En los mecánicos orbitales y la ingeniería aeroespacial, una catapulta gravitacional o la ayuda de la gravedad del es el uso de la gravedad del planeta o del otro cuerpo celeste de alterar la trayectoria y la velocidad de una nave espacial . El paso por tal cuerpo imparte alguna fracción de la velocidad de ese cuerpo a la nave espacial. Es una maniobra de uso general para visitar los planetas externos que durarían de otra manera lejos demasiado o requerirían lejos demasiado combustible usar nuestras tecnologías actuales de la propulsión. Primero fue desarrollado en 1959 en el departamento de matemáticas aplicadas del instituto de Steklov.
Una maniobra de la catapulta alrededor de un planeta cambia la velocidad de una nave espacial concerniente al Sun, aunque preserva la velocidad de la nave espacial concerniente al planeta (mientras que debe hacer, según la ley de la conservación de la energía ). A una primera aproximación, de una distancia grande, la nave espacial aparece haber despedido del planeta. (Los físicos llaman esto un la colisión elástico aunque ocurre ninguÌn contacto realmente.)
Porqué se utilizan las catapultas gravitacionales
El recorrido interplanetario tiene que solucionar dos problemas:El planeta con el cual la nave espacial empieza está moviendo alrededor el sol a una diversa velocidad que el planeta a el cual la nave espacial está viajando, porque los dos planetas están en diversas distancias del sol. Para se acerca a su destinación, la nave espacial debe aumentar su velocidad si la destinación está más cercano al sol, o disminuir su velocidad si la destinación está más lejos.
Si la destinación está más lejos, la nave espacial debe levantarse " up" contra la fuerza de la gravedad del sol. Hacer esto por fuerza bruta - acelerando en la ruta más corta a la destinación y entonces, si es más futura del sol, decelerando para emparejar la velocidad del planeta - requeriría extremadamente una gran cantidad de combustible.
Tan los viajes a los planetas, al Marte y al más cercanos Venus, utilizan una órbita, una trayectoria elíptica de la transferencia de Hohmann que comience mientras que una tangente a una órbita del planeta alrededor del sol y acaba como tangente al otro. Este método utiliza casi completamente la cantidad de combustible posible más pequeña, pero es muy lento - puede asumir el control un año para viajar de la tierra a Marte (uso borroso de las órbitas incluso menos combustible, pero son incluso más lentos).
Puede ser que tarde semejantemente las décadas para que una nave espacial viaje a los planetas externos ( Júpiter, Saturno, Uranus, etc.) usar una órbita de la transferencia de Hohmann. Y todavía requeriría lejos demasiado combustible, porque la nave espacial tendría que viajar para 500 millones de millas (800 millones de kilómetros) o más contra la fuerza de la gravedad del sol. Las catapultas gravitacionales ofrecen una manera de ganar velocidad sin usar ninguÌn combustible, y todas las misiones en los planetas externos lo han utilizado.
Límites al uso de la catapulta
El límite práctico principal al uso de una catapulta es que los planetas y otras masas grandes no están siempre en los lugares correctos para ayudar a un viaje a una destinación particular. Por ejemplo las misiones del viajero que comenzaron en el final de los 70 fueron hechas posibles por el " " del viaje magnífico ; alineación de Júpiter, de Saturno, de Uranus y de Neptuno. Una alineación similar no ocurrirá otra vez hasta el centro del siglo XXII. Eso es un caso extremo, pero incluso para las misiones menos ambiciosas hay los años en que los planetas no están en los lugares que hacen las catapultas útiles.Otro límite es causado por la atmósfera del planeta disponible. Cuanto más cercano el arte puede conseguir, más el alza que consigue, porque la gravedad baja con el cuadrado de la distancia. Si un arte consigue demasiado lejano en la atmósfera, sin embargo, la energía perdida a la fricción puede exceder eso ganada del planeta. Por una parte, este efecto puede ser útil si la meta es perder energía. El considera el Aerobraking de .
Las catapultas interplanetarias usar el sol sí mismo son imposibles porque el Sun está en descanso concerniente a la Sistema Solar en conjunto. Sin embargo, el empujar cuando cerca del Sun tiene el mismo efecto que el la catapulta accionada descrita más abajo. Esto tiene el potencial para magnificar la energía thrusting de una nave espacial enorme, pero es limitada por la capacidad de la nave espacial de resistir el calor.
