty prováděné gravitační sondou B odhalily efekty přetahování snímků způsobené Zemí. Obecná relativita předpovídá, že rotující černá díra je obklopena oblastí vesmíru, nazývanou ergosféra , v níž není možné stát v klidu (s ohledem na rotaci černé díry), protože samotný prostor je tažen rychlostí světla stejným směrem jak se točí černá díra. Proces Penrose může nabídnout způsob, jak získat energii z ergosféra, ačkoli to by vyžadovalo, aby loď vypsat nějaké „balast“ do černé díry, a kosmická loď by musela vynaložit energii nést „balast“ do černé díry .

Tisserandské parametry a gravitační asistence

Použití gravitačních asistencí je omezeno konzervovanou veličinou nazývanou parametr Tisserand (nebo invariant). Toto je přiblížení k Jacobiho konstantě omezeného problému tří těl . Když vezmeme v úvahu případ komety obíhající kolem Slunce a účinky, které by mělo setkání s Jupiterem, Félix Tisserand ukázal, že

zůstane konstantní (kde je semi-hlavní osa komety , její excentricita , její sklon a je semi-hlavní osou Jupitera). To platí, když je kometa dostatečně daleko od Jupiteru, aby měla dobře definované orbitální prvky, a do té míry, že je Jupiter mnohem méně hmotný než Slunce a na kruhové dráze.

Toto množství je zachováno pro jakýkoli systém tří objektů, z nichž jeden má zanedbatelnou hmotnost a druhý má střední hmotnost a je na kruhové dráze. Příkladem je Slunce, Země a kosmická loď, nebo Saturn, Titan a kosmická loď Cassini (místo toho používá poloviční hlavní osu rušivého tělesa ). To ukládá omezení na to, jak může být gravitační pomoc použita ke změně oběžné dráhy kosmické lodi.

Parametr Tisserand se změní, pokud kosmická loď provede hnací manévr nebo gravitační asistenci nějakého čtvrtého objektu, což je jeden z důvodů, proč mnoho kosmických lodí často kombinuje gravitační asistenci Země a Venuše (nebo Marsu) nebo také provádí velké hluboké vesmírné manévry.

Časová osa pozoruhodných příkladů

Luna 3

Gravitační asistenční manévr byl poprvé použit v roce 1959, kdy Luna 3 fotografovala odvrácenou stranu Měsíce Země.

Program Pioneer

Architektura mise Garyho Flandra by nakonec byla na konci sedmdesátých let provedena dvěma sondami Voyager , ale aby se na to připravila, NASA se v roce 1964 rozhodla experimentovat s vypuštěním dvojice sond do vnější sluneční soustavy . Advokátní skupina s názvem Outer Space Panel a vedená americkým vesmírným vědcem Jamesem A. Van Allenem vypracovala vědecké zdůvodnění zkoumání vnějších planet. NASA Goddard Spaceflight Center sestavilo návrh na dvojici „Galaktických sond Jupitera“, které by prošly pásem asteroidů a navštívily Jupiter. Ty měly být vypuštěny v letech 1972 a 1973 během příznivých oken, k nimž docházelo jen několik týdnů každých 13 měsíců. Spuštění v jiných časových intervalech by bylo nákladnější z hlediska požadavků na hnací plyn.

Dvojitá kosmická loď, schválená NASA v únoru 1969, byla před startem označena jako Pioneer F a Pioneer G; později byli pojmenováni Pioneer 10 a Pioneer 11 . Tvořily součást programu Pioneer , série amerických bezpilotních vesmírných misí zahájených v letech 1958 až 1978. Tento model byl prvním v řadě, který byl navržen pro průzkum vnější sluneční soustavy. Na základě několika návrhů vydaných v průběhu šedesátých let bylo cílem první mise prozkoumat meziplanetární médium kolem oběžné dráhy Marsu, studovat pás asteroidů a posoudit možné nebezpečí pro kosmické lodě cestující pásem a prozkoumat Jupiter a jeho prostředí. Pozdější cíle vývojové fáze zahrnovaly sondu těsně se blížící k Jupiteru, aby poskytly údaje o vlivu radiace prostředí obklopující Jupiter na nástroje kosmických lodí.

