¿Cómo funcionan las ayudas por gravedad?

La misión Rosetta había utilizado tiros de 3 columpios o hondas, 2 de la Tierra y uno de Marte. Para igualar la velocidad del cometa y alcanzarlo en primer lugar, la sonda Rosetta necesitaba un empuje adicional, que no era posible. Por lo tanto, la asistencia de gravedad se tomó para aumentar su velocidad. Puede considerar una acción similar a la de un tiro de honda.

Swing-by se usa en la misión Voyager 1

La ganancia de velocidad es casi 2 veces la velocidad del planeta

Según wikipedia
Una analogía terrestre cercana es proporcionada por una pelota de tenis que rebota en un tren en movimiento. Imagine lanzar una pelota a 30 km / h hacia un tren que se aproxima a 50 km / h. El ingeniero del tren ve que la pelota se acerca a 80 km / hy luego sale a 80 km / h después de que la pelota rebota elásticamente en la parte delantera del tren. Sin embargo, debido al movimiento del tren, esa salida es a 130 km / h en relación con la estación.

En la mecánica orbital y la ingeniería aeroespacial, una honda gravitacional , una maniobra de asistencia gravitatoria o un giro es el uso del movimiento relativo (por ejemplo, la órbita alrededor del sol) y la gravedad de un planeta u otro objeto astronómico para alterar el camino y la velocidad de un nave espacial, generalmente para ahorrar propulsor, tiempo y gastos. La asistencia por gravedad se puede utilizar para acelerar una nave espacial, es decir, para aumentar o disminuir su velocidad y / o redirigir su camino.
La “asistencia” es proporcionada por el movimiento del cuerpo gravitante cuando tira de la nave espacial. La técnica fue propuesta por primera vez como una maniobra de mitad de curso en 1961 por Michael Minovitch trabajando en el problema de los tres cuerpos. Fue utilizado por las sondas interplanetarias desde Mariner 10 en adelante, incluidos los notables sobrevuelos de Júpiter y Saturno de las dos sondas Voyager .

Las naves espaciales a menudo usan maniobras de asistencia por gravedad para alterar su impulso. Alterar su impulso puede acelerarlos, ralentizarlos y / o cambiar su dirección de viaje.

Hablemos de dirección, primero. La trayectoria de una nave espacial se verá alterada al atravesar el pozo gravitacional de un cuerpo grande. Cuanto más profundo es el pozo de la nave espacial, más significativo es el cambio de trayectoria. Eso significa que pasar muy cerca de un planeta o luna cambiará la dirección de la trayectoria más que pasar a una distancia. Si una nave espacial pasa lo suficientemente cerca, el cambio de trayectoria podría incluso enviarla de regreso en la dirección en que vino. Las misiones lunares del Apolo se diseñaron de modo que si algo salía mal en el camino a la luna, en lugar de alcanzar la órbita, podrían pasar cerca de la luna, de cerca, y aferrarse y regresar a la Tierra.

Ahora, hablemos de velocidad. La idea de que cuando una nave espacial se acerca a un planeta, la gravedad de ese planeta tirará de esa nave espacial, acelerándola, es bastante sencilla. Pero si la nave espacial se acelera a medida que se acerca, eso debería significar que se desacelerará a medida que se aleje.

Y eso es correcto. Es un juego de suma cero del marco de referencia del planeta. Y ahí es donde entra el truco: estamos interesados ​​en lo que sucede no desde la perspectiva del planeta, sino desde la perspectiva del sol. El planeta no está estacionario durante el tiempo en que la nave espacial está dentro de su pozo de gravedad: el planeta está orbitando el sol. El planeta está moviendo bien su gravedad. Entonces, cuando la nave espacial se vaya, habrá cambiado su impulso debido a esa interacción. Dependiendo de la dirección del enfoque, ese cambio podría aumentar el impulso y podría disminuir el impulso.

En realidad, este es un juego de suma cero también. El impulso no aparece de la nada. Si la nave espacial ha aumentado su impulso, el planeta debe haber renunciado a ese impulso. Pero los planetas son grandes: tienen mucho impulso, por lo que no nos importa.

Es bastante estándar realizar maniobras de asistencia por gravedad para naves espaciales que están saliendo de la órbita terrestre. Las naves espaciales como Galileo, Cassini, Juno y Rosetta han usado la Tierra como ayuda de gravedad. Galileo realmente usó la Tierra para dos asistencias de gravedad. Cassini realiza periódicamente asistencias por gravedad, utilizando las lunas de Saturno, para alterar su perspectiva sobre el sistema de Saturno.

Piense en el Sol jugando ping-pong con Rosetta como la pelota y la Tierra y Marte como remos. Cuando golpeas una pelota de ping-pong, desde el punto de vista de la pala, la pelota vuela con aproximadamente la misma velocidad que tenía cuando llegó. Sin embargo, debido a que estás balanceando la pala, desde tu punto de vista, la pelota vuela mucho más rápido después de golpearla.

