Das Prinzip verstehen

Beginnen wir mit dem Verständnis des Mechanismus einer Schwerkraftunterstützung . Wenn sich ein Raumschiff einem Planetenkörper nähert, wird es von der Anziehungskraft des Planeten beeinflusst. Wenn Sie näher kommen, nimmt der Zug zu, und wenn das Raumschiff den Planeten passiert, nimmt der Zug ab.

Wenn Sie sich einen stationären Planeten als absoluten Bezugsrahmen vorstellen, stellen Sie sich vor, Sie werfen einen Körper in die Nähe. Der Körper wird sich darauf zu krümmen, beschleunigen, dann passieren und dann weitermachen, schließlich seine ursprüngliche Geschwindigkeit beibehalten .

Wie Sie jedoch wissen, sind Planeten nicht stationär, sondern kreisen mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von zehn Kilometern pro Sekunde um die Sonne. Daher wird jedes Raumschiff, das von der Schwerkraft des Planeten betroffen ist, auch von seiner Umlaufgeschwindigkeit beeinflusst.

Verwenden wir eine einfache Analogie.

Stellen Sie sich ein Mädchen vor auf einem Karussell. Sie sitzt mit ausgestreckter Hand auf der Kante, und das Karussell dreht sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit gegen den Uhrzeigersinn. Du wirfst einen Ball auf ihre Hand. Sie fängt es nur für eine Sekunde und lässt dann los. Es wird beobachtet, dass der Ball während dieses Prozesses beschleunigt .

In dieser Analogie war das Mädchen ein Planet, das Karussell war ihre Umlaufbahn und sie Hand war die Anziehungskraft dieses 'Planeten'. Dies ist eine stark vereinfachte Erklärung, die nur zur Erläuterung der Anweisungen dient. Wenn Sie einen Ball hinter sich werfen, während sie sich von Ihnen entfernt, beschleunigt sich der Ball.

Es ist sehr einfach, sich jetzt das Gegenteil dieser Analogie vorzustellen. Was ist, wenn du den Ball auf das Mädchen mit dem Kopf auf wirfst, während sie näher zu dir kommt? Sie können intuitiv erkennen, dass sich der Ball während dieses Vorgangs verlangsamt .

Es gibt viele andere Analogien, wie einen Tischtennisball, der auf einen Deckenventilator trifft, oder einen Skateboarder, der sich ein Auto auf einem Kreisverkehr schnappt. Das Raumschiff stiehlt im Grunde genommen den Drehimpuls des Planeten.

Sobald Sie diese Grundlagen verstanden haben, ist der Rest der Gravitationsmechanik leicht zu verstehen. Das folgende Diagramm zeigt Ihnen die Richtungsänderung, die bei einer Beschleunigungshilfe beobachtet wird.

^{Eine komplexere Darstellung wie ein Schwerkraftassistent aussieht, wenn der Planet von hinten angefahren wird. ( Wikimedia) sup>}

Auf einer (etwas) größeren Skala

Nehmen Sie für ein Beispiel aus der Praxis Cassini -Huygens (mein Lieblingsraumschiff). Cassinis Missionsplan sah folgendermaßen aus:

^{Orbitaldiagramm des Weges, den Cassini eingeschlagen hat, um schließlich zum Saturn zu gelangen ( Wikimedia) sup>}

Cassini hat insgesamt vier Vorbeiflüge durchgeführt, um an Geschwindigkeit zu gewinnen . Nach dem, was wir zuvor gelernt haben, tritt eine Beschleunigung auf, wenn wir uns einem Planeten von hinter nähern. Schauen Sie sich das obige Diagramm genauer an und Sie können sehen, dass sich alle Assists ihren jeweiligen Planeten von hinter ihnen in ihren Umlaufbahnen näherten. Dies ist das Grundprinzip der Schwerkraftunterstützung, das in der realen Welt beobachtet wird.

^{Cassinis Geschwindigkeit wird über die Zeit aufgetragen, wobei die Schwerkraftunterstützung gekennzeichnet ist. Durch die Verwendung mehrerer Assists wurden im Vergleich zu einem einfachen Hohmann-Transfer bis zu 5 km / s ∆V für die Mission eingespart. ( Wikimedia) sup>}

Ich hoffe, dies verdeutlicht das Konzept einer Gravitationshilfe für Sie. Die ersten beiden Beispiele, die Sie gegeben haben - Mond, um der Erde zu entkommen, Venus, um Jupiter zu erreichen -, ist eine Beschleunigungshilfe erforderlich, und Sie sollten sich dem Planeten von hinten nähern. Für das letzte Beispiel - von der Venus bis zum Merkur - müssen Sie das Raumschiff verlangsamen , und die Venus sollte frontal

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Einige Diagramme, um Ihnen auf möglichst klare Weise zu zeigen, wie die Schwerkraft funktioniert.

^{Die einfachste Form eines Beschleunigungsassistenten . (Mit freundlicher Genehmigung der Planetary Society) sup>}

^{Einige der möglichen Formen einer Schwerkraftunterstützung. (Mit freundlicher Genehmigung der Planetary Society) sup>}

Weiterführende Literatur:

http://www2.jpl.nasa.gov /basics/grav/primer.php

http://saturn.jpl.nasa.gov/mission/missiongravityassistprimer/

http://www.planetary.org/blogs/guest-blogs/2013/20130926-gravity-assist.html

Zuerst - um Ihre Fragen zu beantworten:

Wie sollte ein Raumschiff den Mond passieren, um die Fluchtgeschwindigkeit von der Erde zu erreichen?

