Vés al contingut

Assistència gravitatòria

De la Viquipèdia, l'enciclopèdia lliure

En astronàutica s'anomena assistència gravitatòria o assistència gravitacional la maniobra destinada a emprar l'energia del camp gravitacional d'un planeta o satèl·lit natural, per obtenir una acceleració o frenada d'una sonda o nau espacial canviant la seva trajectòria.[1]

El terme que s'empra en anglès és slingshot effect, swing-by o gravity assist. Es tracta d'una tècnica molt emprada en les missions espacials a l'interior del sistema solar. Per tal d'estalviar costos (en combustible i per tant en pes que cal pujar a òrbita) es dissenyen trajectòries molt complexes que fan passar la sonda prop d'un o diversos planetes abans de dirigir-se cap al seu destí final.

Per poder aprofitar l'assistència gravitacional és necessari que els planetes que pensem sobervolar estiguin correctament alineats. Per aquest motiu aquest tipus de missions espacials tenen unes finestres de llançament molt estrictes. La missió espacial Cassini-Huygens va emprar l'assistència gravitacional sobre Venus (2 vegades), la terra i Júpiter per poder arribar a Saturn, en un viatge que va durar prop de 7 anys.

Explicació[modifica]

Animació de l'acceleració d'una sonda amb assistència gravitatòria
Animació de la deceleració d'una sonda amb assistència gravitatòria

Una assistència gravitatòria al voltant d'un planeta canvia la velocitat d'una nau espacial (en relació amb el Sol) entrant i sortint de l'esfera d'influència gravitatòria d'un planeta. La velocitat de la nau augmenta a mesura que s'acosta al planeta i disminueix a mesura que surt del planeta. Per augmentar la velocitat, la nau espacial s'acosta al planeta en la mateixa direcció en què aquest planeta està orbitant al voltant del Sol, i marxa en la direcció oposada. Per reduir la velocitat, la nau espacial s'acosta al planeta viatjant en la direcció oposada a la velocitat orbital del planeta. En ambdós tipus de maniobra la transferència d'energia en comparació amb l'energia orbital total del planeta és insignificant. La suma de les energies cinètiques d'ambdós cossos es manté constant (vegeu col·lisió elàstica). Per tant, es pot utilitzar una maniobra de fona per canviar la trajectòria i la velocitat de la nau espacial en relació amb el Sol.[2]

Una analogia terrestre propera la proporciona una pilota de tennis que rebota davant d'un tren en moviment. Es pot imaginar a l'andana d'un tren i llançant una pilota a 30 km/h cap a un tren que s'acosta a 50 km/h. El conductor del tren veu que la pilota s'acosta a 80 km/h i després marxa a 80 km/h després que la pilota reboti elàsticament a la part davantera del tren. A causa del moviment del tren, però, aquesta sortida és a 130 km/h respecte a l'andana del tren; la pilota ha afegit el doble de la velocitat del tren a la seva.[3]

Possibles resultats d'una maniobra d'assistència per gravetat en funció del vector de velocitat i de la posició de sobrevol de la nau espacial entrant

Traduint aquesta analogia a l'espai: al planeta de referència, la nau espacial té una velocitat vertical de v relativa al planeta. Després que es produeixi la fona, la nau espacial marxa en un rumb de 90 graus respecte al que va arribar. Encara tindrà una velocitat de v, però en direcció horitzontal.[4] En el marc de referència del Sol, el planeta té una velocitat horitzontal de v, i utilitzant el teorema de Pitàgores , la nau espacial té inicialment una velocitat total de √2v. Després que la nau espacial abandoni el planeta, tindrà una velocitat de v + v = 2v, guanyant aproximadament 0,6 v.[4] Aquest exemple simplificat és impossible de refinar sense detalls addicionals sobre l'òrbita, però si la nau espacial viatja en un camí que forma una hipèrbola, pot deixar el planeta en la direcció oposada sense encendre el seu motor. Aquest exemple és una de les moltes trajectòries i guanys de velocitat que pot experimentar la nau espacial.

Aquesta explicació pot semblar que viola les lleis de la conservació de l'energia i l'impuls, aparentment afegint velocitat a la nau espacial del no-res, però també s'han de tenir en compte els efectes de la nau espacial sobre el planeta per proporcionar una imatge completa de la mecànica implicada. L'impuls lineal guanyat per la nau espacial és igual en magnitud a la que perd el planeta, de manera que la nau espacial guanya velocitat i el planeta la perd. Tanmateix, l'enorme massa del planeta en comparació amb la nau espacial fa que el canvi resultant en la seva velocitat sigui insignificant, fins i tot en comparació amb la pertorbació orbital que pateixen els planetes a causa de les interaccions amb altres cossos celestes en escales de temps astronòmicament curtes. Per exemple, una tona mètrica és una massa típica per a una sonda espacial interplanetària mentre que Júpiter té una massa de gairebé 2 x 1024 tones mètriques. Per tant, una nau espacial d'una tona que passa per Júpiter teòricament farà que el planeta perdi aproximadament 5 x 10−25 km/s de velocitat orbital per cada km/s de velocitat relativa al Sol guanyada per la nau espacial. A tots els efectes pràctics, els efectes sobre el planeta es poden ignorar en el càlcul.[5]

Les representacions realistes de trobades a l'espai requereixen la consideració de tres dimensions. S'apliquen els mateixos principis que els anteriors, excepte que afegir la velocitat del planeta a la de la nau espacial requereix l'addició de vectors.