Con la ayuda de la gravedad, en lugar de rebotar en la Tierra, Rosetta se dobla a su alrededor debido a la gravedad de la Tierra. La única diferencia es que la fuerza que media la interacción es la gravedad en lugar de la fuerza de contacto entre la pala y la pelota. Todo lo demás es lo mismo. Desde la perspectiva de la Tierra, Rosetta se va con la misma velocidad que tenía cuando llegó. Sin embargo, dado que la Tierra se mueve muy rápidamente alrededor del Sol, desde la perspectiva del Sol, Rosetta abandona la Tierra con mayor velocidad.

Pero en el ping-pong, no se trata solo de velocidad: la parte principal del juego es apuntar la pelota cambiando el ángulo de la paleta. No podemos controlar los movimientos de los planetas, pero podemos controlar cómo Rosetta se acerca a ellos. Con ajustes muy pequeños en la trayectoria de Rosetta, podemos elegir qué lado de la Tierra sobrevuela para controlar la dirección en que su camino se dobla alrededor de la Tierra, y podemos hacer que vuele más cerca de la Tierra para que el camino se doble más o más lejos la Tierra para hacer que el camino se doble menos. No solo podemos usar la Tierra para acelerar Rosetta, también podemos usarla para apuntar a Rosetta, que es lo que nos permite golpear el próximo planeta en la ruta.

La otra cosa que puedes notar en el video es que no es como el ping-pong porque la pelota no cambia de dirección tan dramáticamente. En ese sentido, es más como el voleibol, donde un jugador que recibe un pase de un compañero detrás de ellos balancea su mano (planeta) para golpear la pelota (Rosetta) desde atrás para que vaya más rápido en la misma dirección.

Si mira el video, particularmente la segunda asistencia de la Tierra, puede ver claramente que Rosetta se mueve más lento que la Tierra antes de la interacción y se mueve más rápido que la Tierra después, como si la Tierra la hubiera golpeado como una paleta de ping-pong.

El efecto de tirachinas gravitacional se puede considerar como una “colisión de campo”, que es un intercambio de energía e impulso de la misma manera que sucedería en una colisión elástica. La diferencia es que la interacción se produce a distancia a través de campos gravitacionales. Esa diferencia no importa a la física básica de las colisiones elásticas. Ya sea que las fuerzas parezcan estar a grandes distancias o distancias cortas, actúan de la misma manera para cambiar el impulso.

Por ejemplo, si una superball se lanza lentamente hacia una persona con un bate de béisbol y el bateador se balancea y golpea la pelota, no es sorprendente que la pelota abandone el bate a una velocidad mucho más alta de lo que vino hacia ella. El bate más masivo puede perder parte de su energía mientras que la pelota gana la mayor parte de esa energía cinética perdida sin ralentizar demasiado el movimiento del bate.

En el caso extremo del efecto de tirachinas gravitacional, una sonda espacial se estaría moviendo en la dirección opuesta del planeta al principio, solo se pierde el planeta y se balancea alrededor de él hasta alejarse directamente del planeta. La física es exactamente la misma que si el planeta estuviera golpeando la sonda como un murciélago golpeando una pelota en una colisión elástica.

Por supuesto, rara vez podemos organizar que una sonda vaya inicialmente en la dirección opuesta de un planeta, pero los principios generales funcionan de la misma manera, independientemente de los detalles.

Puede producir una colisión un tanto elástica que funciona como el efecto tirachinas colocando una pelota de tenis encima de una pelota de baloncesto bien inflada y dejando caer las dos juntas sobre una superficie dura. Después de que el baloncesto golpea y comienza a rebotar, una onda expansiva viaja rápidamente a la pelota de tenis y la impulsa hacia arriba mucho más rápido de lo que había estado bajando.

¿Cómo funciona la maniobra de tirachinas de gravedad? ¿Por qué no
las naves espaciales pierden tanta velocidad en el camino de regreso del planeta
se está utilizando para la maniobra a medida que ganó en el camino hacia ese
¿planeta?

Hay dos formas en que esto puede suceder, pero ambas equivalen a que la nave espacial pasa menos tiempo desacelerando al salir que acelerando al entrar.

El caso común, el caso más eficiente, a menudo utilizado por las sondas espaciales, es que la nave espacial se balancea detrás del cuerpo y acelera parte de su movimiento orbital al salir.

A medida que la nave se acerca, cae hacia un cuerpo que se aleja de ella en su dirección de movimiento, por lo que el tiempo que cae hacia ese cuerpo se estira a medida que el cuerpo avanza, luego la nave se balancea y gira aproximadamente la dirección opuesta y el tiempo que pasa desacelerándose se reduce por el vuelo del cuerpo a medida que se mueven en direcciones opuestas.

