Una asistencia de gravedad , maniobra de asistencia de gravedad , swing-by o, en general, una honda gravitacional en mecánica orbital , es un tipo de sobrevuelo de un vuelo espacial que utiliza el movimiento relativo (por ejemplo, la órbita alrededor del Sol ) y la gravedad de un planeta u otro objeto astronómico. alterar la trayectoria y la velocidad de una nave espacial , generalmente para ahorrar propulsor y reducir gastos.
La asistencia gravitatoria se puede utilizar para acelerar una nave espacial, es decir, aumentar o disminuir su velocidad o redirigir su trayectoria. La "asistencia" la proporciona el movimiento del cuerpo gravitante mientras tira de la nave espacial. [1] Cualquier ganancia o pérdida de energía cinética y de momento lineal por parte de una nave espacial que pasa es correspondientemente perdida o ganada por el cuerpo gravitacional, de acuerdo con la Tercera Ley de Newton . La maniobra de asistencia gravitatoria se utilizó por primera vez en 1959, cuando la sonda soviética Luna 3 fotografió la cara oculta de la Luna de la Tierra , y fue utilizada por sondas interplanetarias desde Mariner 10 en adelante, incluidos los notables sobrevuelos de Júpiter y Saturno de las dos sondas Voyager .
Una asistencia gravitacional alrededor de un planeta cambia la velocidad de una nave espacial (en relación con el Sol ) al entrar y salir de la esfera gravitacional de influencia de un planeta. La velocidad de la nave espacial aumenta a medida que se acerca al planeta y disminuye a medida que lo abandona. Para aumentar la velocidad, la nave espacial se acerca al planeta en la misma dirección en la que el planeta orbita alrededor del Sol y sale en la dirección opuesta. Para disminuir la velocidad, la nave espacial se acerca al planeta viajando en dirección opuesta a la velocidad orbital del planeta. En ambos tipos de maniobra la transferencia de energía en comparación con la energía orbital total del planeta es insignificante. La suma de las energías cinéticas de ambos cuerpos permanece constante (ver colisión elástica ). Por tanto, se puede utilizar una maniobra de tirachinas para cambiar la trayectoria y la velocidad de la nave espacial en relación con el Sol. [3]
Una estrecha analogía terrestre la proporciona una pelota de tenis que rebota en la parte delantera de un tren en movimiento. Imagínese estar parado en el andén de un tren y lanzar una pelota a 30 km/h hacia un tren que se acerca a 50 km/h. El conductor del tren ve que la pelota se acerca a 80 km/h y luego se aleja a 80 km/h después de que la pelota rebota elásticamente en la parte delantera del tren. Sin embargo, debido al movimiento del tren, esa salida se produce a 130 km/h con respecto al andén; la pelota ha sumado el doble de velocidad del tren a la suya propia. [4]
Traduciendo esta analogía al espacio: en el marco de referencia del planeta , la nave espacial tiene una velocidad vertical de v con respecto al planeta. Después de que ocurre el tirachinas, la nave espacial parte con un rumbo de 90 grados respecto al que llegó. Seguirá teniendo una velocidad de v , pero en dirección horizontal. [2] En el marco de referencia del Sol, el planeta tiene una velocidad horizontal de v, y usando el Teorema de Pitágoras, la nave espacial inicialmente tiene una velocidad total de √ 2 v . Después de que la nave espacial abandone el planeta, tendrá una velocidad de v + v = 2 v , ganando aproximadamente 0,6 v . [2]
Este ejemplo demasiado simplificado es imposible de refinar sin detalles adicionales sobre la órbita, pero si la nave espacial viaja en una trayectoria que forma una hipérbola , puede abandonar el planeta en la dirección opuesta sin encender su motor. Este ejemplo es una de las muchas trayectorias y ganancias de velocidad que puede experimentar la nave espacial.