Pioneer 10

Pioneer 10 (původně označovaný jako Pioneer F ) je americká vesmírná sonda , vypuštěná v roce 1972 a vážící 258 kilogramů (569 liber ), která dokončila první misi na planetu Jupiter . Poté se Pioneer 10 stal prvním z pěti umělých objektů, které dosáhly únikové rychlosti potřebné k opuštění sluneční soustavy . Tento projekt průzkumu vesmíru provedlo NASA Ames Research Center v Kalifornii a vesmírnou sondu vyrobila společnost TRW Inc.

To byla zahájena dne 2. března 1972, pomocí Atlas-Centaur postradatelné vozidlo z mysu Canaveral , Florida . Mezi 15. červencem 1972 a 15. únorem 1973 se stala první kosmickou lodí, která prošla pásem asteroidů . Fotografování Jupitera začalo 6. listopadu 1973 v dosahu 25 000 000 kilometrů (16 000 000 mi) a bylo přeneseno asi 500 snímků. Nejbližší přístup k planetě byl 4. prosince 1973 (02:26 UT) v dosahu 130 354 kilometrů (80 998 mi). Během mise byly palubní přístroje použity ke studiu pásu asteroidů, prostředí kolem Jupitera, slunečního větru , kosmických paprsků a nakonec i vzdálených končin sluneční soustavy a heliosféry .

Rádiová komunikace byla ztracena s Pioneer 10 23. ledna 2003, kvůli ztrátě elektrické energie pro jeho rádiový vysílač , se sondou ve vzdálenosti 12 miliard kilometrů (80  AU ) od Země.

V prosinci 1973 byla kosmická loď Pioneer 10 první, která pomocí gravitačního praku dosáhla únikové rychlosti a opustila sluneční soustavu.

Pioneer 11

Pioneer 11 (také známý jako Pioneer G ) je 260 kilogramů (570 liber) robotická vesmírná sonda vypuštěná NASA 6. dubna 1973 ke studiu pásu asteroidů , prostředí kolem Jupitera a Saturnu , slunečních větrů a kosmických paprsků . Byla to první sonda, která narazila na Saturn , druhá proletěla pásem asteroidů a druhá letěla kolem Jupitera . Později se Pioneer 11 stal druhým z pěti umělých předmětů, které dosáhly únikové rychlosti, která mu umožnila opustit sluneční soustavu . Kvůli omezením napájení a obrovské vzdálenosti od sondy došlo k poslednímu rutinnímu kontaktu s kosmickou lodí 30. září 1995 a poslední dobrá technická data byla přijata 24. listopadu 1995.

Námořník 10

Mariner 10. Sonda byla první kosmická loď používat gravitační prak efektu dosáhnout jinou planetu, kolem Venuše dne 5. února 1974 na své cestě k tomu stát se první kosmickou lodí, aby prozkoumala Merkuru .

Voyager

Gary Flandro ‚s práce byla využívána NASA s Voyager 1 a Voyager 2 mise, zahájených v roce 1977.

Voyager 1

Voyager 1 je vesmírná sonda , kterou NASA vypustila 5. září 1977. Součástí programu Voyager ke studiu vnější sluneční soustavy byl Voyager 1 vypuštěn 16 dní po svém dvojčeti Voyager 2 . Energii zcela uniklo gravitaci Slunce prováděním prakových manévrů kolem Jupiteru a Saturnu. Sonda fungovala 44 let, 1 měsíc a 6 dní k 12. říjnu 2021 UTC [ obnovit ] a stále komunikuje se sítí Deep Space Network, aby přijímala rutinní příkazy a přenášela data na Zemi. Údaje o vzdálenosti a rychlosti v reálném čase poskytují NASA a JPL. Ve vzdálenosti 152,2  AU (22,8  miliardy  km ; 14,1 miliardy  mi ) od Země k 12. lednu 2020 se jedná o nejvzdálenější objekt vyrobený lidmi ze Země.

