Assistência de gravidade - Gravity assist

Animação da Voyager 1 da trajetória de 05 setembro de 1977 a 30 de Dezembro 1981
Voyager 1 · Terra · Júpiter · Saturn · sol

Animação da Voyager 2 's trajetória de 20 de agosto de 1977 a 30 de Dezembro 2000
Voyager 2 · Terra · Júpiter · Saturn · Urano · Neptune · sol

Em mecânica orbital e engenharia aeroespacial , um estilingue gravitacional , manobra assistida por gravidade ou balanço é o uso do movimento relativo (por exemplo, órbita ao redor do Sol ) e a gravidade de um planeta ou outro objeto astronômico para alterar o caminho e a velocidade de um espaçonave , normalmente para economizar propelente e reduzir despesas.

O auxílio da gravidade pode ser usado para acelerar uma espaçonave, ou seja, para aumentar ou diminuir sua velocidade ou redirecionar seu caminho. A "assistência" é fornecida pelo movimento do corpo gravitante enquanto ele puxa a espaçonave. A manobra de auxílio da gravidade foi usada pela primeira vez em 1959, quando a sonda soviética Luna 3 fotografou o outro lado da Lua da Terra e foi usada por sondas interplanetárias da Mariner 10 em diante, incluindo os notáveis voos de Júpiter e Saturno das duas sondas Voyager .

Explicação

Encontro de exemplo.
No quadro de referência do planeta, a sonda espacial parte exatamente com a mesma velocidade com que chegou. Mas quando observada no referencial do Sistema Solar (fixado ao Sol), o benefício dessa manobra torna-se aparente. Aqui, pode-se ver como a sonda ganha velocidade aproveitando a energia da velocidade do planeta enquanto ele orbita o sol. (Se a trajetória for projetada para passar na frente do planeta em vez de atrás dele, o auxílio da gravidade pode ser usado como uma manobra de frenagem em vez de acelerar.) Porque a massa da sonda é muitas ordens de magnitude menor que a do planeta , embora o resultado na sonda seja bastante significativo, a reação de desaceleração experimentada pelo planeta, de acordo com a terceira lei de Newton , é totalmente imperceptível.

Possíveis resultados de uma manobra de auxílio à gravidade, dependendo do vetor de velocidade e da posição de passagem da espaçonave que se aproxima

Uma assistência gravitacional em torno de um planeta altera a velocidade de uma espaçonave (em relação ao Sol ) ao entrar e sair da esfera gravitacional de influência de um planeta. A velocidade da espaçonave aumenta à medida que se aproxima do planeta e diminui enquanto escapa de sua atração gravitacional (que é aproximadamente a mesma), mas como o planeta orbita o Sol, a espaçonave é afetada por esse movimento durante a manobra. Para aumentar a velocidade, a espaçonave se aproxima do planeta na direção da velocidade orbital do planeta e parte na direção oposta. Para diminuir a velocidade, a espaçonave se aproxima do planeta de uma direção distante da velocidade orbital do planeta - em ambos os tipos de manobra a transferência de energia em comparação com a energia orbital total do planeta é insignificante. A soma das energias cinéticas de ambos os corpos permanece constante (ver colisão elástica ). Uma manobra de estilingue pode, portanto, ser usada para alterar a trajetória e a velocidade da espaçonave em relação ao sol.

Uma analogia terrestre próxima é fornecida por uma bola de tênis quicando na frente de um trem em movimento. Imagine ficar em uma plataforma de trem e jogar uma bola a 30 km / h em direção a um trem que se aproxima a 50 km / h. O maquinista do trem vê a bola se aproximando a 80 km / he partir a 80 km / h depois que a bola quica elasticamente para fora da frente do trem. Devido ao movimento do trem, no entanto, essa partida é a 130 km / h em relação à plataforma do trem; a bola adicionou o dobro da velocidade do trem à sua própria.

Traduzindo essa analogia para o espaço: no referencial do planeta , a espaçonave tem uma velocidade vertical de v em relação ao planeta. Depois que o estilingue ocorre, a nave está partindo em um curso de 90 graus em relação ao qual chegou. Ele ainda terá uma velocidade de v , mas na direção horizontal. No referencial do Sol, o planeta tem uma velocidade horizontal de ve, usando o Teorema de Pitágoras, a espaçonave inicialmente tem uma velocidade total de √ 2 v . Depois que a espaçonave deixar o planeta, ela terá uma velocidade de v + v = 2 v , ganhando cerca de 0,6 v .

Este exemplo simplificado é impossível de refinar sem detalhes adicionais sobre a órbita, mas se a espaçonave viajar em um caminho que forma uma hipérbole , ela pode deixar o planeta na direção oposta sem ligar o motor. Este exemplo também é uma das muitas trajetórias e ganhos de velocidade que a espaçonave pode ter.

