השימוש ב- Gravity Slingshots בתכנון המשימה של משימות בין כוכבי הלכת

Gravity singshots, הידוע גם כ-Power הכבידה או זבובים פלנטריים, הם אבן הפינה של תכנון המשימה הבין כוכבי הלכת המודרני. על ידי רתום את המשיכה הכבידה של כוכבי לכת וגופים שמימיים אחרים, חלליות יכול להשיג מהירות, לשנות כיוון, להגיע ליעדים מרוחקים עם הרבה פחות דחף מאשר נדרש אחרת.טכניקה זו אפשרה כמה מהמחקרים השאפתניים ביותר של האנושות, מסיבוב הגדול של כוכבי הלכת החיצוניים ועד לכדי להבין את המשימה האחרונה של השמש.

הרעיון עשוי להיראות מנוגד: חללית יכולה לעוף מעבר לכוכב לכת, ולהתרחק מהר יותר ממה שהוא נכנס, ללא ירי המנועים שלה.המפתח הוא שימור המומנטום במערכת תלת-גופית.כאשר חללית מתקרבת לפלנטה, היא מחליפה אנרגיה מקיפה עם כוכב הלכת הזה. כי המסה של כדור הארץ היא עצומה יחסית לחללית, השינויים של כדור הארץ על ידי כמות זעירה, בעוד שמערכת השמש ממשיכה להשתנות באופן דרמטי בין מחזור השמש.

מה זה Gravity Slingshot?

חיץ כוח הכבידה הוא תמרון שבו חללית עוברת קרוב לגוף שמימי ומשתמש שדה הכבידה של הגוף כדי לשנות את מסלולו ואת המהירות שלו.האפקט הוא הבין ביותר על ידי בהתחשב בתנועה של החללית ביחס לכוכב הלכת, ולאחר מכן לתרגם את התנועה חזרה למסגרת ממוקדת השמש של הפניה, אך היא נעה בכיוון של כדור הארץ, כיוון שהוא נע סביב המהירות של השמש, אך הוא נע בכיוון של כדור הארץ, הוא נע סביב המהירות של מסלול השמש, אך הוא הלך הרוחב, עם זאת, הוא נכנס לאטמוספירה שלו, עם זאת, עם זאת, עם זאת, בכיוון של כדור הארץ, הוא הולך בכיוון של כדור הארץ, הוא הולך בכיוון של כדור הארץ, הוא הולך בכיוון של כדור הארץ, הוא נע סביב המהירות של כדור הארץ, הוא הולך בכיוון של כדור הארץ, הוא הולך בכיוון של מסלולו האחורי של כדור הארץ, עם מהירותו.

חילופים אלה נשלטים על ידי חוק שימור המומנטום: כדור הארץ מאט (או מאיץ) אינסופי, בעוד החללית מקבל שינוי מהירות משמעותי.המהירות המקסימלית האפשרית עולה תלויה במהירות המקיפה של כדור הארץ ואת הגישה הקרובה ביותר מרחק. לדוגמה, זבוב של יופיטר, אשר מקיף את השמש בסביבות 13 קמ"ש, יכול להגדיל את המהירות של החללית על ידי כמה קילומטרים עד לגרור את אותה השפעה כימית לחלוטין, כלומר, כדי להגיע לכדי נזק אט אטמוספירת, זה חייב להגיע לכדי השפעה כימית לחלוטין.

הפיזיקה מאחורי ה-Slingshot

המתמטיקה של סיוע כבידה מושרשת במחיאות כפיים המטושטשים של מכניקה פתרלית.טרו של החללית מחולק לקטעים: אחד שבו הוא נמצא תחת ההשפעה הכובדת של השמש, וקטע קטן יותר שבו כוח הכבידה של כדור הארץ שולט. בתוך כדור הארץ של השפעה (SOI), המסלול הוא היפרבולה.

(ב) ⁇ =2* V planet*חטא ( ⁇ /2)Fillo:1

שבו V planet הוא המהירות המקיפה של כדור הארץ, ו ⁇ הוא זווית התפנית של מסלול היפרבולי. זווית ההפנייה עצמה תלויה בפרמטר ההשפעה (המרחק הקדם ממרכז כדור הארץ אל תוך אסימפטאז הקרוב) ואת מרחק הגישה הקרוב ביותר. על ידי בחירה בקפידה את הגישה, תוכניות המשימה יכול להשיג את ⁇ V הרצויה וכיוון השינוי.

חשוב לציין כי החללית אינה "מחושת" מן הכוכב במובן של כוח מתמשך; אלא, ה-Selingshot הוא אינטראקציה קצרה אשר גורמת לשינוי נטו באנרגיה המקיפה של החללית ביחס לשמש.מנקודת המבט של כדור הארץ, מסלולו סביב השמש הוא מעט מאוד מטריד, אבל ההשפעה היא רשלנית.