Mezi cíle sondy patřily průlety kolem Jupitera , Saturnu a největšího měsíce Saturnu , Titanu . Přestože kurz kosmické lodi mohl být změněn tak, aby zahrnoval setkání s Plutem, tím, že jsme opustili průlet Titanem, průzkum měsíce měl přednost, protože bylo známo, že má podstatnou atmosféru. Voyager 1 studoval počasí, magnetická pole a prstence obou planet a byl první sondou, která poskytla detailní snímky jejich měsíců.

Jako součást programu Voyager , stejně jako jeho sesterské plavidlo Voyager 2 , je kosmická loď v rozšířené misi lokalizovat a studovat regiony a hranice vnější heliosféry a začít zkoumat mezihvězdné médium . Voyager 1 překročil heliopauzu a vstoupil do mezihvězdného prostoru 25. srpna 2012, což z něj činí první vesmírnou loď, která tak učinila. O dva roky později začala sonda Voyager 1 zažívat třetí „vlnu tsunami“ vyvržení koronální hmoty ze Slunce , která pokračovala nejméně do 15. prosince 2014, což dále potvrdilo, že sonda je skutečně v mezihvězdném prostoru.

V dalším důkazu robustnosti sondy Voyager 1 tým Voyager testoval rakety korekčního manévru trajektorie kosmické lodi (TCM) na konci roku 2017 (poprvé byly tyto trysky vypáleny od roku 1980), což je projekt umožňující rozšíření mise o dvě do tří let. Sonda Voyager 1 ' s prodlouženým mise bude pokračovat až do asi 2025, kdy její radioizotopové termoelektrické generátory (RTGS) již nebudou dodávat dostatek elektrické energie pro provoz svých vědeckých nástrojů.

Voyager 2

Voyager 2 je vesmírná sonda vypuštěná NASA 20. srpna 1977 za účelem studia vnějších planet . Jako součást programu Voyager byl vypuštěn 16 dní před svým dvojčetem, Voyagerem 1 , na trajektorii, jejíž dosažení na Jupiter a Saturn trvalo déle, ale umožnilo další setkání s Uranem a Neptunem . Je to jediná kosmická loď, která navštívila kteroukoli z těchto dvou ledových obřích planet. Voyager 2 byl čtvrtou z pěti kosmických lodí, které dosáhly únikové rychlosti Slunce , což jí umožnilo opustit sluneční soustavu .

Jeho primární mise skončila průzkumem neptunského systému 2. října 1989, poté, co navštívil systém Jovian v roce 1979, systém Saturnian v roce 1981 a systém Uran v roce 1986. Voyager 2 je nyní ve své rozšířené misi ke studiu mezihvězdného Vesmír a funguje 44 let, 1 měsíc a 21 dní od 12. října 2021. Zůstává v kontaktu prostřednictvím sítě NASA Deep Space Network . Údržba sítě Deep Space Network vytvořila nejdelší dobu ticha v odchozí komunikaci se sondou po dobu 8 měsíců. Kontakt byl obnoven 2. listopadu 2020, kdy byla přenesena řada instrukcí, následně provedena a předána zpět s úspěšnou komunikační zprávou. 12. února 2021 byla obnovena plná komunikace se sondou po rozsáhlé aktualizaci antény, jejíž dokončení trvalo rok. Komunikační anténa DSS 43, která je výhradně zodpovědná za komunikaci se sondou, se nachází v Canbeře v Austrálii.

5. listopadu 2018, ve vzdálenosti 122 AU (1,83 × 10 10  km) (asi 16:58 světelných hodin) od Slunce , pohybující se rychlostí 15,341 km/s (55,230 km/h) vzhledem k Sun, Voyager 2 opustil heliosféru a vstoupil do mezihvězdného média (ISM), oblasti vesmíru mimo vliv sluneční soustavy , čímž se připojil k sondě Voyager 1, která dosáhla mezihvězdného média v roce 2012. Voyager 2 začal poskytovat první přímé měření hustoty a teploty mezihvězdného plazmatu .