Una catapulta interestelar del usar el Sun es concebible, implicando por ejemplo un objeto que viene a otra parte adentro de nuestra galaxia y slingshotting alrededor del Sun para alzar su recorrido galáctico. La energía y el ímpetu angular entonces vendrían de la órbita del Sun alrededor de la manera lechosa . Escala de tiempo implicada para tal operación están considerablemente más allá de capacidades humanas actuales, sin embargo.
Hay también otro, límite teórico basado en la relatividad general . Si una nave espacial consigue cerca del radio de Schwarzschild de un calabozo (el último pozo de la gravedad), el espacio se convierte así que curvó que las órbitas de la catapulta requieren más energía escaparse que la energía que se podría agregar por el movimiento del calabozo.
Pero un que giraba el calabozo pudo proporcionar ayuda adicional, si su eje de vuelta señala la manera correcta. La relatividad general predice que un giro grande produce en masa el Marco-que arrastra - cerca del objeto, el espacio sí mismo se arrastra alrededor en la dirección de la vuelta. En teoría una estrella ordinaria produce este efecto, aunque las tentativas de medirlo alrededor del sol no hayan producido ninguÌn resultado del claro. Pero la relatividad general predice que un calabozo de giro es rodeado por una región de espacio, llamada el Ergosphere, dentro de el cual todavía la colocación (con respecto a la vuelta del calabozo) es imposible, porque el espacio sí mismo se arrastra a la velocidad de la luz en la misma dirección que la vuelta del calabozo. El Penrose de proceso puede ofrecer una manera de ganar energía del ergosphere, aunque requiriera la nave espacial descargar un cierto " ballast" en el calabozo, y la nave espacial habría tenido que expender energía para llevar el " ballast" al calabozo.
Ejemplos notables
Marino 10 - primer uso
La punta de prueba del marino 10 era la primera nave espacial para utilizar el efecto gravitacional de la catapulta para alcanzar otro planeta, pasando por Venus el 5 de febrero de 1974 en su manera a convertirse en la primera nave espacial para explorar el Mercury .
La punta de prueba de Cassini - ayudas múltiples de la gravedad
La punta de prueba de Cassini pasó por Venus dos veces, después la tierra, y finalmente Júpiter en la manera a Saturno.7 años es levemente más largo que los seis años necesarios para una transferencia de Hohmann, pero cortó la cantidad total del delta V necesario sobre 2 km/s, de modo que la punta de prueba grande y pesada de Cassini pudiera alcanzar Saturno incluso con los pequeños aumentadores de presión disponibles. Una transferencia de Hohmann a Saturno requeriría un total de 15.7 delta V de km/s (sin hacer caso propios pozos de la gravedad de la tierra y de Saturno, y desatención Aerobraking ), que no está dentro de las capacidades de nuestros aumentadores de presión actuales de la nave espacial.
Viajero 1 - el objeto human-made más rápido, más futuro
En fecha el el 6 de julio, el 2007, viajero 1 está sobre 15.44 Terameters (15.44 metros, o 15.44 kilómetro, 103.6 las millas mil millones ) del Sun, y están en la zona del límite entre la Sistema Solar y el espacio interestelar . Ganó la energía para escapar la gravedad del sol totalmente realizando maniobras de la catapulta alrededor de Júpiter y de Saturno.
La punta de prueba de Ulises cambió el ángulo de su trayectoria
En 1990, el ESA puso en marcha el Ulises de la nave espacial para estudiar las regiones polares Sun . Todos los planetas se mueven en órbita alrededor aproximadamente en un plano alineado con el ecuador del Sun. Para moverse a una órbita que pasa sobre los postes del Sun, la nave espacial tendría que eliminar el 30 velocidad de km/s que heredó de la órbita de tierra alrededor del sol y que gana la velocidad necesaria para mover en órbita alrededor del sol en el plano del poste-a-poste - las tareas que eran imposibles con los sistemas actuales de la propulsión de la nave espacial.El arte fue enviado tan hacia Júpiter, estado dirigido para llegar un punto en " del espacio apenas; delante de " y " below" el planeta. Pues pasó Júpiter, la punta de prueba “cayó” a través del campo de gravedad del planeta, pidiendo prestada una cantidad minuciosa de ímpetu del planeta; después de que hubiera pasado Júpiter, el cambio de la velocidad había doblado la trayectoria de la punta de prueba para arriba del plano de las órbitas planetarias, poniéndola en una órbita que pasó sobre los postes del Sun. Esta maniobra requirió solamente bastante combustible enviar a Ulises a un punto cerca de Júpiter, que está en conformidad con tecnologías actuales.