Podría parecer que esta explicación viola la conservación de la energía y el impulso, aparentemente agregando velocidad a la nave espacial de la nada, pero los efectos de la nave espacial en el planeta también deben tenerse en cuenta para proporcionar una imagen completa de la mecánica involucrada. El momento lineal ganado por la nave espacial es igual en magnitud al perdido por el planeta, por lo que la nave espacial gana velocidad y el planeta pierde velocidad. Sin embargo, la enorme masa del planeta en comparación con la nave espacial hace que el cambio resultante en su velocidad sea insignificante incluso en comparación con las perturbaciones orbitales que sufren los planetas debido a las interacciones con otros cuerpos celestes en escalas de tiempo astronómicamente cortas. Por ejemplo, una tonelada métrica es la masa típica de una sonda espacial interplanetaria, mientras que Júpiter tiene una masa de casi 2 x 10 24 toneladas métricas. Por lo tanto, una nave espacial de una tonelada que pase por Júpiter, en teoría, hará que el planeta pierda aproximadamente 5 x 10 −25 km/s de velocidad orbital por cada km/s de velocidad relativa al Sol ganada por la nave espacial. A todos los efectos prácticos, los efectos sobre el planeta pueden ignorarse en el cálculo. [5]
Las representaciones realistas de encuentros en el espacio requieren la consideración de tres dimensiones. Se aplican los mismos principios anteriores, excepto que agregar la velocidad del planeta a la de la nave espacial requiere una suma de vectores como se muestra a continuación.
Debido a la reversibilidad de las órbitas , las resorteras gravitacionales también se pueden utilizar para reducir la velocidad de una nave espacial. Tanto el Mariner 10 como el MESSENGER realizaron esta maniobra para llegar a Mercurio . [ cita necesaria ]
Si se necesita más velocidad que la disponible únicamente con la asistencia de la gravedad, un cohete que se quema cerca del periapsis (aproximación planetaria más cercana) utiliza la menor cantidad de combustible. La combustión de un cohete determinado siempre proporciona el mismo cambio de velocidad ( Δv ), pero el cambio en la energía cinética es proporcional a la velocidad del vehículo en el momento de la combustión. Por tanto la máxima energía cinética se obtiene cuando la quema se produce a la máxima velocidad del vehículo (periapsis). El efecto Oberth describe esta técnica con más detalle.
En su artículo "A aquellos que leerán para construir" ( "Тем, кто будет читать, чтобы строить" ), [6] publicado en 1938 pero fechado entre 1918 y 1919, [a] Yuri Kondratyuk sugirió que una nave espacial que viajara entre dos planetas podría acelerarse al principio y al final de su trayectoria utilizando la gravedad de las lunas de los dos planetas. La parte de su manuscrito que considera las ayudas gravitatorias no recibió ningún desarrollo posterior y no se publicó hasta la década de 1960. [7] En su artículo de 1925 "Problems of Flight by Jet Propulsion: Interplanetary Flights" ( "Проблема полета при помощи реактивных аппаратов: межпланетные полеты" ), [8] Friedrich Zander mostró un profundo conocimiento de la física detrás del concepto de asistencia gravitatoria. y su potencial para la exploración interplanetaria del sistema solar. [7]
El ingeniero italiano Gaetano Crocco fue el primero en calcular un viaje interplanetario considerando múltiples asistencias gravitatorias. [7]
La maniobra de asistencia por gravedad se utilizó por primera vez en 1959, cuando la sonda soviética Luna 3 fotografió la cara oculta de la Luna. La maniobra se basó en una investigación realizada bajo la dirección de Mstislav Keldysh en el Instituto Keldysh de Matemática Aplicada . [9] [10] [11] [12]
En 1961, Michael Minovitch , estudiante graduado de UCLA que trabajó en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA, desarrolló una técnica de asistencia por gravedad, que más tarde se utilizaría para la idea del Gran Tour Planetario de Gary Flandro . [13] [14]
Durante el verano de 1964 en el JPL de la NASA, a Gary Flandro se le asignó la tarea de estudiar técnicas para explorar los planetas exteriores del sistema solar. En este estudio descubrió la rara alineación de los planetas exteriores (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno) y concibió la misión multiplanetaria Planetary Grand Tour utilizando asistencia gravitatoria para reducir la duración de la misión de cuarenta años a menos de diez. [15]
Una nave espacial que viaja desde la Tierra a un planeta interior aumentará su velocidad relativa porque cae hacia el Sol, y una nave espacial que viaja desde la Tierra a un planeta exterior disminuirá su velocidad porque se aleja del Sol.