Esta explicação pode parecer violar a conservação de energia e momentum, aparentemente adicionando velocidade à espaçonave do nada, mas os efeitos da espaçonave no planeta também devem ser levados em consideração para fornecer uma imagem completa da mecânica envolvida. O momento linear ganho pela espaçonave é igual em magnitude ao perdido pelo planeta, então a espaçonave ganha velocidade e o planeta perde velocidade. No entanto, a enorme massa do planeta em comparação com a espaçonave torna a mudança resultante em sua velocidade insignificante, mesmo quando comparada às perturbações orbitais que os planetas sofrem devido às interações com outros corpos celestes em escalas de tempo astronomicamente curtas. Por exemplo, uma tonelada métrica é uma massa típico para uma sonda de espaço interplanetário enquanto que Júpiter tem uma massa de cerca de 2 x 10 ²⁴ toneladas métricas. Portanto, uma espaçonave de uma tonelada passando por Júpiter teoricamente fará com que o planeta perca aproximadamente 5 x ^10-25 km / s de velocidade orbital para cada km / s de velocidade em relação ao Sol ganho pela espaçonave. Para todos os efeitos práticos, uma vez que os efeitos no planeta são tão leves (porque os planetas são muito mais massivos do que as espaçonaves), eles podem ser ignorados no cálculo.

Retratos realistas de encontros no espaço requerem a consideração de três dimensões. Os mesmos princípios se aplicam, apenas adicionando a velocidade do planeta à da espaçonave requer adição de vetor , como mostrado abaixo.

Esquema bidimensional do estilingue gravitacional. As setas mostram a direção na qual a nave está viajando antes e depois do encontro. O comprimento das setas mostra a velocidade da espaçonave.

Tocar mídia

Uma visão do MESSENGER, uma vez que usa a Terra como um estilingue gravitacional para desacelerar e permitir a inserção em uma órbita ao redor de Mercúrio

Devido à reversibilidade das órbitas , os estilingues gravitacionais também podem ser usados para reduzir a velocidade de uma nave espacial. Tanto o Mariner 10 quanto o MESSENGER realizaram esta manobra para chegar a Mercúrio .

Se for necessária ainda mais velocidade do que a disponível apenas com a ajuda da gravidade, a maneira mais econômica de usar uma queima de foguete é fazê-la perto do periapsia (abordagem mais próxima). Uma dada queima de foguete sempre fornece a mesma mudança na velocidade ( Δv ), mas a mudança na energia cinética é proporcional à velocidade do veículo no momento da queima. Portanto, para obter o máximo de energia cinética da queima, a queima deve ocorrer na velocidade máxima do veículo, no periapsia. O efeito Oberth descreve essa técnica com mais detalhes.

Derivação

As fórmulas para a assistência gravitacional podem ser derivadas das fórmulas familiares para uma colisão elástica . Tanto o momento quanto a energia cinética são conservados, portanto, para corpos com massas e , e velocidades e antes da colisão e e após a colisão. O momento antes e depois da colisão é expresso por: ${\ displaystyle m_ {1}}$ ${\ displaystyle m_ {2}}$ ${\ displaystyle u_ {1}}$ ${\ displaystyle u_ {2}}$ ${\ displaystyle v_ {1}}$ ${\ displaystyle v_ {2}}$

{\ displaystyle \, \! m_ {1} u_ {1} + m_ {2} u_ {2} \ = \ m_ {1} v_ {1} + m_ {2} v_ {2}.}

A energia cinética é expressa por:

{\ displaystyle {\ tfrac {1} {2}} m_ {1} u_ {1} ^ {2} + {\ tfrac {1} {2}} m_ {2} u_ {2} ^ {2} \ = \ {\ tfrac {1} {2}} m_ {1} v_ {1} ^ {2} + {\ tfrac {1} {2}} m_ {2} v_ {2} ^ {2}.}

Essas equações podem ser resolvidas para descobrir quando são conhecidas: ${\ displaystyle v_ {1}, v_ {2}}$ ${\ displaystyle u_ {1}, u_ {2}}$

{\ displaystyle {\ begin {array} {ccc} v_ {1} & = & \ displaystyle {\ frac {m_ {1} -m_ {2}} {m_ {1} + m_ {2}}} u_ {1 } + {\ frac {2m_ {2}} {m_ {1} + m_ {2}}} u_ {2} \\ v_ {2} & = & \ displaystyle {\ frac {2m_ {1}} {m_ { 1} + m_ {2}}} u_ {1} + {\ frac {m_ {2} -m_ {1}} {m_ {1} + m_ {2}}} u_ {2} \ end {array}} }

No caso de uma espaçonave passando por um planeta, a massa da espaçonave ( ) é insignificante em comparação com a de um planeta ( ) ( ), então isso se reduz a: ${\ displaystyle m_ {1}}$ ${\ displaystyle m_ {2}}$ ${\ displaystyle m_ {1} \ ll m_ {2}}$

{\ displaystyle {\ begin {array} {ccc} v_ {1} & \ approx & -u_ {1} + 2u_ {2} \\ v_ {2} & \ approx & u_ {2} \ end {array}}}

