Wie behält eine Raumsonde ihre Flugbahn bei, während sie das extreme Gravitationsfeld der Gasriesen unseres Sonnensystems passiert?

Raumsonden wie Voyager 1, 2, New Horizons usw. reisten über diese Gasriesen hinaus, wie kamen sie mit ihrer extremen Schwerkraft zurecht?

Wie wurde die Flugbahn dieser Sonden von der immensen Schwerkraft dieser riesigen Gaskörper ungehindert? Wie wurde die Flugbahn entschieden?

Liegt es an der geringen Größe der Raumsonden?

Eine Flugbahn, die nicht von der immensen Schwerkraft dieser riesigen Gaskörper beeinflusst wird, ist unmöglich. Sehr sorgfältige Planung und viele numerische Simulationen ermöglichen es, eine Flugbahn zu fliegen, die durch ein Schwung-durch-Manöver beschleunigt wird. Dabei kommt es nicht auf die Größe der Raumsonden an. Sonden von gigantischer Größe würden die Umlaufbahn der Gasriesen selbst verändern, aber sie sind unmöglich zu bauen und zu starten. Die Erde ist im Vergleich zu diesen Gasriesen ein kleiner Kieselstein. Eine Sonde mit 10 % Erdmasse ist noch zu klein.
Mathematik; der Teil, der die Raketenwissenschaft tatsächlich schwierig macht. Was sie nicht wussten, war, ob die Schaltkreise die immense Strahlung überstehen würden und ob sie es unbeschadet durch den Asteroidengürtel schaffen würden.

Antworten (2)

Die Flugbahn war nicht nur "ungehindert" - sie wurde verbessert!

Wenn Sie die Masse des Planeten kennen, können Sie sehr genau berechnen, wie die Flugbahn einer vorbeifliegenden Sonde beeinflusst wird. Sie ändern die Flugbahn bei der Ankunft so, dass die Abflugbahn genau wie gewünscht ist. Und aufgrund einiger eher unintuitiver physikalischer Vorbehalte können Sie es so machen, dass die Geschwindigkeit der Sonde (relativ zur Sonne) beim Abflug viel höher sein kann als bei der Ankunft. Dies wird als „ Schwerkraftunterstützung “ oder „Schleudermanöver“ bezeichnet und ermöglicht einige ziemlich enorme Kraftstoffeinsparungen. Die Voyager leisteten auf ihrer Mission nur wenige Schwerkraftunterstützungen, und sie verlassen das Sonnensystem schneller als jede andere Sonde.