Aunque la velocidad orbital de un planeta interior es mayor que la de la Tierra, una nave espacial que viaja a un planeta interior, incluso a la velocidad mínima necesaria para alcanzarlo, sigue siendo acelerada por la gravedad del Sol a una velocidad notablemente mayor que la velocidad orbital. de ese planeta de destino. Si el propósito de la nave espacial es sólo volar por el planeta interior, entonces normalmente no hay necesidad de reducir la velocidad de la nave espacial. Sin embargo, si la nave espacial va a ser insertada en órbita alrededor de ese planeta interior, entonces debe haber alguna manera de frenarla.
De manera similar, si bien la velocidad orbital de un planeta exterior es menor que la de la Tierra, una nave espacial que sale de la Tierra a la velocidad mínima necesaria para viajar a algún planeta exterior es frenada por la gravedad del Sol a una velocidad mucho menor que la velocidad orbital de un planeta exterior. ese planeta exterior. Por lo tanto, debe haber alguna forma de acelerar la nave espacial cuando llegue a ese planeta exterior si quiere entrar en órbita a su alrededor.
Sin duda, los motores de cohetes se pueden utilizar para aumentar y disminuir la velocidad de la nave espacial. Sin embargo, el empuje del cohete requiere propulsor, el propulsor tiene masa e incluso un pequeño cambio en la velocidad (conocido como Δ v o "delta- v ", el símbolo delta se usa para representar un cambio y "v" significa velocidad ) se traduce en un Se necesita mucho mayor propulsor para escapar bien de la gravedad de la Tierra . Esto se debe a que los motores de etapa primaria no sólo deben levantar el propulsor adicional, sino que también deben levantar el propulsor adicional más allá de lo necesario para levantar ese propulsor adicional. El requisito de masa de despegue aumenta exponencialmente con un aumento en el delta- v requerido de la nave espacial.
Debido a que se necesita combustible adicional para transportar combustible al espacio, las misiones espaciales se diseñan con un "presupuesto" de propulsor ajustado, conocido como " presupuesto delta-v ". El presupuesto delta-v es, en efecto, el propulsor total que estará disponible después de abandonar la Tierra, para acelerar, desacelerar, estabilizar contra golpes externos (por partículas u otros efectos externos) o cambios de dirección, si no puede adquirir más propulsor. . Toda la misión debe planificarse dentro de esa capacidad. Por lo tanto, los métodos de cambio de velocidad y dirección que no requieren quemar combustible son ventajosos, porque permiten una capacidad de maniobra adicional y una mejora del rumbo, sin gastar combustible de la cantidad limitada que se ha llevado al espacio. Las maniobras de asistencia por gravedad pueden cambiar en gran medida la velocidad de una nave espacial sin gastar propulsor, y pueden ahorrar cantidades importantes de propulsor, por lo que son una técnica muy común para ahorrar combustible.
El principal límite práctico para el uso de una maniobra de asistencia gravitacional es que los planetas y otras masas grandes rara vez se encuentran en los lugares correctos para permitir un viaje a un destino particular. Por ejemplo, las misiones Voyager que comenzaron a finales de los años 1970 fueron posibles gracias a la alineación del " Gran Tour " de Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Un alineamiento similar no volverá a ocurrir hasta mediados del siglo XXII. Se trata de un caso extremo, pero incluso en misiones menos ambiciosas hay años en los que los planetas se encuentran dispersos en partes inadecuadas de sus órbitas. [ cita necesaria ]
Otra limitación es la atmósfera, si la hay, del planeta disponible. Cuanto más se acerque la nave espacial, más rápida será su velocidad de periapsis a medida que la gravedad acelera la nave espacial, lo que permitirá obtener más energía cinética de la combustión del cohete. Sin embargo, si una nave espacial se adentra demasiado en la atmósfera, la energía perdida por arrastre puede exceder la obtenida por la gravedad del planeta. Por otro lado, la atmósfera se puede aprovechar para realizar el aerofrenado . También ha habido propuestas teóricas para utilizar la sustentación aerodinámica mientras la nave espacial vuela a través de la atmósfera. Esta maniobra, llamada asistencia de aerogravedad , podría doblar la trayectoria en un ángulo mayor que el de la gravedad sola y, por lo tanto, aumentar la ganancia de energía. [ cita necesaria ]
Incluso en el caso de un cuerpo sin aire, existe un límite en cuanto a la distancia a la que puede acercarse una nave espacial. La magnitud del cambio alcanzable en la velocidad depende de la velocidad de aproximación de la nave espacial y de la velocidad de escape del planeta en el punto de máxima aproximación (limitado por la superficie o la atmósfera ) .