Origens históricas

Em seu artigo "Тем, кто будет читать, чтобы строить" (para aqueles que estarão lendo [este artigo] a fim de construir [um foguete interplanetário]), publicado em 1938, mas datado de 1918-1919, Yuri Kondratyuk sugeriu que uma nave espacial viajar entre dois planetas pode ser acelerado no início e no final de sua trajetória usando a gravidade das luas dos dois planetas. Esta parte de seu manuscrito considerando as assistências de gravidade não recebeu nenhum desenvolvimento posterior e não foi publicada até a década de 1960. Em seu artigo de 1925, "Проблема полета при помощи реактивных аппаратов: межпларатов: межпланетные полеты" [Problemas de voo por propulsão a jato de propulsão por gravidade: profunda compreensão de voos planetários interrichetary para a compreensão do potencial inter-rico da física de voos de Zander ], o sistema solar. Isso é ainda mais notável quando se considera que outros grandes astrodinamicistas da época, por exemplo, Guido von Pirquet e Walter Hohmann , nunca consideraram os auxiliares da gravidade.

O primeiro a calcular uma viagem interplanetária considerando múltiplas assistências de gravidade foi o engenheiro italiano Gaetano Crocco .

A manobra de assistência por gravidade foi usada pela primeira vez em 1959, quando a sonda soviética Luna 3 fotografou o outro lado da Lua da Terra. A manobra contou com pesquisas realizadas sob a direção de Mstislav Keldysh no Instituto Steklov de Matemática por, entre outros, Vsevolod Alexandrovich Egorov.

Durante o verão de 1964, no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA ( JPL ), Gary Flandro recebeu a tarefa de estudar técnicas para explorar os planetas externos do sistema solar. Neste estudo, ele descobriu o raro alinhamento dos planetas externos (Júpiter, Saturno, Urano e Netuno) e concebeu a missão multiplanetária do Grand Tour Planetário utilizando a técnica de auxílio da gravidade para reduzir a duração da missão de quarenta anos para menos de dez. anos.

Propósito

Gráfico da velocidade heliocêntrica da Voyager 2 em relação à distância do Sol, ilustrando o uso da ajuda da gravidade para acelerar a espaçonave por Júpiter, Saturno e Urano. Para observar Tritão , a Voyager 2 passou sobre o pólo norte de Netuno, resultando em uma aceleração fora do plano da eclíptica e velocidade reduzida para longe do sol.

Uma espaçonave viajando da Terra para um planeta interno aumentará sua velocidade relativa porque está caindo em direção ao Sol, e uma espaçonave viajando da Terra para um planeta externo diminuirá sua velocidade porque está deixando a vizinhança do Sol.

Embora a velocidade orbital de um planeta interno seja maior do que a da Terra, uma espaçonave viajando para um planeta interno, mesmo na velocidade mínima necessária para alcançá-lo, ainda é acelerada pela gravidade do Sol a uma velocidade notavelmente maior do que a velocidade orbital desse planeta de destino. Se o objetivo da espaçonave é apenas voar pelo planeta interno, então normalmente não há necessidade de desacelerar a espaçonave. No entanto, se a espaçonave for inserida em órbita ao redor desse planeta interno, deve haver alguma maneira de desacelerá-la.

Da mesma forma, embora a velocidade orbital de um planeta externo seja menor do que a da Terra, uma espaçonave deixando a Terra na velocidade mínima necessária para viajar para algum planeta externo é desacelerada pela gravidade do Sol para uma velocidade muito menor do que a velocidade orbital de aquele planeta exterior. Portanto, deve haver alguma maneira de acelerar a espaçonave quando ela atingir aquele planeta externo, se ela entrar em órbita ao seu redor.

Motores de foguete podem certamente ser usados para aumentar e diminuir a velocidade da espaçonave. No entanto, o empuxo do foguete leva propelente, o propelente tem massa e até mesmo uma pequena mudança na velocidade (conhecida como Δ v , ou "delta- v ", o símbolo delta sendo usado para representar uma mudança e "v" significando a velocidade ) se traduz em um exigência muito maior de propelente necessária para escapar bem da gravidade da Terra . Isso ocorre porque não apenas os motores do estágio primário devem erguer o propelente extra, eles também devem erguer o propelente extra além do que é necessário para erguer aquele propelente adicional. A exigência de massa de decolagem aumenta exponencialmente com um aumento no delta- v necessário da espaçonave.

Como combustível adicional é necessário para elevar o combustível ao espaço, as missões espaciais são projetadas com um "orçamento" de propelente apertado, conhecido como " orçamento delta-v ". O orçamento delta-v é, com efeito, o propelente total que estará disponível após deixar a terra, para acelerar, desacelerar, estabilizar contra golpes externos (por partículas ou outros efeitos externos) ou mudanças de direção, se não puder adquirir mais propelente . Toda a missão deve ser planejada dentro dessa capacidade. Portanto, métodos de mudança de velocidade e direção que não requeiram a queima de combustível são vantajosos, pois permitem capacidade extra de manobra e aprimoramento do curso, sem gastar combustível da quantidade limitada que foi transportada para o espaço. As manobras assistidas por gravidade podem alterar muito a velocidade de uma espaçonave sem gastar propelente e podem economizar quantidades significativas de propelente, portanto, são uma técnica muito comum para economizar combustível.