Sencillo.

Sin embargo, es un caso más complejo: está dispuesto a gastar un poco de combustible, lo que le permite sacar más provecho de ese combustible.

Considere el caso excesivamente simplificado donde la gravedad es constante una vez que ingresa a la esfera de influencia de un cuerpo. Ignoraremos la aceleración debida a la gravedad hasta que cambie la trayectoria de la nave espacial, luego la agregaremos de una vez.

A medida que la nave espacial se acerca a la velocidad X, se acelera en G por tiempo = D / X, donde D es la distancia desde el borde de la esfera de influencia gravitacional del cuerpo hasta la aproximación más cercana. Al salir, la nave espacial se mueve más rápido, X + Y, por lo que se ralentizará -G durante el tiempo D / X + Y. Dado que D / X + Y debe ser más corto que D / X (para Y distinto de cero), la nave no disminuirá la velocidad tanto como se aceleró. Sin embargo, ese es un delta bastante pequeño, y para un cuerpo en el espacio profundo, su esfera de influencia lo mantendrá durante el tiempo que sea necesario. Por eso necesitas un poco de combustible. Si enciende su motor justo cuando hace su aproximación más cercana, puede disminuir el tiempo total dedicado a reducir la velocidad justo donde le da más dinero. Debido a esto, obtendrá más delta-v neto que el que proporciona el motor solo.

Cuando una nave espacial Apolo fue a la luna, se colocó en una trayectoria de retorno libre que haría que se detuviera casi al detenerse justo cuando llegaba a la esfera de influencia de la luna, luego caería hacia la luna en una larga elipse que daría devuelve la energía suficiente para girar hacia la tierra.

Dejado a sus propios dispositivos, se desacelera casi hasta detenerse justo en el borde de la esfera de influencia de la luna, y luego cae de nuevo hacia la tierra.

Ignorando algunos detalles, esto podría haber continuado durante miles de años sin un cambio NETO en la velocidad de la nave espacial con el tiempo.

En el caso de Apolo, la idea era reducir la velocidad cerca de la luna lo suficiente como para caer en la órbita lunar. Para eso era el gran motor SPS. Si el CSM en cambio hubiera girado la cola y encendido su motor para acelerar, podría haber pasado la luna en una trayectoria abierta, una que se comportaría como describí anteriormente.

No soy un científico de cohetes. Yo escribo scifi.

es ineficiente usar combustible para todo el viaje espacial, cuando la gravedad puede hacer la mayor parte del trabajo
lo que hacen estos cuerpos celestiales es capturarlos en órbita, de lo contrario, a menos que estén tripulados, las naves espaciales flotan en el espacio.
entonces, cuando la nave es atrapada en la órbita del planeta (o luna), esperan hasta que sea más eficiente para que lleguen al destino, y luego se mueven allí desde la órbita

así que en lugar de tomar un camino directo desde la tierra a otro objeto, movemos la nave a un objeto intermedio que proporcione la aceleración que tanto necesita, sin combustible. solo tenemos que gastar combustible nuevamente para escapar de la órbita, que es mucho menos en comparación con todo el viaje en combustible

Al proporcionar lo que se conoce como “el efecto tirachinas”, Júpiter ayudó a New Horizons a acelerar hacia Plutón (y, a diferencia de Star Trek, NO retrocedió en el tiempo, probablemente porque no estaba usando Warp drive). El efecto tirachinas se utiliza para acelerar una nave espacial en un sobrevuelo planetario. La NASA llama a esto un “asistente de gravedad”, y lo explota para ahorrar combustible en misiones a planetas exteriores. Aunque la nave espacial acelera hacia el planeta y luego pierde esa aceleración al salir, el movimiento del planeta en órbita alrededor del sol se agrega a la velocidad de las naves espaciales. Una nave espacial puede ganar hasta el doble de la velocidad de órbita del planeta añadida a la suya. Júpiter viaja alrededor del sol en aproximadamente 12 años, por lo que se mueve a través del espacio a aproximadamente 30,000 mph (48,000 kph). Si el satélite se mueve en la misma dirección que Júpiter en su órbita, en realidad puede aumentar su velocidad en 30,000 mph.

Se trata del intercambio de impulso. Una asistencia por gravedad puede aumentar o disminuir el impulso de la nave espacial dependiendo de cómo se ejecute el sobrevuelo planetario. Mientras trabajaba en JPL, apoyé el sobrevuelo de Hayabusa con la Tierra en mayo. En cualquier caso, la energía total del sistema solar se conserva … el planeta se ralentiza o se acelera muy ligeramente (con respecto al Sol) en compensación por el encuentro de la nave espacial.

La gravedad tira de un objeto hacia el centro, mientras que la inercia lo tira en la dirección en que se mueve.