Los tirachinas interplanetarios utilizando el propio Sol no son posibles porque el Sol está en reposo en relación con el Sistema Solar en su conjunto. Sin embargo, empujar cuando está cerca del Sol tiene el mismo efecto que el tirachinas motorizado descrito como efecto Oberth . Esto tiene el potencial de magnificar enormemente el poder de empuje de una nave espacial, pero está limitado por la capacidad de la nave para resistir el calor. [ cita necesaria ]
Un agujero negro en rotación podría proporcionar asistencia adicional si su eje de giro está alineado de la manera correcta. La relatividad general predice que una gran masa giratoria produce un arrastre de marco : cerca del objeto, el espacio mismo es arrastrado en la dirección del giro. Cualquier objeto giratorio ordinario produce este efecto. Aunque los intentos de medir el arrastre de cuadros alrededor del Sol no han producido evidencia clara, los experimentos realizados por Gravity Probe B han detectado efectos de arrastre de cuadros causados por la Tierra. [16] La relatividad general predice que un agujero negro que gira está rodeado por una región del espacio, llamada ergosfera , dentro de la cual permanecer quieto (con respecto al giro del agujero negro) es imposible, porque el espacio mismo es arrastrado a la velocidad de la luz en la misma dirección que el giro del agujero negro. El proceso de Penrose puede ofrecer una forma de obtener energía de la ergosfera, aunque requeriría que la nave espacial arrojara algo de "lastre" en el agujero negro, y la nave espacial habría tenido que gastar energía para transportar el "lastre" al agujero negro. . [ cita necesaria ]
La maniobra de asistencia por gravedad se intentó por primera vez en 1959 para Luna 3 , para fotografiar la cara oculta de la Luna. [17] El satélite no ganó velocidad, pero se cambió su órbita, lo que permitió la transmisión exitosa de las fotografías. [18]
La Pioneer 10 de la NASA es una sonda espacial lanzada en 1972 que completó la primera misión al planeta Júpiter . [19] A partir de entonces, Pioneer 10 se convirtió en el primero de cinco objetos artificiales en alcanzar la velocidad de escape necesaria para abandonar el Sistema Solar . En diciembre de 1973, la nave espacial Pioneer 10 fue la primera en utilizar el efecto tirachinas gravitacional para alcanzar la velocidad de escape y abandonar el Sistema Solar. [20] [21]
Pioneer 11 fue lanzado por la NASA en 1973 para estudiar el cinturón de asteroides , el entorno alrededor de Júpiter y Saturno , los vientos solares y los rayos cósmicos . [19] Fue la primera sonda en encontrar Saturno , la segunda en volar a través del cinturón de asteroides y la segunda en volar por Júpiter . Para llegar a Saturno, la nave espacial recibió asistencia gravitatoria en Júpiter. [22] [23] [24]
La sonda Mariner 10 fue la primera nave espacial en utilizar el efecto tirachinas gravitacional para alcanzar otro planeta, pasando por Venus el 5 de febrero de 1974 en camino de convertirse en la primera nave espacial en explorar Mercurio . [25]
La Voyager 1 fue lanzada por la NASA el 5 de septiembre de 1977. Obtuvo la energía para escapar de la gravedad del Sol realizando maniobras de tirachinas alrededor de Júpiter y Saturno. [26] Habiendo operado durante 46 años, 6 meses y 9 días al 14 de marzo de 2024 UTC [actualizar] , la nave espacial aún se comunica con la Red de Espacio Profundo para recibir comandos de rutina y transmitir datos a la Tierra. La NASA y el JPL proporcionan datos de distancia y velocidad en tiempo real [27] . A una distancia de 152,2 AU (22,8 mil millones de kilómetros ; 14,1 mil millones de millas ) de la Tierra al 12 de enero de 2020, [28] es el objeto creado por el hombre más distante de la Tierra. [29]
La Voyager 2 fue lanzada por la NASA el 20 de agosto de 1977 para estudiar los planetas exteriores . Su trayectoria tardó más en llegar a Júpiter y Saturno que su nave espacial gemela, pero permitió nuevos encuentros con Urano y Neptuno . [30]