היסטוריה של Gravity Slingshots in Space Exploration

השימוש המעשי הראשון בסיוע הכבידה היה על ידי ה- 0; Mariner 10Feloer 10FLT:1 המשימה למרקורי בשנת 1974.לאחר המפגש עם ונוס, החללית השתמשה בסיוע כבידה מ ונוס כדי לשנות את מסלולה לעבר מרקורי, שמירת דלק ניכר.זה היה עוזר הכבידה הבין כוכבי הלכת הראשון והראה את יכולת הכניעה של הטכניקה.

משימות וויאג'ר הן אולי הדוגמאות המפורסמות ביותר.FLT:0Voyager 1FLT:1 ו-WerWer 2 הושקו ב-1977 על מסלולים אשר ניצלו את ההיערכות הנדירה של צדק, שבתאי, אורנוס ונפטון.1 השתמש ב-Aberice Assists מ-צדק ו- Saturn כדי להגיע לטטאן ולאחר מכן לעזוב את מערכת השמש.

משימת גלילאו לצדק (1989–2003) השתמשה במספר רב של עזרי כבידה: ראשית, ונוס טסבי כדי לקבל דחיפה, ואז שני זבובי כדור הארץ, ולבסוף זבוב של אסטרואיד גזפר לפני הכניסה למסלול Jovian. גלילאו מעורב ברצף מורכב של סלינגס כדי להשיג את המהירות הנדרשת כדי להגיע יופיטר, להפגין את הגמישות של הטכניקה.

כיצד מתכננים המשימה את Gravity Slingshots

תכנון עזרה דורש פתרון בעיות אופטימיזציה ברמה גבוהה.מעצבי המשימה חייבים לקחת בחשבון את המיקומים ואת המהירויות של כל הגופים המעורבים בזמנים ספציפיים, מסלול הסופי הרצוי, ואת המגבלות של החללית (למשל, כוח, מגבלות תרמיות, חלונות תקשורת) התהליך מתחיל בדרך כלל עם FLT:0 מסלול בליסטי FLT:1 מכדור הארץ למטרה, ואז משתמש בגישה אלגוריתמית-באפשרית כדי למצוא את הכלים האינטגרציה הטובה ביותר.

ראשי תיבות של Gravity Assist Design

  • (FLT:0)Flybymia HighFLT:1: Determines the Turnזווית ו- ⁇ V מקסימלית לגבהים נמוכים לייצר זוויות מהפך גדולות יותר, אך להביא סיכונים כגון גרור אטמוספרי, חשיפה לקרינה, חימום תרמי.לדוגמה, פרקר השמש Probe עובר שוב ושוב קרוב מאוד ל-Ven (עם 1200 ק"מ) כדי לשפוך מומנטום זוויתי ו להתקרב לשמש.
  • (FLT:0)Approach זווית (B-plane) ,Everph:1: מטוס B-plane הוא מטוס חד פעמי ל-Asymptote הנכנס.התאם של נקודת היעד על המטוס הזה (B-vector) קובע את זווית ההמראה ואת הכיוון הכרוך. התאמות קטנות במטוס B יכול להוביל לשינויים גדולים בתוצאות הטוטסבי.
  • (FLT:0) ⁇ ⁇ פלנטריים הם קריטיים.לדוגמה, משימות וויאג'ר ניצלו היערכות של פעם-176 שנים של צדק, שבתאי, אורנוס ונפטון. Missing that window would have moreנסיעות יותר זמן ודחף נוסף.
  • (FLT:0)Delta-V התקציב FLT:1: כל כוח הכבידה עוזר נותן שינוי במהירות.מתכננים המשימה לחשב את ⁇ V נטו מן הטביל ולהשוות אותו למה שיהיה צורך על הנטורינג.הם גם לשקול את האפשרות של שימוש מעופף מופעל (שריר המנוע בגישה הקרובה ביותר) כדי לשפר את ההשפעה.