Galileo

Animace Galileo ‚s dráhy od 19. října 1989 do 30. září 2003
  Galileo  ·   Jupiter  ·   Země  ·    Venuše  ·   951 Gaspra  ·   243 Ida

Galileo kosmická loď byla zahájena NASA v roce 1989 na palubě raketoplánu Atlantis . Jeho původní mise byla navržena tak, aby používala přímý přenos Hohmann . Nicméně, Galileo ‚s určen booster se cryogenically poháněný Centaur nosná raketa byla zakázána Shuttle‚náklad‘, bezpečnostních úvah po ztrátě raketoplánu Challenger . S náhradním horním stupněm pevné rakety, IUS , který nemohl poskytnout tolik delta- v , Galileo nevystoupil přímo na Jupiter, ale letěl jednou Venuší a Zemí dvakrát, aby dosáhl Jupitera v prosinci 1995.

Galileo recenzi engineering spekulovalo (ale nikdy nebyl schopen prokázat, přesvědčivě), že tato delší doba letu ve spojení se silnějším slunečním zářením v blízkosti Venuše způsobil mazivo v systému Galileo ‚s hlavní anténa se nezdaří, nutit použití mnohem menší záložní anténu se snížením následnému rychlosti přenosu dat z kosmické lodi.

Jeho následná prohlídka jovianských měsíců také používala četné prakové manévry s těmito měsíci, aby šetřila palivo a maximalizovala počet setkání.

Ulysses

Animace Ulysses " trajektorie od 6. října 1990 do 29. června 2009
  Ulysses  ·   Země  ·   Jupiter  ·   C/2006 P1  ·   C/1996 B2  ·   C/1999 T1

V roce 1990 NASA vypustila kosmickou loď ESA Ulysses ke studiu polárních oblastí Slunce. Všechny planety obíhají přibližně v rovině zarovnané s rovníkem Slunce. Aby tedy vstoupila na oběžnou dráhu procházející přes póly Slunce, musela by kosmická loď eliminovat rychlost 30 km/s, kterou zdědila z oběžné dráhy Země kolem Slunce, a získat rychlost potřebnou k oběžné dráze Slunce v pólu k pólu. pólová rovina, úkoly, které jsou nemožné pouze u současných pohonných systémů kosmických lodí , takže manévry s gravitační pomocí jsou zásadní.

V souladu s tím byl Ulysses nejprve vyslán k Jupiteru a měl za cíl dorazit do bodu ve vesmíru těsně před a jižně od planety. Když minula Jupiter, sonda propadla gravitačním polem planety a vyměnila si s planetou hybnost. Gravitační asistenční manévr ohnul trajektorii sondy na sever vzhledem k ekliptické rovině na oběžnou dráhu, která prochází přes póly Slunce. Použitím tohoto manévru potřeboval Ulysses pouze dostatek pohonné hmoty, aby jej poslal do bodu poblíž Jupitera, což je v rámci současných schopností.

POSEL

Animace posel ‚s trajektorii od 3. srpna 2004 do 31. března 2011
  MESSENGER  ·   Země  ·   Rtuť  ·   Venuše

MESSENGER mise (zahájen v srpnu 2004), široce využívá gravitace pomáhá zpomalit svou rychlost, než na oběžné dráze Merkuru. Mise MESSENGER zahrnovala jeden průlet kolem Země, dva průlety Venuší a tři průlety Merkuru, než v březnu 2011 konečně dorazily na Merkur s dostatečně nízkou rychlostí, která by umožnila vložení oběžné dráhy s dostupným palivem. Ačkoli průlety byly primárně orbitální manévry, každý poskytoval příležitost pro významná vědecká pozorování.