La nave espacial Galileo fue lanzada por la NASA en 1989 y en su ruta hacia Júpiter recibió tres asistencias gravitatorias, una de Venus (10 de febrero de 1990) y dos de la Tierra (8 de diciembre de 1990 y 8 de diciembre de 1992). La nave espacial llegó a Júpiter en diciembre de 1995. La asistencia gravitatoria también permitió a Galileo sobrevolar dos asteroides, 243 Ida y 951 Gaspra . [31] [32]
En 1990, la NASA lanzó la nave espacial Ulysses de la ESA para estudiar las regiones polares del Sol. Todos los planetas orbitan aproximadamente en un plano alineado con el ecuador del Sol. Así, para entrar en una órbita que pase sobre los polos del Sol, la nave espacial tendría que eliminar la velocidad que heredó de la órbita de la Tierra alrededor del Sol y ganar la velocidad necesaria para orbitar el Sol en el plano polo a polo. Se logró gracias a la asistencia gravitatoria de Júpiter el 8 de febrero de 1992. [33] [34]
La misión MESSENGER (lanzada en agosto de 2004) hizo un uso extensivo de asistencia gravitatoria para reducir su velocidad antes de orbitar Mercurio. La misión MESSENGER incluyó un sobrevuelo de la Tierra, dos sobrevuelos de Venus y tres sobrevuelos de Mercurio antes de llegar finalmente a Mercurio en marzo de 2011 con una velocidad lo suficientemente baja como para permitir la inserción en órbita con el combustible disponible. Aunque los sobrevuelos fueron principalmente maniobras orbitales, cada uno brindó la oportunidad de realizar importantes observaciones científicas. [35] [36]
La nave espacial Cassini-Huygens fue lanzada desde la Tierra el 15 de octubre de 1997, seguida de sobrevuelos asistidos por la gravedad de Venus (26 de abril de 1998 y 21 de junio de 1999), la Tierra (18 de agosto de 1999) y Júpiter (30 de diciembre de 2000). El tránsito a Saturno tardó 6,7 años, la nave espacial llegó el 1 de julio de 2004. [37] [38] Su trayectoria se denominó "la trayectoria asistida por gravedad más compleja volada hasta la fecha" en 2019. [39]
Después de entrar en órbita alrededor de Saturno, la nave espacial Cassini utilizó múltiples asistencias gravitatorias de Titán para lograr cambios significativos en la inclinación de su órbita, de modo que en lugar de permanecer casi en el plano ecuatorial, la trayectoria de vuelo de la nave espacial se inclinó muy fuera del plano de la órbita. anillos. [40] Un encuentro típico con Titán cambió la velocidad de la nave espacial en 0,75 km/s, y la nave espacial realizó 127 encuentros con Titán. Estos encuentros permitieron un recorrido orbital con una amplia gama de distancias de periapsis y apoapsis, varias alineaciones de la órbita con respecto al Sol e inclinaciones orbitales de 0° a 74°. Los múltiples sobrevuelos de Titán también permitieron a Cassini sobrevolar otras lunas, como Rea y Encelado . [ cita necesaria ]
La sonda Rosetta , lanzada en marzo de 2004, utilizó cuatro maniobras de asistencia gravitacional (incluida una a sólo 250 km de la superficie de Marte y tres asistencias desde la Tierra) para acelerar por todo el Sistema Solar interior. Esto le permitió sobrevolar los asteroides 21 Lutetia y 2867 Šteins y, finalmente, igualar la velocidad del cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko en el punto de encuentro en agosto de 2014. [41] [42]
New Horizons fue lanzado por la NASA en 2006 y llegó a Plutón en 2015. En 2007 realizó una asistencia gravitatoria en Júpiter. [43] [44]
La nave espacial Juno fue lanzada el 5 de agosto de 2011 (UTC). La trayectoria utilizó un aumento de velocidad asistido por gravedad desde la Tierra, logrado mediante un sobrevuelo a la Tierra en octubre de 2013, dos años después de su lanzamiento el 5 de agosto de 2011. [45] De esa manera, Juno cambió su órbita (y velocidad) hacia su objetivo final, Júpiter , después de sólo cinco años.