Explicación
El esto es una explicación muy sobresimplificada para demostrar el principio. Los detalles serán cubiertos más adelante.
Suponer que usted es un " stationary" observador y ése que usted ve: un planeta que se mueve a la izquierda en el U de la velocidad; una nave espacial que se mueve a la derecha en el v de la velocidad. Si la nave espacial está en la trayectoria derecha, pasará así que cercano al planeta que incorpora una órbita circular. Cuando incorpora esta órbita, se está moviendo en el de la velocidad U + v concerniente a la superficie del planeta porque el planeta se está moviendo en la dirección opuesta en el U de la velocidad. Cuando la nave espacial sale de órbita, todavía se está moviendo en el U + v concerniente a la superficie del planeta pero en la dirección opuesta, a la izquierda; y puesto que el planeta se está moviendo a la izquierda en el U de la velocidad, la nave espacial se está moviendo a la izquierda en el de la velocidad U + v desde su punto de vista - su velocidad ha aumentado en el 2U, la velocidad en la cual el planeta se está moviendo dos veces.
Este ejemplo es así que sobresimplificado que él no es realista - la nave espacial tendría que encender su motor para escaparse de una órbita circular del, y el punto entero de la catapulta gravitacional es ganar velocidad sin combustible ardiente. Pero si la nave espacial viaja en una trayectoria que forme una hipérbola, deja el planeta en la dirección opuesta sin encender su motor, aunque el aumento de la velocidad sea un poco menos que el 2U .
Esta explicación pudo parecer violar la conservación de la energía y del ímpetu, pero hemos descuidado los efectos de la nave espacial sobre el planeta. Estos efectos sobre el planeta son (porque los planetas son tanto más grandes que la nave espacial) ese tan leve ellos se pueden no hacer caso en el cálculo.
Las representaciones realistas de encuentros en espacio requieren la consideración de dos dimensiones. En ese caso los mismos principios se aplican, sólo el adición de la velocidad del planeta requiere la adición de vector, como se muestra abajo.
Las catapultas gravitacionales se pueden también utilizar al deceleran una nave espacial. El marino 10 hizo esto en 1974 y el MENSAJERO también lo hará - ambas misiones están al Mercury .
Si aún más velocidad es necesaria, la manera más económica es encender un motor espacial cerca del Periapsis (el acercamiento más cercano). Una quemadura dada del cohete proporciona siempre el mismo cambio en la velocidad (Delta-v ), pero el cambio en energía cinética es proporcional a la velocidad del vehículo a la hora de la quemadura. Para conseguir tan la energía más cinética de la quemadura, la quemadura debe ocurrir en la velocidad máxima del vehículo, en el periapsis. Las catapultas accionadas describen esta técnica más detalladamente.
Catapultas accionadas
Una manera establecida de conseguir más energía de una catapulta es encender un motor espacial cerca del Periapsis para aumentar la velocidad de la nave espacial. Una quemadura dada del cohete proporciona siempre el mismo cambio en la velocidad (Delta-v ), pero el cambio en la energía cinética es proporcional a la velocidad del vehículo a la hora de la quemadura. Por lo tanto, para conseguir la energía más cinética de la quemadura, la quemadura debe ocurrir en la velocidad máxima del vehículo, en el Periapsis . La energía todavía se conserva. La energía adicional viene del propulsor que es " behind" izquierdo; en el pozo de la gravedad del planeta.Si la nave viaja en la velocidad al principio de una quemadura que cambie la velocidad por el , después el cambio en la energía orbital específica (SOE) es: Una vez que el arte del espacio está lejos del planeta otra vez, el SOE es enteramente cinético, puesto que la energía potencial gravitacional tiende a cero. Por lo tanto, cuanto más grande es el a la hora de la quemadura, cuanto del mayor es la energía cinética final, y del más alta es la velocidad final.