Limites

As trajetórias que permitiram à espaçonave dupla Voyager da NASA viajar pelos quatro planetas gigantes e atingir velocidade para escapar do Sistema Solar

O principal limite prático para o uso de uma manobra de auxílio da gravidade é que os planetas e outras grandes massas raramente estão nos lugares certos para permitir uma viagem a um destino específico. Por exemplo, as missões da Voyager que começaram no final dos anos 1970 foram possibilitadas pelo alinhamento " Grand Tour " de Júpiter, Saturno, Urano e Netuno. Um alinhamento semelhante não ocorrerá novamente até meados do século 22. Esse é um caso extremo, mas mesmo para missões menos ambiciosas, há anos em que os planetas estão espalhados em partes inadequadas de suas órbitas.

Outra limitação é a atmosfera, se houver, do planeta disponível. Quanto mais perto a espaçonave puder se aproximar, mais rápida será a velocidade do periapsia, já que a gravidade acelera a espaçonave, permitindo que mais energia cinética seja obtida com a queima de um foguete. No entanto, se uma espaçonave entrar muito fundo na atmosfera, a energia perdida para arrastar pode exceder a ganha com a gravidade do planeta. Por outro lado, a atmosfera pode ser usada para realizar a aerofrenagem . Também houve propostas teóricas para usar a sustentação aerodinâmica enquanto a espaçonave voa pela atmosfera. Essa manobra, chamada de assistência de aerogravidade , poderia dobrar a trajetória em um ângulo maior do que a gravidade sozinha e, portanto, aumentar o ganho de energia.

Mesmo no caso de um corpo sem ar, há um limite de quão perto uma espaçonave pode se aproximar. A magnitude da mudança alcançável na velocidade depende da velocidade de aproximação da espaçonave e da velocidade de escape do planeta no ponto de aproximação mais próxima (limitada pela superfície ou pela atmosfera).

Estilingues interplanetários usando o próprio Sol não são possíveis porque o Sol está em repouso em relação ao Sistema Solar como um todo. No entanto, empurrar quando perto do Sol tem o mesmo efeito que o estilingue motorizado descrito como o efeito Oberth . Isso tem o potencial de aumentar enormemente o poder de impulso de uma espaçonave, mas é limitado pela capacidade da espaçonave de resistir ao calor.

Um estilingue interestelar usando o Sol é concebível, envolvendo, por exemplo, um objeto vindo de outro lugar em nossa galáxia e balançando além do Sol para aumentar sua viagem galáctica. A energia e o momento angular viriam então da órbita do Sol em torno da Via Láctea . Esse conceito aparece com destaque no romance Rendezvous With Rama , de Arthur C. Clarke , premiado em 1972 ; sua história diz respeito a uma espaçonave interestelar que usa o Sol para realizar esse tipo de manobra e, no processo, alarma muitos humanos nervosos.

Um buraco negro em rotação pode fornecer assistência adicional, se seu eixo de rotação estiver alinhado da maneira certa. A relatividade geral prevê que uma grande massa giratória produza arrastamento de quadros - próximo ao objeto, o próprio espaço é arrastado na direção do giro. Qualquer objeto rotativo comum produz esse efeito. Embora as tentativas de medir o arrastamento de quadros em torno do Sol não tenham produzido evidências claras, os experimentos realizados pela Sonda Gravity B detectaram efeitos de arrastamento de quadros causados pela Terra. A relatividade geral prevê que um buraco negro girando é cercado por uma região do espaço, chamada ergosfera , dentro da qual ficar parado (em relação ao spin do buraco negro) é impossível, porque o próprio espaço é arrastado na velocidade da luz na mesma direção como o giro do buraco negro. O processo de Penrose pode oferecer uma maneira de ganhar energia da ergosfera, embora exija que a espaçonave despeje algum "lastro" no buraco negro, e a nave teria que gastar energia para transportar o "lastro" para o buraco negro .

Parâmetro Tisserand e assistências de gravidade

O uso de assistências de gravidade é restringido por uma quantidade conservada chamada de parâmetro Tisserand (ou invariante). Esta é uma aproximação da constante de Jacobi do problema restrito de três corpos . Considerando o caso de um cometa orbitando o Sol e os efeitos que um encontro de Júpiter teria, Félix Tisserand mostrou que

{\ displaystyle T_ {P} \ = {\ frac {a_ {J}} {a}} + 2 \ cdot {\ sqrt {{\ frac {a} {a_ {J}}} (1-e ^ {2 })}} \ cos i}

permanecerá constante (onde está o semieixo maior do cometa , sua excentricidade , sua inclinação e é o semieixo maior de Júpiter). Isso se aplica quando o cometa está suficientemente longe de Júpiter para ter elementos orbitais bem definidos e na medida em que Júpiter é muito menos massivo que o Sol e em uma órbita circular. ${\ displaystyle a \, \!}$ ${\ displaystyle e \, \!}$ ${\ displaystyle i \, \!}$ ${\ displaystyle a_ {J}}$