La sonda solar Parker , lanzada por la NASA en 2018, tiene previstas siete asistencias gravitatorias a Venus. Cada asistencia de gravedad acerca progresivamente la sonda solar Parker al Sol. Hasta 2022, la nave espacial ha realizado cinco de sus siete asistencias. La misión de la sonda solar Parker será la más cercana al Sol jamás realizada por una misión espacial. [46] [47] [48]
Solar Orbiter fue lanzado por la ESA en 2020. En su fase de crucero inicial, que dura hasta noviembre de 2021, Solar Orbiter realizó dos maniobras asistidas por gravedad alrededor de Venus y una alrededor de la Tierra para alterar la trayectoria de la nave, guiándola hacia las regiones más internas del Sol. Sistema. El primer paso solar cercano tendrá lugar el 26 de marzo de 2022, aproximadamente a un tercio de la distancia de la Tierra al Sol. [49]
BepiColombo es una misión conjunta de la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA) al planeta Mercurio . Fue lanzado el 20 de octubre de 2018. Utilizará la técnica de asistencia gravitatoria con la Tierra una vez, con Venus dos veces y seis veces con Mercurio . Llegará en 2025. BepiColombo lleva el nombre de Giuseppe (Bepi) Colombo , quien fue un pensador pionero en esta forma de maniobras. [50]
Lucy fue lanzada por la NASA el 16 de octubre de 2021. Obtuvo una asistencia gravitacional de la Tierra el 16 de octubre de 2022, [51] y después de un sobrevuelo del asteroide 152830 Dinkinesh del cinturón principal,obtendrá otra en 2024. [52] En 2025, pasará cerca del asteroide 52246 Donaldjohanson del cinturón principal interior . [53] En 2027, llegará a lanube troyana L 4 (el campo griego de asteroides que orbita a unos 60° por delante de Júpiter), donde volará junto a cuatro troyanos, 3548 Eurybates (con su satélite), 15094 Polymele , 11351 Leuco y 21900 Orus . [54] Después de estos sobrevuelos, Lucy regresará a la Tierra en 2031 para otra asistencia gravitatoria hacia la nube troyana L 5 (el campamento troyano que sigue unos 60° detrás de Júpiter), donde visitará eltroyano binario 617 Patroclus con su satélite Menoetius . en 2033.
A pesar del cambio de nombre, la Voyager siguió siendo en muchos sentidos el concepto Grand Tour, aunque ciertamente no la nave espacial Grand Tour (TOPS).
La Voyager 2
fue lanzada el 20 de agosto de 1977, seguida de
la Voyager 1
el 5 de septiembre de 1977. La decisión de revertir el orden de lanzamiento tuvo que ver con mantener abierta la posibilidad de realizar la misión Grand Tour a Urano, Neptuno y más allá. .
La Voyager 2
, si fuera impulsada por el máximo rendimiento del Titán-Centauro, apenas podría seguir la antigua trayectoria del Gran Tour y encontrarse con Urano.
Dos semanas después,
la Voyager 1
emprendería una trayectoria más fácil y mucho más rápida, visitando únicamente Júpiter y Saturno.
La Voyager 1
llegaría a Júpiter cuatro meses antes que la Voyager 2 y luego llegaría a Saturno nueve meses antes.
Por lo tanto, la segunda nave espacial lanzada fue
la Voyager 1
, no
la Voyager 2
.
Las dos Voyager llegarían a Saturno con nueve meses de diferencia, de modo que si
la Voyager 1
no lograba sus objetivos para Saturno, por cualquier motivo,
la Voyager 2
aún podría ser reorientada para alcanzarlos, aunque a expensas de cualquier encuentro posterior con Urano o Neptuno.
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