Unintuitiv? Wenn ein langsam fliegender Tennisball auf eine laufende Lokomotive trifft, prallt sie mit viel höherer Geschwindigkeit auf. (Analogie von Randall Munroe).
@kubanczyk: Das ist eine sehr vereinfachte Analogie, die tendenziell verwirrend ist, da das Anstoßen gegen die Vorderseite des Autos der Gravitationsschwingung hinter dem Planeten ziemlich unähnlich ist.
Sollte es unter Berücksichtigung aller grundlegenden physikalischen Gesetze nicht auch den Weg, die Umlaufbahn und die Geschwindigkeit des Planeten verändern? Wenn ja, um wie viel haben Voyager die Geschwindigkeit anderer Planeten verändert, indem sie ihnen Geschwindigkeit „gestohlen“ haben?
@kukis: Absolut ja. Das Werfen von Tennisbällen hier auf der Erde beeinflusst auch die Bahn, die Umlaufbahn und die Geschwindigkeit des Planeten, und der Effekt ist ungefähr gleich groß. Planeten sind groß . Sie können sicherlich rechnen, um herauszufinden, wie viel Energie "gestohlen" wurde, indem Sie das Integral der über die Distanz ausgeübten Kraft berechnen. das ist die Arbeit , die Energieeinheiten hat. Die Arbeit, die Jupiter auf der Voyager geleistet hat, führt zu einer sehr, sehr geringen rückläufigen Beschleunigung des Jupiter und damit zu einer sehr, sehr geringen Absenkung seiner Umlaufbahn.
@kukis: Impulserhaltungsgesetz. Masse des Planeten * Änderung der Geschwindigkeit des Planeten = Masse des Raumfahrzeugs * Änderung der Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs. Der Vorteil der Schwerkraftunterstützung ist auf die Hälfte der Umlaufgeschwindigkeit des Planeten begrenzt, Jupiters 13 km / s, also bestenfalls 6,5 km / s (wahrscheinlich viel weniger). (721,9 kg * 6500 m/s) / 1,9e27kg = 2,47e-21 m/s. Das sind 0,78 Angström / Jahrtausend,
@SF: planetary.org/blogs/guest-blogs/2013/… : „Während der Voyager-Begegnungen mit Jupiter im Jahr 1979 verlangsamte sich Jupiter um etwa 10 auf die -24. Potenz Kilometer pro Sekunde“, was 1e-21m/s entspricht , Ihre Annäherung liegt also definitiv im richtigen Bereich!
@SF. - Die Gravitationsunterstützung delta v ist auf die kreisförmige Umlaufgeschwindigkeit knapp über der Spitze der Atmosphäre des Planeten begrenzt , was im Fall von Jupiter a beträgt Δ v von etwa 41,8 km/s - also mehr als das Dreifache der Umlaufgeschwindigkeit Jupiters um die Sonne.
@DavidHammen: Stellen wir uns einen kleinen Neutronenstern vor, der weit draußen um einen Riesenstern kreist. Die Umlaufgeschwindigkeit des Neutronensterns beträgt 1 m/s, es dauert Millionen von Jahren, um den Riesenstern einmal zu umkreisen. In der Zwischenzeit können Sie bei 1% c knapp über seiner Oberfläche kreisen. Wie zum Teufel würde eine Sonde, die aus irgendeiner Richtung kommt, 1% c durch die Schwerkraftunterstützung dagegen gewinnen?
@kubanczyk, ich vermute, dass SF mit unintuitiv gemeint ist, dass alle Dinge gleich sind, wenn ein Planet auf dem Weg hinein eine Anziehungskraft auf die Sonde ausübt, um sie zu beschleunigen, und dann auf dem Weg nach draußen dieselbe Anziehungskraft verwendet verlangsamen, warum sollte sich die Geschwindigkeit der Sonde überhaupt ändern?
@TracyCramer: Die Geschwindigkeit der Sonde (Skalar; Geschwindigkeit ist Vektor und ändert die Richtung) relativ zum Planeten bleibt unverändert, aber die Geschwindigkeit relativ zum Stern ändert sich. Stellen Sie sich vor, Sie könnten einfach um 180 Grad um den Planeten schwingen. (unrealistisch, aber hey, Beispiel.) Sie kommen langsam an, frontal. Planet bewegt sich um v p l ; Ihre Geschwindigkeit relativ zum Stern ist v s 0 , Ihre Geschwindigkeit relativ zum Planeten ist v p 0 = v p l + v s 0 Du drehst um und gehst gleichzeitig v p 1 = v p l + v s 0 in entgegengesetzter Richtung, aber jetzt relativ zu dem Stern, auf den Sie sich bewegen v p 1 + v p l = 2 v p l + v s 0 !
@SF., meinten Sie also das, was ich mit "nicht intuitiven physikalischen Vorbehalten" gesagt habe, oder war es etwas anderes?
@TracyCramer: Ja, das ist es; auch die Ankunfts- und Abflugbahn, die zu einer optimalen Unterstützung führen, sind nicht offensichtlich. Wenn man zu dieser Abweichung zu einem bestimmten Ziel und einer möglichen Neigungsänderung hinzukommt, wird es ziemlich knifflig!

Sie haben nicht !

Dies ist die Flugbahn von Voyager 1 bei Jupiter.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein Credits Wikipedia

Wenn die Flugbahn im Voraus geplant wurde, um Schwerkraftunterstützung bereitzustellen, bleibt die Flugbahn ungehindert
@qwerty wenn du mit ungehindert „dem beabsichtigten Pfad gefolgt“ meinst, ja. Wenn Sie mit ungehindert meinen, dass die Flugbahn unverändert war, dann liegen Sie falsch. Siehe Bild: Die Durchbiegung ist erheblich
@Antzi Um fair zu sein, die Ablenkung war nur signifikant, weil wir die Sonde auf den Planeten geschossen haben. Wenn wir die Sonde einfach "zwischen den Planeten" starten würden, wäre die Ablenkung viel weniger ausgeprägt (aber ich wette, sie würde mit der Zeit immer noch ziehen!)
Beachten Sie, dass diese hyperbolische Umlaufbahn aus der Perspektive des Jupiter und nicht aus der Perspektive der Sonne ist . Wie Sie sehen können, ist die Umlaufbahn der Voyager aus der Perspektive des Jupiter vollkommen symmetrisch. Aus der Perspektive der Sonne wird Voyager jedoch bei der nahen Annäherung mit einer enormen Geschwindigkeit in Richtung der prograden Umlaufbahn des Jupiter beschleunigt, und daher gibt es aus der Perspektive der Sonne eine große Beschleunigung.
@EricLippert ja, aber es sieht immer noch aus wie gebrochene Ellipsen. Ich sollte die Grafik auch hinzufügen
@Antzi - Sie sind gebrochene Hyperbeln (besser: hyperbolische Segmente), keine gebrochenen Ellipsen. Die Grafik ist in Ordnung.
Wie behält eine Raumsonde ihre Flugbahn bei, während sie das extreme Gravitationsfeld der Gasriesen unseres Sonnensystems passiert?
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