Cassini

Cassini-Huygens kosmická loď prošel Venuše dvakrát, pak se země, a nakonec Jupiter na cestě k Saturnu. Tranzitní 6,7 rok byl o něco delší než šest let potřebných pro převod Hohmann, ale snížit extra rychlost (delta V ), potřebné k cca 2 km / s, takže velké a těžké Cassini sonda byl schopen dosáhnout Saturn, což by při přímém přenosu nebylo možné ani s Titanem IV , v té době největším dostupným nosičem. Hohmann přenos Saturn bude vyžadovat celkem 15,7 km / s delta V (bez ohledu na Zemi a Saturn vlastních gravitačních studní, a bez ohledu na aerobraking ), což není v možnostech současných nosných raket a kosmických lodí pohonných systémů.

Meziplanetární trajektorie Cassini
Animace Cassini ‚s dráhy od 15. října 1997 do 4. 05. 2008
  Cassini – Huygens  ·   Jupiter  ·   Saturn  ·   Země  ·   Venuše  ·    2685 Masursky
Cassini je rychlost vzhledem ke Slunci Gravitační asistence tvoří vrcholy vlevo, zatímco periodické odchylky vpravo jsou způsobeny oběžnou dráhou kosmické lodi kolem Saturnu.

Po vstupu na oběžnou dráhu kolem Saturnu sonda Cassini použila k navigaci složitou orbitální cestou více gravitačních asistencí Titanu . Typické setkání s Titanem změnilo rychlost kosmické lodi o 0,75 km/s a sonda provedla 127 setkání s Titanem. Tato setkání umožnila orbitální prohlídku se širokou škálou vzdáleností periapsie a apoapse, různá zarovnání oběžné dráhy vzhledem ke Slunci a orbitální sklony od 0 ° do 74 °.

Rosetta

Animace Rosetta ‚s trajektorii od 2. března 2004 do 9. 09. 2016
  Rosetta  ·   67P/CG  ·   Země  ·   Mars  ·   21 Lutetia   ·   2867 Šteins

Rosetta sonda, která byla zahájena v březnu 2004, který se používá čtyři gravitační manévr manévrování (včetně jedné pouhých 250 kilometrů od povrchu Marsu) urychlit v celé vnitřní sluneční soustavy. To mu umožnilo vyrovnat rychlost komety 67P/Churyumov – Gerasimenko na místě setkání v srpnu 2014.

Juno

Juno kosmická loď byla zahájena dne 5. srpna 2011 (UTC). Dráha využívala zvýšení gravitační asistence ze Země , které bylo dosaženo průletem kolem Země v říjnu 2013, dva roky po startu 5. srpna 2011. Tímto způsobem Juno změnila svoji oběžnou dráhu (a rychlost) směrem ke svému konečnému cíli, Jupiteru , po jen pět let.

Animace Juno ‚s trajektorii od 5. srpna 2011 do 30. července 2021
  Juno  ·   Země  ·   Mars  ·   Jupiter

Sluneční sonda Parker

Mise NASA Parker Solar Probe , zahájená v roce 2018, bude využívat více gravitačních asistencí na Venuši k odstranění hybnosti Země z oběžné dráhy k poklesu do vzdálenosti 8,5 slunečních poloměrů (5,9 Gm ) od Slunce. Posláním Parker Solar Probe bude nejbližší přístup ke Slunci jakoukoli vesmírnou misí.

BepiColombo

Animace BepiColombo ‚s trajektorii od 20 října 2018 do 2. listopadu je 2025
   BepiColombo  ·   Země  ·   Venuše  ·   Rtuť  ·   Slunce
Podrobnější animaci najdete v tomto videu.

BepiColombo je společná mise Evropské vesmírné agentury (ESA) a Japonské agentury pro průzkum vesmíru (JAXA) na planetu Merkur . Byla vypuštěna 20. října 2018. Bude využívat gravitační asistenční techniku ​​se Zemí jednou, s Venuší dvakrát a šestkrát s Merkurem . BepiColombo je pojmenováno po Giuseppe (Bepi) Colombo, který byl průkopníkem tohoto způsobu manévrování.

Viz také

Reference

externí odkazy