Asistencia gravitatoria

En astronáutica se denomina asistencia gravitatoria a la maniobra destinada a utilizar la energía del campo gravitatorio de un planeta o satélite para obtener una aceleración o frenado de la sonda cambiando su trayectoria.

[1]​ El término inglés utilizado es slingshot effect (efecto honda), swing-by (hamacarse) o gravity assist (asistencia de gravedad).

Se trata de una técnica común en las misiones espaciales destinadas al sistema solar exterior.

Para ahorrar costes en el cohete de lanzamiento se diseñan complicadas trayectorias que hacen pasar la sonda por uno o varios planetas antes de dirigirse a su destino final.

[2]​ En su ponencia "A los que leerán para construir" ("Тем, кто будет читать, чтобы строить"),[3]​ publicado en 1938 pero fechado en 1918-1919,[5]​,[6]​ Friedrich Zander demostró una profunda comprensión de la física que subyace al concepto de asistencia gravitatoria y su potencial para la exploración interplanetaria del sistema solar.

Una nave espacial que viaje de la Tierra a un planeta interior aumentará su velocidad relativa porque está cayendo hacia el Sol, y una nave espacial que viaje de la Tierra a un planeta exterior disminuirá su velocidad porque está abandonando las proximidades del Sol.

Aunque la velocidad orbital de un planeta interior es mayor que la de la Tierra, una nave espacial que viaja hacia 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 único objetivo de la nave espacial es pasar junto al planeta interior, no suele ser necesario ralentizarla.

Sin embargo, si la nave espacial se va a insertar en órbita alrededor de ese planeta interior, entonces debe haber alguna manera de reducir su velocidad.

Del mismo modo, mientras que 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 ese planeta exterior.

Por lo tanto, debe haber alguna manera de acelerar la nave espacial cuando llegue a ese planeta exterior si quiere entrar en órbita alrededor de él.

Sin embargo, el empuje de un cohete requiere propulsante, el propulsante tiene masa, e incluso un pequeño cambio en la velocidad (conocido como Δv, o "delta-v", el símbolo delta se utiliza para representar un cambio y "v" significa velocidad) se traduce en un requerimiento mucho mayor de propulsante necesario para escapar del pozo gravitatorio de la Tierra.

Esto se debe a que los motores de la etapa primaria no sólo deben elevar el propulsante adicional, sino que también deben elevar el propulsante adicional más allá del necesario para elevar ese propulsante adicional.

Dado que se necesita combustible adicional para elevar el combustible al espacio, las misiones espaciales se diseñan con un "presupuesto" de propulsante ajustado, conocido como "presupuesto delta-v".

El presupuesto delta-v es, en efecto, el total de propulsante del que se dispondrá después de abandonar la Tierra, para acelerar, frenar, estabilizarse contra las sacudidas externas (por partículas u otros efectos externos), o cambiar de dirección, si no puede adquirir más propulsante.

Toda la misión debe planificarse dentro de esa capacidad.

Si la nave espacial lleva la trayectoria correcta pasará tan cerca del planeta que entrará en una órbita circular.

Cuando entre en esta órbita, se estará moviendo a velocidad

Cuando la nave abandone la órbita se estará moviendo todavía a la misma velocidad

con respecto a la superficie del planeta, pero en la dirección opuesta, hacia la izquierda y ya que el planeta se está moviendo hacia abajo a velocidad

, la nave espacial se moverá hacia abajo a velocidad

Este ejemplo está tan simplificado que no es realista – en realidad la nave espacial tendría que encender sus motores para escapar de una órbita circular y el propósito de la asistencia gravitatoria es precisamente ganar velocidad sin quemar combustible.

Pero si la nave espacial viaja en una ruta que forme una hipérbola, dejará el planeta en la dirección opuesta sin encender sus motores, aunque la ganancia de velocidad sea un poco menos de

Podría parecer que esta explicación viola la conservación de la energía y el momento, pero hemos obviado los efectos de la nave espacial en el planeta.

Los efectos en el planeta son tan pequeños (porque los planetas son mucho más masivos que las naves espaciales) que pueden ser ignorados en el cálculo.

Tanto el momento como la energía cinética se conservan, por lo que para cuerpos con masas