Bueno, hay varios límites prácticos para una asistencia gravitacional.
Primero, tenemos que tomar planetas a medida que los encontramos … y probablemente no van en la dirección en que queremos agregar velocidad en el momento en que queremos hacerlo. Incluso con una planificación cuidadosa (y estoy impresionado por la inteligencia de la gente de JPL et al), tiene que arreglárselas con lo que la naturaleza le brinda.
En segundo lugar, la mejor ganancia de velocidad posible es el doble de la velocidad orbital del planeta en cualquier pase dado. En realidad, generalmente menos, porque como se mencionó anteriormente, el planeta probablemente no se mueve exactamente en la dirección en la que desea moverse (probablemente tampoco se mueva exactamente en la dirección opuesta). La forma más fácil de comprender lo que está sucediendo con una asistencia gravitacional es imaginarse como una colisión (que técnicamente es) más bien como la colisión entre una pelota y un bate o raqueta. La sonda gana velocidad del planeta de la misma manera que la pelota.
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Ahora, si lo miras desde el punto de vista de alguien parado en el planeta, entonces no hay ganancia aparente de energía (o solo una cantidad insignificante). Básicamente están ‘en reposo’ en su marco tanto antes como después de la colisión (el cambio en el movimiento de los planetas es demasiado pequeño para observar), por lo que pueden aplicar la conservación de energía para descubrir que la velocidad de la nave espacial es la misma antes y después la colisión / volar por:
Aquí estoy usando los subíndices a | c para significar “a relativo a c”, por lo que [math] \ vec {v} _ {i | P} [/ math] significa “velocidad inicial relativa al planeta”. Esta es una notación útil porque podemos usar la notación formal para ver que [matemáticas] \ vec {v} _ {a | c} = \ vec {v} _ {a | b} + \ vec {v} _ { b | c} [/ matemáticas].
Queremos eso porque nos gustaría mirar la velocidad en relación con un observador externo (E) para ver cómo se ve esto desde alguien que sí ve moverse el planeta. Esto se muestra en esta segunda imagen:
Esto es lo que queremos … ¡la velocidad final es mucho mayor que la velocidad inicial!
Pero a partir de esto también se puede ver que tenemos que ser capaces de “doblar” nuestra velocidad significativamente para hacer esto … es decir, tenemos que “dar la vuelta” al planeta, no simplemente pasar cerca de él. Eso se hace cada vez más difícil cuanto más rápido nos movemos en relación con el planeta … necesitamos acercarnos al planeta para tener mayor fuerza para producir el mayor cambio en la velocidad.
Eventualmente, por lo tanto, alcanzamos límites porque para alcanzar una velocidad significativa necesitamos acercarnos lo suficiente como para que la atmósfera del planeta (¡o incluso la superficie!) Se interponga en el camino.
La buena noticia es que en realidad no hay límites particulares sobre lo que la nave puede manejar … la nave está en caída libre todo el tiempo y experimenta solo fuerzas de marea … desapareciendo muy poco para algo menos intenso que una estrella de neutrones o un agujero negro. Y no hay ninguno lo suficientemente cerca como para importar. Si podemos llegar a tal objeto, entonces no necesitamos la tecnología de las asistencias gravitacionales.
Bueno … OK, tal vez no del todo cierto. Es posible que queramos visitar una estrella de neutrones usando algo así como una vela ligera lanzada con láser, luego usar el tirachinas para regresar … pero ese es un caso bastante especial.
Una cosa adicional: al usar un cohete durante el sobrevuelo, el propulsor se puede usar de manera mucho más eficiente, por lo que es otro uso de asistencias gravitacionales / tirachinas. Realmente no está cubierto en su pregunta, pero la idea principal es usar esa velocidad relativa para asegurar que, en el marco externo, el combustible termine con poca velocidad (la velocidad del combustible en relación con el cohete + la velocidad de el cohete en relación con un observador externo es pequeño), lo que resulta en ganancias de velocidad mucho mayores en ese marco externo (del cual, después de que el sobrevuelo haya terminado, el cohete formará parte). Podemos agregar más detalles si eso es relevante para su pregunta.
TL / DR: Existen límites prácticos significativos sobre cuánto puede ganar con un ‘tirachinas’ o un conjunto de ellos, pero sigue siendo una técnica muy útil y no plantea problemas estructurales para la nave.