Orígens històrics[modifica]

En el seu article "Тем, кто будет читать, чтобы строить",[6] publicat el 1938 però amb data de 1918–1919,[a] Iuri Kondratiuk va suggerir que una nau espacial que viatgès entre dos planetes podria accelerar-se al principi i al final de la seva trajectòria utilitzant la gravetat de les llunes dels dos planetes. La part del seu manuscrit que considerava les ajudes de la gravetat no va rebre cap desenvolupament posterior i no es va publicar fins a la dècada de 1960.[7] Al seu document de 1925 "Проблема полета при помощи реактивных аппаратов: межпланетные полеты", Friedrich Zander va mostrar una profunda comprensió de la física darrere del concepte d'assistència gravitatòria i el seu potencial per a l'exploració interplanetària del sistema solar.[7]

L'enginyer italià Gaetano Crocco va ser el primer a calcular un viatge interplanetari tenint en compte múltiples ajudes de gravetat.[7]

La maniobra d'assistència de gravetat es va utilitzar per primera vegada l'any 1959 quan la sonda soviètica Luna 3 va fotografiar el costat més llunyà de la Lluna. La maniobra es basava en la investigació realitzada sota la direcció de Mstislav Kéldix al rus: Институт прикладной математики им. М.В.Келдыша (Institut Kéldix de matemàtica aplicada).[8][9][10][11]

El 1961, Michael Minovitch, estudiant de postgrau de la UCLA que treballava al Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA, va desenvolupar una tècnica d'assistència per gravetat, que més tard s'utilitzaria per a l'idea de Gary Flandro del Planetary Grand Tour.[12][13]

Durant l'estiu de 1964 a la NASA JPL, a Gary Flandro se li va assignar la tasca d'estudiar tècniques per explorar els planetes exteriors del sistema solar. En aquest estudi va descobrir la rara alineació dels planetes exteriors (Júpiter, Saturn, Urà i Neptú) i va concebre la missió multiplaneta Planetary Grand Tour utilitzant l'assistència de gravetat per reduir la durada de la missió de quaranta anys a menys de deu.[14]

Notes[modifica]

  1. ↑ El 1938, quan Kondratyuk va enviar el seu manuscrit "A qui ho llegeixi per construir" per a la seva publicació, va datar el manuscrit entre 1918 i 1919, tot i que era evident que el manuscrit havia estat revisat en diverses ocasions. Vegeu pàgina 49 de la NASA Technical Translation F-9285 (1 novembre 1965).

Referències[modifica]

  1. ↑ «Chapter 4: Trajectories - NASA Science» (en anglès americà). [Consulta: 1r juny 2024].
  2. ↑ «Let gravity assist you ...». ESA. [Consulta: 8 març 2023].
  3. ↑ «A Gravity Assist Primer». NASA. [Consulta: 21 juliol 2018].
  4. ↑ 4,0 4,1 «Gravity assist». The Planetary Society. [Consulta: 1r gener 2017].
  5. ↑ Johnson, R. C. (January 2003). The Slingshot Effect. Durham University. Arxivat de l'original el 2020-08-01. 
  6. ↑ El document de Kondratiuk s'inclou al llibre Mel'kumov, T. M., ed., Pionery Raketnoy Tekhniki [Pioners dels coets: papers seleccionats] (Moscou, U.S.S.R.: Institut d'Història de Ciències Naturals i Tecnologia, Acadèmia de Ciències de l'URSS, 1964).
  7. ↑ 7,0 7,1 7,2 Negri, Rodolfo Batista; Prado, Antônio Fernando Bertachini de Alme «A historical review of the theory of gravity-assists in the pre-spaceflight era». Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, vol. 42, 8, 14-07-2020. DOI: 10.1007/s40430-020-02489-x.
  8. ↑ Eneev, T.; Akim, E. «Mstislav Keldysh. Mechanics of the Space Flight» (en rus). Keldysh Institute of Applied Mathematics.
  9. ↑ Egorov, Vsevolod Alexandrovich «Specific problems of a flight to the moon». Physics-Uspekhi, vol. 63, 9, September 1957, pàg. 73–117. DOI: 10.3367/UFNr.0063.195709f.0073.
  10. ↑ Rauschenbakh, Boris V.; Ovchinnikov, Michael Yu.; McKenna-Lawlor, Susan M. P.. Essential Spaceflight Dynamics and Magnetospherics. Dordrecht, Netherlands: Kluwer Academic, 2003, p. 146–147. ISBN 0-306-48027-1. 
  11. ↑ Berger, Eric. «All Hail Luna 3, Rightful King of 1950s Space Missions». Ars Technica. [Consulta: 13 octubre 2023].
  12. ↑ «The Maths That Made Voyager Possible». BBC News, 22-10-2012.
  13. ↑ Portree, David S. F. «The Challenge of the Planets, Part Three: Gravity». Wired. 
  14. ↑ Flandro, Gary. «Fast Reconnaissance Missions to the Outer Solar System Using Energy Derived from the Gravitational Field of Jupiter». GravityAssist.com. [Consulta: 6 gener 2024].

Vegeu també[modifica]

Enllaços externs[modifica]

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Assistència gravitatòria
Obtingut de «https://ca.wikipedia.org/w/index.php?title=Assistència_gravitatòria&oldid=33589440»