Essa quantidade é conservada para qualquer sistema de três objetos, um dos quais com massa desprezível e outro de massa intermediária e em órbita circular. Os exemplos são o Sol, a Terra e uma espaçonave, ou Saturno, Titã e a espaçonave Cassini (usando o semi-eixo maior do corpo perturbador em vez de ). Isso impõe uma restrição sobre como o auxílio da gravidade pode ser usado para alterar a órbita de uma espaçonave. ${\ displaystyle a_ {J}}$

O parâmetro Tisserand mudará se a espaçonave fizer uma manobra de propulsão ou auxílio da gravidade de algum quarto objeto, o que é uma das razões pelas quais muitas espaçonaves freqüentemente combinam a ajuda da gravidade da Terra e Vênus (ou Marte) ou também realizam grandes manobras no espaço profundo.

Linha do tempo de exemplos notáveis

Luna 3

A manobra de assistência por gravidade foi usada pela primeira vez em 1959, quando o Luna 3 fotografou o outro lado da Lua da Terra.

Programa pioneiro

A arquitetura da missão de Gary Flandro seria finalmente realizada no final dos anos 1970 pelas duas sondas Voyager , mas para se preparar para isso, a NASA decidiu em 1964 fazer experiências com o lançamento de um par de sondas para o Sistema Solar exterior . Um grupo de defesa chamado Outer Space Panel e presidido pelo cientista espacial americano James A. Van Allen , elaborou a justificativa científica para explorar os planetas exteriores. O Goddard Spaceflight Center da NASA elaborou uma proposta para um par de "Sondas Galácticas de Júpiter" que passariam pelo cinturão de asteróides e visitariam Júpiter. Eles deveriam ser lançados em 1972 e 1973 durante períodos favoráveis que ocorriam apenas algumas semanas a cada 13 meses. O lançamento durante outros intervalos de tempo teria sido mais caro em termos de requisitos de propelente.

Aprovado pela NASA em fevereiro de 1969, as espaçonaves gêmeas foram designadas Pioneer F e Pioneer G antes do lançamento; mais tarde, foram nomeados Pioneer 10 e Pioneer 11 . Eles faziam parte do programa Pioneer , uma série de missões espaciais não tripuladas dos Estados Unidos lançadas entre 1958 e 1978. Este modelo foi o primeiro da série a ser projetado para explorar o Sistema Solar exterior. Com base em várias propostas emitidas ao longo da década de 1960, os primeiros objetivos da missão eram explorar o meio interplanetário além da órbita de Marte, estudar o cinturão de asteróides e avaliar o possível perigo para a espaçonave viajando através do cinturão e explorar Júpiter e seu ambiente. Os objetivos do estágio de desenvolvimento posterior incluíram a sonda se aproximando de Júpiter para fornecer dados sobre o efeito que a radiação ambiental ao redor de Júpiter teria sobre os instrumentos da espaçonave.

Pioneer 10

Pioneer 10 (originalmente designada Pioneer F ) é uma sonda espacial americana , lançada em 1972 e pesando 258 kg (569 libras ), que completou a primeira missão ao planeta Júpiter . Posteriormente, o Pioneer 10 se tornou o primeiro de cinco objetos artificiais a atingir a velocidade de escape necessária para deixar o Sistema Solar . Este projeto de exploração espacial foi conduzido pelo Centro de Pesquisa Ames da NASA na Califórnia , e a sonda espacial foi fabricada pela TRW Inc.

Foi lançado em 2 de março de 1972, por um veículo descartável Atlas-Centaur do Cabo Canaveral , Flórida . Entre 15 de julho de 1972 e 15 de fevereiro de 1973, ela se tornou a primeira espaçonave a cruzar o cinturão de asteróides . A fotografia de Júpiter começou em 6 de novembro de 1973, em uma faixa de 25 milhões de quilômetros (16 milhões de milhas), e cerca de 500 imagens foram transmitidas. A abordagem mais próxima do planeta foi em 4 de dezembro de 1973 (02:26 UT), a um alcance de 130.354 quilômetros (80.998 milhas). Durante a missão, os instrumentos de bordo foram usados para estudar o cinturão de asteróides, o ambiente ao redor de Júpiter, o vento solar , os raios cósmicos e, eventualmente, os confins do Sistema Solar e a heliosfera .

As comunicações de rádio foram perdidas com a Pioneer 10 em 23 de janeiro de 2003, por causa da perda de energia elétrica para seu transmissor de rádio , com a sonda a uma distância de 12 bilhões de quilômetros (80 UA ) da Terra.

Em dezembro de 1973, a espaçonave Pioneer 10 foi a primeira a usar o efeito de estilingue gravitacional para atingir a velocidade de escape para deixar o Sistema Solar.

