Warum sollten Raumsonden die Erde umkreisen müssen, bevor sie zu anderen Planeten gestartet werden?

Alle mir bekannten interplanetaren Sonden wurden in eine Parkbahn gestartet und warteten dann einige Zeit in dieser Umlaufbahn, bevor sie eine Stufe neu starteten oder eine andere Stufe zündeten, um die gewünschte ausgehende Asymptote zu injizieren. Dies geschieht aus praktischen Gründen, um an Tagen im Startzeitraum lange Startfenster zu ermöglichen. Es ist möglich und etwas effizienter, direkt von der Startrampe zur interplanetaren Flugbahn zu starten, aber Sie haben ein sofortiges Startfenster und Ihre Startrampe muss die Ebene der ausgehenden Flugbahn überqueren, um diese Effizienz zu erreichen. Sofortige Startfenster sind riskant, denn wenn es ein Problem gibt, z. B. ein Boot, wo es nicht sein sollte, starten Sie an diesem Tag nicht. Mit dem längeren Zeitfenster, das sich bietet, wenn Sie zuerst in eine Parkbahn gehen, oft eine Stunde oder länger, haben Sie Zeit, das Problem zu beheben und trotzdem zu starten.

(Nebenbei habe ich an einem Projekt gearbeitet, das später abgebrochen wurde und bei dem eine Ariane 5 zum Mars starten sollte. Das Problem war, dass die Oberstufe zu diesem Zeitpunkt nicht über eine qualifizierte Neustartfähigkeit verfügte. Als Ergebnis , mussten wir planen, direkt von der Startrampe ohne Parkbahn zu injizieren.Obwohl der Startplatz in Französisch-Guayana zufällig nahe an der Stelle lag, an der wir ihn für diese Gelegenheit haben wollten, war er nicht genau richtig, sodass wir einige Ineffizienzen hinnehmen mussten ein Dogleg-Manöver, um in die richtige Richtung zu kommen.)

In den meisten Fällen wird die Wartezeit im Parkorbit in zehn Minuten gemessen. Sie starten häufig eine zweite Stufe mit begrenzter Batterielebensdauer neu, sodass Sie nicht länger als eine Umlaufbahn warten möchten. Um eine zweiwöchige oder längere Startphase zu haben, müssen Sie vor und nach dem optimalen Tag eine gewisse Ineffizienz bei höheren Injektionsenergien akzeptieren.

Indien macht etwas ein wenig anderes, was ein gewisses Risiko birgt, aber eine höhere Effizienz bietet. Sie haben einen festen Abfahrtstag aus der Erdumlaufbahn mit der kleinsten Injektionsenergie. Wann immer sie starten, warten sie bis zu diesem gesegneten Tag in der Erdumlaufbahn, und dann gehen sie. Das heißt, sie brauchen eine Oberstufe mit längerer Lebensdauer. Auf der positiven Seite ermöglicht das Aufteilen der Einspritzverbrennung in mehrere Teile, die an jedem Perigäum ausgeführt werden, dass der Motor viel kleiner und leichter ist als ein typischer Motor der oberen Stufe, der versucht, den gesamten Kraftstoff in einer einzigen Verbrennung in der Nähe der Erde auszuströmen.

Wie in den anderen Antworten erwähnt, werden die Injektionsverbrennungen, unabhängig davon, ob sie 20 Minuten später oder 20 Tage später durchgeführt werden, am Perigäum für die maximale Energieänderung pro Einheit von durchgeführt$\Delta V$. Ich werde hier nur zum Spaß eine Gleichung einwerfen. In den Grundlagen der Physik lernst du die Gleichung für kinetische Energie:$K={m v^2\over 2}$. Wenn Sie das bzgl. differenzieren$v$, du erhältst$dK=m v\,dv$. Ihre Energieänderung ist also proportional zu Ihrer Geschwindigkeit mal der$\Delta V$. Je schneller Sie fahren, desto mehr Energiewechsel erhalten Sie für eine feste Strecke$\Delta V$. Am Perigäum bist du am schnellsten. Dies ist als Oberth-Effekt bekannt.