Si un objeto se mueve hacia arriba, y un campo gravitacional entra en el rango a la izquierda, las fuerzas se combinarán para que el objeto se mueva hacia la izquierda, hasta que esté fuera del alcance de la gravedad.

Por lo tanto, usar la gravedad de un objeto puede reducir la cantidad de energía necesaria para hacer un giro.

xkcd: seis palabras

El efecto de asistencia por gravedad, también conocido como tiro con honda, es un método para aprovechar la fuerza de gravitación de los planetas y su movimiento alrededor del sol para acelerar la velocidad de las naves espaciales. Imagina una sonda espacial viajando más allá de Júpiter, dile a Neptuno. Cuando se acerca a Júpiter, será arrastrado por la enorme fuerza gravitacional del planeta y, al mismo tiempo, será arrastrado junto con él a su órbita. El efecto combinado sería el aumento considerable de la velocidad de la nave espacial.

Los planetas orbitan alrededor del sol y se mueven muy rápido. En comparación con una nave espacial, tienen una masa mucho mayor. Júpiter es un ejemplo simple: lanzamos una nave espacial a Júpiter y la enviamos en una trayectoria para que se cruce justo detrás del camino orbital de Júpiter. La gravedad de Júpiter es lo suficientemente fuerte como para tirar de la nave espacial junto con ella, dándole un aumento de velocidad. Es esencialmente “energía libre” (no requiere combustible, que es pesado para lanzar desde la Tierra) lo que acelera la nave espacial y la coloca en una órbita más alta. Algunas naves espaciales como Rosetta aprovecharon varias de estas asistencias para llegar al cometa.

Supongamos que estás corriendo en una carrera y vas a adelantar a alguien.

Si resulta que eres una escoria tramposa, puedes decidir agarrar a la otra persona por detrás y luego empujarla hacia atrás a medida que la pasas. Se ralentizarían un poco, y ganarías un pequeño aumento de velocidad. Parte de su impulso habría sido transferido a usted.

Esencialmente, lo mismo sucede con una asistencia gravitacional, excepto que la nave espacial y el planeta están unidos por la gravedad en lugar de los brazos, y el planeta no experimenta una gran disminución de la velocidad porque es muy masivo en relación con la nave espacial.

El efecto de honda gravitacional es una aplicación de la conservación del momento angular. Por favor, consulte: Ayuda por gravedad. Los soviéticos fueron los primeros en usarlo cuando enviaron una sonda para fotografiar el lado posterior de la Luna. La teoría fue discutida por primera vez por un físico soviético Yuri Kondratyuk en 1938.

La asistencia por gravedad es análoga a la piedra atada al final de la cuerda y la cuerda gira.

La piedra rotará a tu alrededor. Pero cuando salga de la cadena, la piedra se moverá directamente en dirección tangencial a su trayectoria circular anterior.

Lo mismo sucede cuando una nave espacial está en efecto gravitacional de un objeto masivo, por ejemplo. Tierra

Girará a su alrededor y también acelerará debido a la aceleración gravitacional cuando gane suficiente velocidad. Los propulsores de las naves espaciales se iniciaron, lo que lo ayuda a escapar de la gravedad y moverse en dirección tangencial a su camino anterior.

Y así, la nave espacial avanza en su viaje.

Este es un procedimiento completo de asistencia por gravedad.

Gracias

La forma más sencilla de explicarlo es que básicamente estás haciendo rebotar la nave espacial de un planeta. Si arrojas tu nave espacial a un planeta que se movía en su órbita muy rápidamente (como tienden a hacerlo), es fácil ver que (si los planetas fueran realmente hinchables) el planeta se estrellaría contra la nave espacial y la lanzaría volando a una Gran velocidad.

Eso es casi exactamente lo que está sucediendo, excepto que realmente no se puede rebotar algo en un planeta. Afortunadamente, puedes usar la gravedad y las órbitas para lograr el mismo efecto.

Robert Frost tiene una muy buena respuesta sobre cómo la gravedad ayuda en ¿Los Voyager obtuvieron alguna velocidad duradera de sus sobrevuelos planetarios?

Hace lo que usted dice: pierde tanto salir como gana entrando, pero en el marco de referencia del planeta . En el marco de referencia del lanzador, por lo tanto, ha agregado efectivamente la velocidad orbital del planeta a la suya.

Otra forma de verlo es que pasa más tiempo cayendo y, por lo tanto, siendo arrastrado por la gravedad del planeta, que volando. El planeta lo obliga a alcanzarlo antes de escupirlo nuevamente.

¿Cómo ayudó Júpiter a New Horizons a llegar a Plutón más rápido?

Puede encontrar útil este artículo de Wikipedia: Gravity assist

Las ayudas por gravedad implican caer en el pozo de gravedad de un planeta y luego usar una quemadura corta para alejarse del objeto gravitacional a una velocidad mayor.