Pioneer 11

Pioneer 11 (também conhecido como Pioneer G ) é uma sonda espacial robótica de 260 quilogramas (570 lb) lançada pela NASA em 6 de abril de 1973 para estudar o cinturão de asteróides , o ambiente ao redor de Júpiter e Saturno , ventos solares e raios cósmicos . Foi a primeira sonda a encontrar Saturno , a segunda a voar através do cinturão de asteróides e a segunda a voar por Júpiter . Mais tarde, o Pioneer 11 se tornou o segundo de cinco objetos artificiais a atingir uma velocidade de escape que lhe permitiu deixar o Sistema Solar . Devido a restrições de energia e à vasta distância até a sonda, o último contato de rotina com a espaçonave foi em 30 de setembro de 1995, e os últimos dados de engenharia bons foram recebidos em 24 de novembro de 1995.

Mariner 10

A sonda Mariner 10 foi a primeira espaçonave a usar o efeito de estilingue gravitacional para alcançar outro planeta, passando por Vênus em 5 de fevereiro de 1974 em seu caminho para se tornar a primeira espaçonave a explorar Mercúrio .

Viajante

O trabalho de Gary Flandro foi explorado pela NASA com as missões Voyager 1 e Voyager 2 , lançadas em 1977.

Voyager 1

A Voyager 1 é uma sonda espacial que foi lançada pela NASA em 5 de setembro de 1977. Parte do programa da Voyager para estudar o Sistema Solar exterior , a Voyager 1 foi lançada 16 dias depois de sua irmã gêmea, a Voyager 2 . Ele ganhou energia para escapar completamente da gravidade do Sol, realizando manobras de estilingue ao redor de Júpiter e Saturno. Tendo operado por 44 anos, 1 mês e 6 dias em 12 de outubro de 2021 UTC [ atualização ] , a espaçonave ainda se comunica com a Deep Space Network para receber comandos de rotina e transmitir dados para a Terra. Os dados de distância e velocidade em tempo real são fornecidos pela NASA e JPL. A uma distância de 152,2 UA (22,8 bilhões de km ; 14,1 bilhões de milhas ) da Terra em 12 de janeiro de 2020, é o objeto de fabricação humana mais distante da Terra.

Os objetivos da sonda incluíam sobrevôos de Júpiter , Saturno e a maior lua de Saturno , Titã . Embora o curso da espaçonave pudesse ter sido alterado para incluir um encontro de Plutão ao abandonar o sobrevôo do Titã, a exploração da lua teve prioridade porque era conhecida por ter uma atmosfera substancial. A Voyager 1 estudou o clima, os campos magnéticos e os anéis dos dois planetas e foi a primeira sonda a fornecer imagens detalhadas de suas luas.

Como parte do programa Voyager , como sua nave irmã Voyager 2 , a nave está em uma missão estendida para localizar e estudar as regiões e limites da heliosfera externa e começar a explorar o meio interestelar . A Voyager 1 cruzou a heliopausa e entrou no espaço interestelar em 25 de agosto de 2012, tornando-se a primeira espaçonave a fazê-lo. Dois anos depois, a Voyager 1 começou a experimentar uma terceira "onda tsunami" de ejeções de massa coronal do Sol , que continuou até pelo menos 15 de dezembro de 2014, confirmando ainda mais que a sonda está de fato no espaço interestelar.

Em mais um testemunho da robustez da Voyager 1 , a equipe da Voyager testou os propulsores de manobra de correção de trajetória (TCM) da espaçonave no final de 2017 (a primeira vez que esses propulsores foram acionados desde 1980), um projeto que permite que a missão seja estendida por dois a três anos. Voyager 1 ' s missão prolongada deverá continuar até cerca de 2025, quando seus geradores termoelétricos de radioisótopos (RTGs) não vai mais fornecer energia elétrica suficiente para operar seus instrumentos científicos.

Voyager 2

A Voyager 2 é uma sonda espacial lançada pela NASA em 20 de agosto de 1977, para estudar os planetas exteriores . Como parte do programa da Voyager , foi lançada 16 dias antes de sua irmã gêmea, a Voyager 1 , em uma trajetória que demorou mais para chegar a Júpiter e Saturno, mas possibilitou novos encontros com Urano e Netuno . É a única espaçonave que visitou qualquer um desses dois planetas gigantes de gelo . A Voyager 2 foi a quarta de cinco espaçonaves a atingir a velocidade de escape Solar , o que a permitiu deixar o Sistema Solar .

Sua missão principal terminou com a exploração do sistema Neptuniano em 2 de outubro de 1989, após ter visitado o sistema Joviano em 1979, o sistema Saturno em 1981 e o sistema Uraniano em 1986. A Voyager 2 está agora em sua missão estendida de estudar Interestelar Espaço e está operando há 44 anos, 1 mês e 21 dias a partir de 12 de outubro de 2021. Ele permanece em contato por meio da NASA Deep Space Network . A manutenção da Deep Space Network criou o mais longo período de silêncio nas comunicações de saída para a sonda por um período de 8 meses. O contato foi restabelecido em 2 de novembro de 2020, quando uma série de instruções foi transmitida, posteriormente executada e retransmitida com uma mensagem de comunicação de sucesso. Em 12 de fevereiro de 2021, as comunicações completas com a sonda foram restauradas após uma grande atualização da antena que levou um ano para ser concluída. A antena de comunicação DSS 43, única responsável pelas comunicações com a sonda, está localizada em Canberra, Austrália.