כדי לעצב רצף של זבובים מרובים, מהנדסים משתמשים באלגוריתמים של אלגוריתמים:0 (0)אופטימיזציה (Fish) כגון תמליל ישיר, אלגוריתמים גנטיים, או שיטות מבוססות קידוד ( ⁇ ) אלה מחפשים אחר מסלולים המספקים מגבלות ולהפחית את השימוש ב-Verlant או זמן נסיעה.התוצאה היא מסלול שעשוי להשתמש במספר זבובים פלנטריים לאורך תקופה של שנים, כפי שניתן לראות במשימות כגון:

היתרונות של Gravity Slingshots

חיסכון בדלק

היתרון הברורה ביותר הוא ההפחתה של הדחף הנדרש.עבור משימות בין כוכבי לכת, מסה דוועת היא גורם דומיננטי בעיצוב חלליות. A הכבידה סיוע יכול לספק את אותו שינוי מהירות כמו שריפת טון רבים של דחף (במקרה של כוכבי לכת גדולים כמו צדק) ניתן להשתמש במסה שנשמרה זו עבור מכשירים מדעיים נוספים, מגן, או ריצוף אדום.לדוגמה, החללית וויאג'ר נשאה כ -100 ק"ג'י של גישה קטנטאלית עבור תיקונים קטנים, עבור תיקונים, עבור תיקונים, טיפול קלושים, עבור תיקונים קטנים, טיפול קלושים, או תיקון דרכים, עבור שינויים קלים.

נסיעות מהיר יותר

סיועי Gravity יכולים לקצר את משך המשימות. בלעדיהם, העברה ישירה של הומן מכדור הארץ לנפטון תיקח כ-30-40 שנה; וויאג'ר 2 הגיע לנפטון ב-12 שנים הודות לצילומים מרובים.המסע המהיר מקטין את הזמן שמכשירי המדע חייבים לשרוד בסביבה הקשה ומאפשר חזרה לנתונים קודמים.

המונחים: Complex Trajectories

חלק מהיעדים אינם ניתנים להשגה עם מסלולים ישירים באמצעות טכנולוגיית ההנעה הנוכחית.לדוגמה, כניסה למסלול מרקורי דורשת ביטול המהירות הסולארית הגבוהה של החללית - תמרון מתפתל משמעותי.המשימה של MeSSEN השתמשה בעזרה של כבידה מרובים (אחד מכדור הארץ, שניים מ ונוס, ושלושה ממרקורי) כדי להפחית בהדרגה את מהירותה ביחס לשמש לפני הכניסה למסלול.

דוגמאות למשימות בלתי ניתנות להשגה באמצעות עזרה בגרב

וויאג'ר 1 ו-2

משימות וויאג'ר הן אמירות של תכנון כוח הכבידה.ויאג'ר 1 טס על ידי צדק ב-1979, צובר ⁇ V של כ-16 ק"מ / קרוב לשמש, אשר שלח אותו לעבר שבתאי, עוד זבובי נוסף הוסיף מהירות ומחק אותו צפונה מהמטוס האקספלטי.2 השתמש באותו יופיטר וטיירים אבל המשיך לנפטון ו (1989), כל אחד מהם הצליח למנוע את ההשפעות המחמירות של כוכבי הלכת הדרושים כדי למנוע את הקרנות הבאות.

ניו-הוריאנס

המשימה של פלוטו השתמש בסיוע הכבידה של צדק בשנת 2007 כדי לקצר את זמן המעבר שלה במשך כשלוש שנים, להגדיל את מהירותו ל-14 קמ"ש ביחס לשמש.זה אפשר לחללית להגיע פלוטו ב-2015 - פחות מעשר שנים לאחר ההשקה.The יופיטר טסבי סיפק גם הזדמנות לבחון את כלי החללית וללמוד את מערכת הג'ואני.

רוזטה

המשימה של סוכנות החלל האירופית רוזטה לבוא 67P / צ'ימפונוב-ג'רסמנקו השתמש ברצף מורכב של ארבע עזרי כבידה: שלושה מכדור הארץ ואחד ממאדים.הסיועים האלה היו צריכים להתאים את מסלולו של באט, אשר נוטה יחסית למטוס האקסליטי.המאדים טסובי גם נדרש ניווט זהיר כי החללית הגיעה בתוך 250 ק"מ של פני השטח של מאדים ללא המשימה הזאת, היו זקוקים לתקציב עצום.

ג'ונו

משימתו של נאס"א לצדק השתמשה בתמרון חלל עמוק וכוח הכבידה של כדור הארץ (פליבי בשנת 2013) כדי להשיג את המהירות הנדרשת כדי להגיע לתופיטר.הטיסבי כדור הארץ נתן לחללית עוד 7.3 ק"מ / של מהירות, מה שהופך אותה כמובן לשילוב למסלול אלילי מאוד סביב צדק בשנת 2016.

אתגרים וסיכון של Gravity Slingshots

למרות היתרונות שלהם, הכבידה מסייעת להציג אתגרים משמעותיים.דיוק ניווט הוא רב: חללית חייבת להיות מכוונת לנקודה המדויקת בחלל יחסית לכוכב לכת נע בין עשרות קילומטרים לשנייה.אפילו טעות קטנה במסלול הגישה (כמה קילומטרים) יכולה להוביל לשגיאה גדולה במסלול המהיר, אולי חסרה את המטרה או גרימת התרסקות לא מכוונת.