Nun, für die meisten Zum Teil, wenn Sie den Mond erreicht haben, haben Sie wahrscheinlich die Fluchtgeschwindigkeit von der Erde überschritten. Der Mond bewegt sich nur mit ungefähr 1 km / s, was nicht so schnell ist. Raumfahrzeuge bewegen sich normalerweise in ein paar bis einigen zehn Kilometern pro Sekunde. Wenn sich das Raumschiff langsamer bewegt, könnte es den Mond als Schwerkraftunterstützung verwenden, aber der Mond ist in den meisten Fällen nicht großartig. Die 2 Faktoren einer Schwerkraftunterstützung sind, wie schnell die Umlaufgeschwindigkeit des Objekts ist und wie stark die Schwerkraft des Objekts ist. Die Umlaufgeschwindigkeit ist das, was das Raumschiff ausleiht, und die Schwerkraft des Planeten bewirkt, dass sich der Winkel des Raumfahrzeugs ändert. Sie benötigen beide, damit die Unterstützung funktioniert.

Wie sollte sie die Venus für eine Schleuder in Richtung Jupiter-Umlaufbahn passieren?

Dies ist etwas schwieriger, aber im Grunde genommen Das Raumschiff muss sich der Venus von hinten nähern und wenn es von hinten um die Venus fliegt (aber nahe), nimmt es an Geschwindigkeit zu (und die Venus verlangsamt sich entsprechend, aber viel weniger, weil sie weitaus massiver ist - der kombinierte Orbitalimpuls ist konserviert, aber wie der Ball, der vom Zug abprallt, beschleunigt der Zug den Ball (viel) und der Ball verlangsamt den Zug (ein wenig).

Umgekehrt, um die Venus zum Merkur hinabzusteigen ?

In diesem Fall fliegt das Schiff vor der Venus und verlangsamt sich, wenn es an der Venus vorbeifährt. Die Venus beschleunigt (ein wenig), aber seien Sie vorsichtig mit dieser. Wenn Sie langsamer werden Zu viel wirst du in die Sonne fliegen, also musste diese Art der Verlangsamung um die Venus - so wie ich es verstehe - schrittweise durchgeführt werden. Deshalb hat Messenger zwei Verlangsamungen um die Venus und zwei um Mer herum gemacht bevor es sich in der Umlaufbahn um den winzig heißen Planeten niederließ.

Aber anstatt darüber nachzudenken, spielen Sie mit der Simulation.

http://galileoandeinstein.physics.virginia.edu/more_stuff/flashlets/Slingshot.htm

1) Reset drücken2) Geschwindigkeit und Anflugwinkel einstellen.3 ) Drücken Sie Start (um Jupiter in Bewegung zu setzen) 4) Drücken Sie Schießen - um das Raumschiff abzuschießen. Haben Sie Ihre Lautsprecher nicht auf voller Lautstärke - falls Sie abstürzen.

Beobachten Sie die Geschwindigkeit des Raumschiffs als es geht um Jupiter. Kurz gesagt, wenn das Schiff bei dieser Simulation von hinten an Jupiter vorbeifliegt, gewinnt es an Geschwindigkeit, wenn es von vorne an Jupiter vorbeifliegt, verliert es an Geschwindigkeit.

Ich mag auch dieses (das in dem Link steht, den Vedant Chandra bereitgestellt hat), aber das Bild ist hilfreich.

Was den Winkel betrifft - das Abprallen vom Zug aus perfekten 90 Grad (von geradeaus) ist der größte Gewinn, da der Winkel, in dem der Ball auf den Zug trifft Die Geschwindigkeitsverstärkung nimmt ab, da die Vektoraddition so funktioniert.

Quelle (auch in Vedants Link): http://www2.jpl.nasa.gov/basics/grav/primer.php

Ich habe auch diese gefunden - die Website ist nicht auf Englisch, aber es könnte ein wenig helfen, aber nicht mit Winkeln.

und diese Erklärung könnte einen Blick wert sein: http://www.schoolphysics.co.uk/age14-16/Astronomy/text/Slingshot_ /index.html

und wenn alles andere fehlschlägt, versuchen Sie Folgendes:

Nur ein Scherz. :-)

Eine Analogie, die ich verwende, um einem echten Laien die Schwerkraftunterstützung zu erklären, ist ein Skateboarder und Busse (die Busse sind im alten Stil mit Stahlkarosserie). Der Skateboarder hat einen starken Magneten und einen Motor mit sehr wenig Kraftstoff. Die Skateboarderin kann die Richtung ändern, indem sie ihren Motor und eine bescheidene Menge Kraftstoff verwendet, oder sie kann magnetische Anziehungskraft auf die Busse ausüben, die auf den verschiedenen Strecken in der Umgebung fahren. Der Skateboarder kann den Magneten verwenden, um das Board zu einem Bus zu locken, der in eine Richtung fährt, in die er hineingezogen werden möchte. Wenn er beschleunigen möchte, steigt er hinter einen Bus, der in die richtige Richtung fährt, und wird zum Bus gezogen. ' Geschwindigkeit. Wenn sie sich dem Bus nähert, werden die magnetischen Kräfte stärker, und sie steuert einen Kurs, der sie nah genug hält, um einen Schub zu bekommen, aber weit genug entfernt, dass sie nicht in den Bus gezogen wird. An der nächstgelegenen Annäherung an den Bus zündet sie ihren Motor ein wenig an und treibt sich vom Bus weg in die Richtung, in die sie fahren möchte. Sie ist jetzt schneller als der Bus.

Selbst mit einer kleinen Menge Treibstoff kann sich der Skateboarder ziemlich gut fortbewegen. Sie kann die Richtung ändern oder langsamer fahren, solange Busse zur richtigen Zeit in die richtige Richtung fahren. Dieser Magnet zieht sie zu jedem Bus, dem sie nahe kommt. Wenn kein Bus in ihre Richtung fährt, ist sie auf einer langen, langsamen Fahrt.