Em 5 de novembro de 2018, a uma distância de 122 UA (1,83 × 10 ¹⁰ km) (cerca de 16:58 horas-luz) do Sol , movendo-se a uma velocidade de 15,341 km / s (55,230 km / h) em relação ao Sol, a Voyager 2 deixou a heliosfera e entrou no meio interestelar (ISM), uma região do espaço sideral além da influência do Sistema Solar , juntando-se à Voyager 1 que havia alcançado o meio interestelar em 2012. A Voyager 2 começou a fornecer o primeiro medições diretas da densidade e temperatura do plasma interestelar .

Galileo

Animação de Galileo 's trajetória de 19 outubro de 1989 a 30 setembro de 2003
Galileo · Júpiter · Terra · Venus · 951 Gaspra · 243 Ida

A espaçonave Galileo foi lançada pela NASA em 1989 a bordo do Ônibus Espacial Atlantis . Sua missão original foi projetada para usar uma transferência Hohmann direta . No entanto, o propulsor pretendido do Galileo , o foguete propulsor Centaur alimentado criogenicamente foi proibido como uma "carga" do ônibus espacial por questões de segurança após a perda do ônibus espacial Challenger . Com seu estágio superior de foguete sólido substituído, o IUS , que não podia fornecer tanto delta- v , Galileu não ascendeu diretamente a Júpiter, mas voou por Vênus uma vez e pela Terra duas vezes para chegar a Júpiter em dezembro de 1995.

O Galileo revisão de engenharia especulado (mas nunca foi capaz de provar conclusivamente) que este maior tempo de vôo juntamente com a luz do sol mais forte perto Venus causada lubrificante no Galileo 's antena principal falhar, forçando o uso de uma antena de backup muito menor, com uma consequente redução da taxa de dados da espaçonave.

Seu passeio subsequente pelas luas de Júpiter também usou várias manobras de estilingue com essas luas para economizar combustível e maximizar o número de encontros.

Ulisses

Animação de Ulysses ' trajetória de 6 Outubro de 1990 a 29 de junho de 2009
Ulisses · Terra · Júpiter · C / 2006 P1 · C / 1996 B2 · C / 1999 T1

Em 1990, a NASA lançou a espaçonave ESA Ulysses para estudar as regiões polares do sol. Todos os planetas orbitam aproximadamente em um plano alinhado com o equador do sol. Assim, para entrar em uma órbita passando pelos pólos do Sol, a espaçonave teria que eliminar a velocidade de 30 km / s que herdou da órbita da Terra ao redor do Sol e ganhar a velocidade necessária para orbitar o Sol no pólo-a- avião polar, tarefas que são impossíveis com os atuais sistemas de propulsão de espaçonaves , tornando essenciais as manobras de auxílio da gravidade.

Conseqüentemente, Ulisses foi enviado primeiro em direção a Júpiter com o objetivo de chegar a um ponto no espaço logo à frente e ao sul do planeta. Ao passar por Júpiter, a sonda caiu através do campo gravitacional do planeta, trocando impulso com o planeta. A manobra de auxílio à gravidade dobrou a trajetória da sonda para o norte em relação ao plano da eclíptica em uma órbita que passa sobre os pólos do sol. Ao usar essa manobra, Ulysses precisou apenas de propelente suficiente para enviá-lo a um ponto próximo a Júpiter, que está dentro da capacidade atual.

MENSAGEIRO

Animação da MESSENGER da trajetória de 3 de agosto de 2004 a 31 mar 2011
MENSAGEIRO · Terra · Mercúrio · Vênus

A missão MESSENGER (lançada em agosto de 2004) fez uso extensivo de assistências gravitacionais para diminuir sua velocidade antes de orbitar Mercúrio. A missão MESSENGER incluiu um sobrevôo da Terra, dois sobrevoos de Vênus e três sobrevoos de Mercúrio antes de finalmente chegar a Mercúrio em março de 2011 com uma velocidade baixa o suficiente para permitir a inserção em órbita com o combustível disponível. Embora os voos tenham sido principalmente manobras orbitais, cada um proporcionou uma oportunidade para observações científicas significativas.

Cassini

A espaçonave Cassini-Huygens passou por Vênus duas vezes, depois pela Terra e finalmente por Júpiter a caminho de Saturno. O trânsito de 6,7 anos foi um pouco mais longo do que os seis anos necessários para uma transferência Hohmann, mas cortou a velocidade extra (delta- v ) necessária para cerca de 2 km / s, de modo que a grande e pesada sonda Cassini foi capaz de chegar a Saturno, o que não teria sido possível em uma transferência direta mesmo com o Titan IV , o maior lançador disponível na época. Uma transferência de Hohmann para Saturno exigiria um delta- v total de 15,7 km / s (desconsiderando os poços de gravidade da própria Terra e de Saturno e desconsiderando a aerofrenagem ), o que não está dentro das capacidades dos atuais veículos de lançamento e sistemas de propulsão de espaçonaves.

