کمک گرانشی

انیمیشن مسیر وویجر 1 از 5 سپتامبر 1977 تا 30 دسامبر 1981، وویجر1 با رنگ صورتی، زمین با رنگ آبی، مشتری با رنگ آبی فیروزه ای، زحل با رنگ سبز و خورشید با رنگ زرد نشان داده شده است.

تعریف کمک گرانشی:

کمک گرانشی یک مانور پروازی است که از کشش گرانشی اجرام اسمانی برای کمک به حرکت یک فضا پیما استفاده میشود.

در مکانیک مداری و مهندسی هوافضا کمک گرانشی به استفاده از حرکت نسبی و گرانشی سیاره یا دیگر ساختارهای آسمانی برای تغییر مسیر و تغییر سرعت فضاپیما گفته می‌شود.

کمک گرانشی می تواند برای شتاب دادن به فضاپیما، یعنی افزایش یا کاهش سرعت یا تغییر مسیر آن استفاده شود. «کمک» با حرکت جسم گرانشی در حالی که فضاپیما را می کشد، فراهم می شود. هر افزایش یا از دست دادن انرژی جنبشی و تکانه خطی توسط یک فضاپیمای در حال عبور مطابق با قانون سوم نیوتن توسط جسم گرانشی از بین می رود یا به دست می آید. مانور کمک گرانشی برای اولین بار در سال 1959 استفاده شد، زمانی که کاوشگر شوروی لونا 3 از سمت دور ماه زمین عکس گرفت، و توسط کاوشگرهای بین سیاره ای از مارینر 10 به بعد، از جمله پروازهای قابل توجه دو کاوشگر وویجر از مشتری و زحل، استفاده شد.

توضیحات:

کمک گرانشی در اطراف یک سیاره، سرعت فضاپیما (نسبت به خورشید) را با ورود و خروج از حوزه نفوذ گرانشی یک سیاره تغییر می دهد. سرعت فضاپیما با نزدیک شدن به سیاره افزایش می یابد و با خروج از سیاره کاهش می یابد. برای افزایش سرعت، فضاپیما در همان جهتی که سیاره به دور خورشید می چرخد ​​به سیاره نزدیک می شود و در جهت مخالف حرکت می کند. برای کاهش سرعت، فضاپیما در جهت مخالف سرعت مداری سیاره به سیاره نزدیک می شود. در هر دو نوع مانور انتقال انرژی در مقایسه با کل انرژی مداری سیاره ناچیز است. مجموع انرژی جنبشی هر دو جسم ثابت می ماند. بنابراین می توان از مانور تیرکمان بچه گانه برای تغییر مسیر و سرعت سفینه فضایی نسبت به خورشید استفاده کرد.

تصور کنید روی سکوی قطار ایستاده اید و توپی را با سرعت 30 کیلومتر در ساعت به سمت قطاری که با سرعت 50 کیلومتر در ساعت نزدیک می شود پرتاب کنید. راننده قطار می بیند که توپ با سرعت 80 کیلومتر در ساعت نزدیک می شود و بعد از اینکه توپ به صورت کشسانی از جلوی قطار پرش می کند با سرعت 80 کیلومتر در ساعت حرکت می کند. با این حال، به دلیل حرکت قطار، سرعت حرکت آن نسبت به سکوی قطار 130 کیلومتر در ساعت است. توپ دو برابر سرعت قطار را به سرعت خود اضافه کرده است.

ترجمه این تشبیه به فضا: در چارچوب مرجع سیاره، سفینه فضایی دارای سرعت عمودی v نسبت به سیاره است. پس از وقوع قلاب سنگ، سفینه فضایی در مسیری 90 درجه نسبت به مسیری که به آن رسیده است حرکت می کند. هنوز هم سرعت v را خواهد داشت، اما در جهت افقی.

در چارچوب مرجع خورشید، سیاره دارای سرعت افقی v است و با استفاده از قضیه فیثاغورث، سفینه فضایی در ابتدا دارای سرعت کل جذر 2v

 است. پس از خروج سفینه فضایی از سیاره، سرعتی برابر با خواهد داشت 0/6vکه تقریباً افزایش می یابد.

رویکردفضاپیما:

فضاپیما به سیارات و اجرام آسمانی نزدیک میشود و با استفاده از گرانش جرم آسمانی سرعت خود را افزایش میدهد و فضاپیما شتاب بیشتری میگیرد و میتواند مسیر خود را تغییر دهد.

مکانیزم عملکرد کمک گرانشی:

کمک گرانشی بر سه پایه سرعت زاویه ای، میدان گرانشی و انتقال انرژی استوار است.

انیمیشن مسیر وویجر 2 از 20 اوت 1977 تا 30 دسامبر 2000،اورانوس با زرد و نپتون با قرمز در حال چرخش هستند

سرعت زاویه ای: با کمک سرعت زاویه ای فضاپیما میتواند مسیر خود را تغییر دهد.

میدان گرانشی: با استفاده از میدان گرانشی سیارات میتواند سرعت و جهت حرکتی خود را تغییر دهد.

انتقال انرژی: انرژی از فضاپیما به سیاره منتقل میشود تا کمک گرانشی صورت گیرد.

این کمک به وسیله حرکت (تکانه زاویه‌ای مداری) سیاره و حرکت گرانش آن که موجب کشیده شدن و حرکت فضاپیما می‌شود، به وجود می‌آید.

مزایا کمک گرانشی:

• افزایش سرعت و کاهش زمان مسافرت
• کاهش مصرف سوخت

• آشکار کردن پتانسیل های جدید کیهان

معایب کمک گرانشی:

دوقولوهای وویجر ساخت ناسا به این شیوه امکان رسیدن به سرعت بالا برای گریز به خارج از منظومه خورشیدی دست یافتند.

نتایج احتمالی یک مانور کمک گرانشی بسته به بردار سرعت و موقعیت پرواز فضاپیمای ورودی

• پیچیدگی محاسباتی و مهندسی
• ریسک از دست دادن فضاپیما در نزدیکی سیارات

تبدیلات انرژی:

همانطور که میدانیم در کمک گرانشی دو نوع انرژی دخیل هستند که انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل میباشد

انرژی جنبشی: انرژی حرکتی که فضاپیما از سیاره دریافت میکند و باعث افزایش سرعت میشود.

انرژی پتانسیل: تغییر این انرژی در نزدیکی سیارات باعث تبدیل انرژی پتانسیل به انرژی حرکتی میشود و با استفاده از آن سرعت فضاپیما افزایش می یابد.

عملیات موفق:

این تکنیک برای اولین بار در یک مانور در سال ۱۹۶۱ پیشنهاد شد و سپس بر روی کاوشگر بین سیاره‌ای مارینر ۱۰ و همچنین دو پروژه وویجر مورد استفاده قرار گرفت.

فضاپیماهای وویجر در حال حاضر دورترین فضاپیماهای دنیا هستند.

نتیجه گیری:

در نهایت کمک گرانشی به عنوان یک تکنیک دگرگون کننده است که اکتشافات فضایی را متحول کرده است و به بشر اجازه میدهد تا قلمروهای جدیدی از شگفتی و پتانسیل کیهانی را آشکار کند.