סיכון נוסף הוא סביבת הקרינה. Flybys של צדק, במיוחד, לחשוף חלליות לחגורת קרינה אינטנסיבית שיכולה לפגוע אלקטרוניקה.משימה חייבת להיות מוקשה קרינה ולהשתמש במגן, עלייה המונית ועלויות.לדוגמה, החללית ג'ונו יש קמרון טיטניום כדי להגן על האלקטרוניקה שלה, ואת מסלולה נמנע בזהירות מאזורי הקרינה הקשים ביותר.

מגבלות תזמון מגבילות גם את תדירות הכבידה לסייע להזדמנויות.התיישרויות פלנטריות מתרחשות במרווחים ספציפיים; לדוגמה, כדור הארץ-ונוס-כדור הארץ הן זמינות כמעט בכל שנתיים.משימה חייבת לשגר בתוך חלונות צרים, או להמתין להזדמנות הבאה.

בנוסף, הטבובי עצמו יכול להיות אירוע מתח גבוה.החללית חייבת לרכוש ולעקוב אחר כדור הארץ עם החיישנים שלה, כגון מעקבי כוכבים ומצלמות אופטיות, כדי לעדכן את עמדתה.תקשורת עם כדור הארץ עלולה להיות מתעכבת (בשל מהירות האור), כך החללית חייבת לבצע את מסלול הטיסה באופן אוטונומי.כל אחת מהן יכולה לסכן את המשימה כולה.

שימוש עתידי ועתידי ב-Gemvity Assists

(הטלסקופים של גרביט נותר בלתי נפרד ממשימות בין כוכבי הלכת הבאים: טלסקופ החלל ג'יימס ווב הוצב במסלול ההילה סביב כדור הארץ L2; הוא השתמש בתיקון אמצע הדרך, אך לא זבובים פלנטריים פלנטריים.עם זאת, רוב בדיקות החלל העמוקות עדיין מסתמכות עליהם.המערכת של סוכנות החלל האירופית:0Jupiter Icy Explorers (Ju) 20:1 ואילך, 2, ושוב, 2:12, שוב, שוב, עוזר כדור הארץ, 2, 12) ו-זמנית, 2, שוב, 2, 2, 2, שוב, 12:1 ו-זמנית, 2, 2, 2, 2, 2, שוב, שוב, 2:1 ו-עשר, 2, 2, שוב, 000, 000, שוב, שוב, שוב, 000, 000, שוב, שוב, 000, שוב, 000, 000, שוב, שוב, שוב, 000, שוב, 000, 000, שוב, שוב, 000, 000, יעזור כדור הארץ, יעזור כדור הארץ, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 כוח הכבידה של סוכנות החלל המהיר

משימות עתידיות לכוכבי הלכת החיצוניים, כגון מעבורת אורנוס פוטנציאלית, כמעט בוודאות ידרוש סיועי כבידה מרובים מצדק ואולי שבתאי.המושג של "מסע הופעות מפואר במערכת" עדיין בר קיימא עבור חלליות עתידיות, אם כי הזדמנויות כאלה הן נדירות גם חוקרים לחקור את השימוש של FLT:0aerobrakingFLT:1 (באמצעות אווירה של כוכב הלכת להאט) בשילוב עם מסלולים כגון:

מסקנה

צילומי גלימה הפכו את המחקר הבין כוכבי לכת ממאמץ מוגבל לדלק לדרך יעילה וגמישה להגיע לפינות הרחוקות ביותר של מערכת השמש.על ידי ניצול התנועה המקיפה של כוכבי לכת, מתכננים המשימה יכולים להשיג שינויים מהירים שאחרת ידרוש כמויות עצומות של דחף.מממחיל 10 ועד למשימות המתוחכמות של BepiColombo, סייעות אפשרו למשימות שהפכו את המהפכה של מערכת השמש שלנו.

בעוד אנו מחפשים קמפיינים עתידיים להחזיר דגימות ממאדים, מסלול אורנוס, או לחקור את ההליוספאוזה, לוחות הכבידה ימשיכו להיות חלק מרכזי של ערכת הכלים של המעצב.פיסיקה שלהם הוא מובן היטב, היישום שלהם מוכח, ואת היתרונות שלהם במונחים של עלות, זמן, ויכולת הם ללא תחרות הבנה של עזרי הכבידה הוא חיוני לא רק עבור מהנדסים, אלא עבור כל מי שרוצה להעריך את האמנות הבין כוכבי הלכת.