Wie @Ame erwähnte, hatte die Rakete nicht genug Treibstoff, um sie mit einem Schuss dorthin zu bringen, wie es die meisten US-amerikanischen / russischen Raketen tun. Die tatsächliche Physik hinter dem Orbitalmanöver ist jedoch etwas anders als beschrieben. Insbesondere wird die Physik als Oberth-Effekt bezeichnet . Die kurze Erklärung dafür ist, dass ein Raketenschub effektiver ist, wenn er am Perigäum ausgeführt wird. Das Abfeuern der Rakete während aufeinanderfolgender Perigäumsdurchgänge verbessert die Effizienz und ermöglicht es einem letztendlich, die maximale Effizienz seiner Raketenstöße zu erzielen. Eine echte Schwerkraftunterstützung verwendet keine Triebwerke, aber dieser Effekt verstärkt die Wirksamkeit des Schubs wesentlich.

Es gibt mehrere Gründe, warum Satelliten die Erde umkreisen müssen, bevor sie interplanetar gehen ...

Der erste Grund: Der Startplatz ist sehr selten in der richtigen Position, um einen interplanetaren Flug zu starten. Die Erde dreht sich auf einer Neigung, daher muss ein Start zeitlich festgelegt werden, wenn das Kennedy Space Center die Ekliptikebene (die allgemeine Ebene, auf der die meisten Planeten kreisen) überquert. Außerdem muss es in der richtigen Jahreszeit sein, damit die Sonde, wenn sie in die Umlaufbahn geht, die richtige Richtung einschlägt, wenn sie den SOI der Erde verlässt. All das ist mit einem direkten Aufstiegsprofil möglich, es braucht nur richtig gutes Timing – aber diese perfekten Fenster kommen sehr selten vor.

Jede Sonde, die eine Ekliptikumlaufbahn um die Erde macht, hat erstens ziemlich alle 45 Minuten ein Startfenster, im Gegensatz zu ein paar Mal pro Jahr.

Der zweite Grund: Die Menge an Delta-V, die erforderlich ist, um dem SOI der Erde zu entkommen, ist ziemlich groß. Obwohl es möglich ist, Raketen zu bauen, die groß genug dafür sind, ist der begrenzende Faktor wirklich die Effizienz von typischem Raketentreibstoff und Raketentriebwerken.

Um eine Sonde mit einer Rakete aus der Erdumlaufbahn zu heben, braucht man eine ziemlich schwere Rakete. Diese schwere Rakete muss in eine erdnahe Umlaufbahn gehoben werden, was eine massive Rakete erfordert.

Eine Möglichkeit, diese Tatsache zu verbessern, besteht darin, Ihre Rakete viel effizienter zu machen - aber wir sind bereits nahe an der theoretischen Effizienzgrenze einer chemischen Rakete. Also begann die NASA mit dem ION-Antrieb, der viel effizienter ist als eine chemische Rakete – er ist auch sehr schwach – was der dritte Grund ist …

Der dritte Grund: Jetzt, da die meisten Sonden Ionenantrieb verwenden, haben sie nicht den Schub, um sich bei einem direkten Aufstieg einfach von der Erde abzuheben – sie verbringen Wochen mit dem Ionen-Triebwerk, das eine Weile (einige Minuten) auf eine Taste drückt Punkt in der Umlaufbahn. Jedes Mal, wenn die Ionenmaschine dies tut, kommt ihre Umlaufbahn der Fluchtgeschwindigkeit der Erde immer näher.

Sobald sich die Sonde außerhalb des SOI der Erde befindet, kann sie den Ionenmotor im Grunde einschalten und so lange dort lassen, wie sie interplanetare Manöver abschließen möchte. Normalerweise sind die meisten Manöver zwischen Planeten kleinere Kurskorrekturen, um einen Vorbeiflug an einem Planeten auszunutzen, um auf viel höhere Geschwindigkeiten zu schleudern.