Trajetória interplanetária da Cassini

Animação de Cassini 's trajetória de 15 de Outubro de 1997 a 04 de maio de 2008
Cassini – Huygens · Júpiter · Saturn · Terra · Venus · 2685 Masursky

Cassini da velocidade relativa aos dom A gravidade ajuda a formar picos à esquerda, enquanto as variações periódicas à direita são causadas pela órbita da espaçonave em torno de Saturno.

Depois de entrar em órbita ao redor de Saturno, a espaçonave Cassini usou vários assistentes de gravidade Titan para navegar por um tour orbital complexo. Um encontro típico de Titã mudou a velocidade da espaçonave em 0,75 km / s, e a espaçonave fez 127 encontros de Titã. Esses encontros possibilitaram um tour orbital com uma ampla gama de distâncias de periapsia e apoapsis, vários alinhamentos da órbita em relação ao Sol e inclinações orbitais de 0 ° a 74 °.

Rosetta

Animação de Rosetta 's trajetória de 2 Março de 2004 a 09 de setembro de 2016
Rosetta · 67P / CG · Terra · Marte · 21 Lutetia · 2867 Šteins

A sonda Rosetta , lançada em março de 2004, usou quatro manobras assistidas pela gravidade (incluindo uma a apenas 250 km da superfície de Marte) para acelerar em todo o Sistema Solar interno. Isso permitiu que ele correspondesse à velocidade do cometa 67P / Churyumov – Gerasimenko no ponto de encontro em agosto de 2014.

Juno

A espaçonave Juno foi lançada em 5 de agosto de 2011 (UTC). A trajetória usou um aumento de velocidade assistida pela gravidade da Terra , realizado por um sobrevôo da Terra em outubro de 2013, dois anos após seu lançamento em 5 de agosto de 2011. Dessa forma Juno mudou sua órbita (e velocidade) em direção ao seu objetivo final, Júpiter , após apenas cinco anos.

Animação de Juno 's trajetória desde 5 de Agosto de 2011, a 30 de julho de 2021
Juno · Terra · Marte · Júpiter

Parker Solar Probe

A missão Parker Solar Probe da NASA, lançada em 2018, usará múltiplas assistências de gravidade em Vênus para remover o momento angular da Terra da órbita para cair a uma distância de 8,5 raios solares (5,9 Gm ) do sol. A missão da Parker Solar Probe será a mais próxima do Sol por qualquer missão espacial.

BepiColombo

Animação da BepiColombo da trajetória de 20 de outubro de 2018 a 2 de Novembro 2025
BepiColombo · Terra · Venus · Mercúrio · Sun
Para uma animação mais detalhada, veja este vídeo.

O BepiColombo é uma missão conjunta da Agência Espacial Europeia (ESA) e da Agência Japonesa de Exploração Aeroespacial (JAXA) ao planeta Mercúrio . Foi lançado em 20 de outubro de 2018. Ele usará a técnica de assistência por gravidade com a Terra uma vez, com Vênus duas vezes e seis vezes com Mercúrio . BepiColombo deve o seu nome a Giuseppe (Bepi) Colombo, que foi um pensador pioneiro nesta forma de manobra.

Veja também

3753 Cruithne , um asteróide que periodicamente tem encontros de estilingue gravitacional com a Terra
Orçamento Delta- v
Transferência de baixa energia , um tipo de auxílio gravitacional em que uma espaçonave é gravitacionalmente colocada em órbita por um corpo celeste. Este método geralmente é executado no sistema Terra-Lua.
Fricção dinâmica
Anomalia Flyby , um aumento delta- v anômalo durante a gravidade auxilia
Buraco de fechadura gravitacional
Rede de Transporte Interplanetário
problema de n- corpo
New Horizons , uma missão assistida por gravidade (passando por Júpiter) que atingiu Plutão em 14 de julho de 2015
Pioneer 10
Pioneer 11 , uma missão assistida por gravidade (passando por Júpiter em 12 de março de 1974) para chegar a Saturno em 1979
Pioneer H , primeira missão Out-Of-The-Ecliptic (OOE) proposta, para observações de Júpiter e solares (Sol)
STEREO , uma missão assistida por gravidade que usou a Lua da Terra para ejetar duas naves espaciais em órbita da Terra para heliocêntrica órbita

Referências

links externos

Noções básicas de vôo espacial: A Gravity Assist Primer em NASA.gov
Vôo espacial e nave espacial: Gravity Assist , discussão em Phy6.org
"Estilingue Gravitacional" . MathPages.com .
Experiência de queda de bola dupla
"Gravity-assist 'Slingshot', Background, princípio, aplicações, Parte 1 e 2" , em EEWorldoneline.com

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