Por ejemplo, una órbita de la transferencia de Hohmann de la tierra al Júpiter trae una nave espacial en un flyby hiperbólico de Júpiter con una velocidad del Periapsis de 60 km/s, y una velocidad final (velocidad residual asintótica) de 5.6 km/s, que es 10. Eso significa una quemadura que agregue de un julio una energía cinética cuando lejos de Júpiter agregaría 10.7 julios en el periapsis. Cada 1 m/s ganado en el periapsis agrega el m/s a la velocidad final de la nave espacial. Así, el campo gravitacional inmenso de Júpiter ha triplicado la eficacia del propulsor del arte del espacio.
Ver también el cambio específico de la energía de los cohetes :
donde está la energía el específica del cohete (potencial más energía cinética) y el es una variable separada, no apenas el cambio en .
Un uso posiblemente salvavidas de este efecto ocurrió durante la misión de Apolo 13 . Mientras que en su manera el módulo de servicio a la luna de la nave espacial era lisiado y el módulo lunar fue utilizado como bote salvavidas. Puesto que las fuentes eran limitadas, era deseable volver a la tierra lo más rápidamente posible. La mayoría del modo eficaz de utilizar la energía limitada del cohete disponible era hacer una derecha de la quemadura después del acercamiento más cercano a la luna.
En cultura popular
El descubrimiento americano uno de la nave espacial utiliza una catapulta gravitacional alrededor Júpiter en nuevo 2001 del de s de Arturo C. Clarke el ': Una odisea del espacio.La nave extranjera en cita nueva de s de Arturo C. Clarke 'con Rama utiliza una catapulta gravitacional alrededor Sun .
En el Star Trek IV del : El hogar, recorrido del viaje del tiempo es alcanzado por una catapulta accionada alrededor Sun . En el Star Trek del : El episodio original de la serie, es mañana ayer, una catapulta alrededor del Sun se utiliza para volver a partir del vigésimo siglo al 23ro siglo (un resultado más plausible bajo relatividad general ).
En la serie del control de la estrella de juegos, " whips" de la gravedad; son las táctica comunes a emplear para aumentar una velocidad de los starship más allá de su capacidad normal.
En el Armageddon de la película, las dos lanzaderas de espacio que llevan a los equipos de sondeo utilizan una catapulta accionada alrededor de la luna para interceptar el asteroide del asesino.
En la sol de la película, la nave espacial de Ícaro II utiliza una catapulta alrededor del Mercury para acercarse al sol.
En del libro de Vernor Vinge la guerra de la paz, un carácter gana un juego video usando una maniobra de la catapulta.
En un episodio animated Futurama, profesor Farnsworth del de la serie de televisión utiliza los principios de la física de la catapulta para dirigir una bola masiva de la basura a través de espacio para chocar con una bola preexistente de la basura de modo que puede ser que afecte el Sun y no la tierra.
En el piloto Farscape, astronauta Juan Crichton del de la serie de la ciencia-ficción está intentando una catapulta accionada alrededor de la tierra cuando él encuentra un wormhole que lo lance al lado lejano de la galaxia. Más adelante en el episodio él utiliza con éxito la técnica para escapar al antagonista principal.
Ver también
3753 Cruithne : un asteroide que tiene periódico catapulta gravitacional encuentra con tierra.Fricción dinámica
Anomalía del Flyby: un aumento anómalo del delta-v durante ayudas de la gravedad
El efecto de Oberth: haciendo quemaduras profundamente en velocidad del aumento de los campos de gravedad
New Horizons : una misión gravedad-asistida (vuelo más allá de Júpiter) para alcanzar el Pluto en el 2015 .
Presupuesto del Delta-v
Pionero 10
Pionero 11
H pionero
Viajero 1
Viajero 2
Ulises
MENSAJERO
ESTÉREO: una misión gravedad-asistida que utilizó la luna de la tierra para expulsar la nave espacial dos de la órbita de tierra en órbita heliocéntrica
Michael Minovitch
Autopista interplanetaria
problema del N-cuerpo
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