TL;DR? Viele Gründe: Timing - Startposition und Orbitalausrichtung bedeuten wenige gute Startfenster für einen direkten Aufstieg, das Erreichen der Umlaufbahn zuerst ermöglicht viele weitere Optionen. Zu viel Treibstoff erforderlich - Um eine Sonde weit von der Erde zu entfernen, wird viel chemisches Treibmittel benötigt, daher verwenden wir jetzt stattdessen Ionenmotoren. Ionenmotoren sind schwach – es dauert lange (Wochen!), bis diese hocheffizienten Motoren ihre Arbeit erledigen.

Im Fall des indischen PSLV ist die Trägerrakete nicht stark genug, um die Sonde der Mars Orbiter Mission direkt auf einer Route zum Mars einzusetzen . Im Gegensatz dazu soll MAVEN mit dem deutlich leistungsstärkeren Atlas V an den Start gehen.

Die Sonde muss die Schwerkraftunterstützung nutzen , um genügend Geschwindigkeit zu erreichen, um zum Mars zu gelangen. Das heißt, die Sonde geht zunächst in eine stark elliptische Umlaufbahn und erreicht durch speziell getimte kurze Verbrennungen eine Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft der Erde und der Bewegung um die Sonne. Besonders die Bewegung der Erde relativ zur Sonne und zur Sonde ist hier hilfreich, da sich dieser Impuls zum vorhandenen Impuls der Sonde addiert . Das Bild im Wikipedia-Artikel ist ziemlich aufschlussreich:

Bevor Sie zu allen anderen Vorteilen kommen, beginnen wir mit dem einzigen, wesentlichen.

Eine an Ort und Stelle schwebende Rakete (die überhaupt nicht hochfliegt, sondern nur über der Startrampe schwebt) muss genügend Schub erzeugen, den sie sonst geben würde$9.8 m/s^2$Beschleunigung (1g) im Horizontalflug. Das ist ziemlich viel, und das ist alles verschwendeter Schub. Wenn Sie direkt nach oben starten, ist die Gravitationsbeschleunigung der Erde das, was Sie jederzeit von Ihrer Beschleunigung abziehen müssen. Jede Sekunde, egal wofür Sie Ihren Treibstoff ausgeben, müssen Sie eine kräftige Dosis dafür aufwenden, einfach nicht herunterzufallen.

Nun verbraucht eine Rakete, die sich horizontal im Orbit bewegt, keinen Treibstoff, um die Höhe zu halten. Jedes einzelne Gramm davon wird verwendet, um seine kinetische Energie zu erhöhen. Auf diese Weise besteht Ihre erste Priorität, sobald Sie die Luftreibung auf ein erträgliches Maß reduziert haben, darin, in den Orbit zu gelangen und die Verschwendung von Treibstoff zu stoppen, um einen Sturz zu verhindern. Die Energie, die Sie in die Beschleunigung auf Orbitalgeschwindigkeit gesteckt haben, ist immer noch nutzbar, Sie werden sie zu Ihrer Geschwindigkeit bei der interplanetaren Reise hinzufügen und jetzt sicher als Ihre kinetische Energie gespeichert.

Jetzt, sobald Sie im Orbit sind, können Sie alle möglichen nützlichen Manöver nach Belieben durchführen, auf Triebwerke mit besserem spezifischem Impuls, aber geringerem Schub umschalten und keinen Treibstoff mehr verschwenden.

Die Sonde New Horizons blieb, wenn ich den Wikipedia-Artikel richtig gelesen habe, nicht für eine volle Umlaufbahn in ihrer Parkbahn. Weniger als 45 Minuten nach dem Start befand es sich bereits auf seiner Fluchtbahn aus der Sonne. Aber es verbrachte Zeit auf einem Orbitalpfad, der es ihm ermöglichte, die richtige Position für die Verbrennung zu erreichen, um der Geschwindigkeit zu entkommen, konsistent mit den anderen gegebenen Antworten. Aber wenn Sie sich gefragt haben, warum alle Sonden die Zeit damit verbringen, die ganze Erde zu umrunden, bevor sie losfahren, lautet die Antwort, dass mindestens eine Sonde dies nicht getan hat.