Swing-by

Swing-by

Der englische Begriff Swing-by – auch Fly-by, Slingshot, Gravity-Assist (GA), Schwerkraftumlenkung, Gravitationsmanöver oder Vorbeischwungmanöver genannt – bezeichnet eine Methode der interplanetaren Raumfahrt, bei der ein relativ leichter Raumflugkörper (wie z. B. eine Raumsonde) dicht an einem massereichen Körper (etwa einem Planeten) vorbeifliegt. Dank der Gravitation des massereichen Körpers ändert sich die Flugbahn des Raumflugkörpers und wegen der Bahnbewegung des Gestirns wird der leichte Körper, solange er sich im Gravitationsfeld befindet, abgebremst oder beschleunigt. Derselbe Effekt kann auch auftreten wenn ein leichterer Himmelskörper (z.B. Komet) einen schwereren (Planet) in dessen Gravitationsfeld passiert.

Inhaltsverzeichnis

Prinzip

Fliegt die Sonde durch das Gravitationsfeld eines Planeten, so wird sie abgelenkt, wodurch ihre Flugrichtung und -geschwindigkeit verändert wird. Je nach den Bedingungen des Vorbeiflugs überträgt der Planet einen kleinen Teil Bewegungsenergie aus seinem Bahnimpuls auf die Sonde oder umgekehrt. Das heißt, je nachdem, ob die Sonde vor oder hinter dem Planeten vorbeifliegt, verringert oder erhöht sich ihre Geschwindigkeit. Da es sich um ein Dreikörperproblem handelt, sind die Bahnänderungen nicht analytisch, sondern nur numerisch zu berechnen. Im Allgemeinen kann die Bahnänderung des Planeten vernachlässigt werden, weil seine Masse sehr viel größer als die der Sonde ist.

Derselbe Effekt könnte auch auftreten wenn ein leichterer Planet einen schwereren Planeten in dessen Gravitationsfeld passiert.
Da jedoch die Masse des leichteren Planeten nicht gegenüber dem schwereren vernachlässigbar klein ist, ändert in diem Fall auch der schwerere Planet seine Sonnenumlaufbahn merklich (wenn auch weniger stark als der leichtere)[1][2].

Einfacher Erklärt

Ein Planet umkreist die Sonne auf einer Umlaufbahn. Eine Sonde die mithilfe eines Swing-Bys beschleunigen will, kommt hinter ihm her und passiert seine Umlaufbahn hinter ihm bevor sie ihn überholt. Die Anziehungskraft des Planeten wirkt auf die Sonde solange sie hinter ihm herfliegt und beschleunigt die Sonde. Dadurch wird sie auch gegenüber der Sonne schneller. Dann überholt sie den Planeten, und wird danach abgebremst. Sie ist jetzt aber schneller geworden und wird daher kürzere Zeit gebremst als zuvor beschleunigt. So bleibt am Ende eine Geschwindigkeitserhöhung übrig.

Eine Sonde die mithilfe eines Swing-Bys abbremsen will, kommt hinter dem Planeten her und fliegt an ihm vorbei indem sie seine Umlaufbahn vor dem Planeten passiert. So kommt der Planet ihr bei der dichtesten Annäherung entgegen. Dabei wird sie Sonde gegenüber der Sonne abgebremst. So bleibt eine Geschwindigkeitsreduzierung übrig selbst wenn wie oben beschrieben die Sonde bei der Plnetenannäherung schneller und beim entfernen wieder langsamer geworden ist.

Ziele

Die Geschwindigkeitsänderung kann dazu verwendet werden, um die Sonde für sonnennähere Ziele abzubremsen oder für sonnenfernere Ziele zu beschleunigen.

Die Richtungsänderung kann auch dazu verwendet werden, die Ebene der Ekliptik zu verlassen und Sonden in eine polare Umlaufbahn um die Sonne zu lenken. Auf diese Weise können Raumsonden Flugbahnen erreichen, die sonst nicht oder nur mit erheblich größerem Energieaufwand des Sondenantriebs möglich wären.

Geschichte

Das erste Swing-by-Manöver wurde 1970 während der Apollo-13-Mission durchgeführt. Die Besatzung konnte sich nach der Explosion eines Sauerstofftanks durch ein Swing-by-Manöver um den Mond wieder zurück zur Erde retten. 1973 war Mariner 10 die erste Raumsonde, die ein Swing-by-Manöver durchführte, sie wurde durch den Vorbeiflug an der Venus genügend abgebremst, um den Planeten Merkur zu erreichen. Dadurch konnte einerseits die Raumsonde mit einer (gegenüber der Titan IIIC) preiswerteren Atlas-Centaur gestartet werden und andererseits die Venus mitbesucht werden.[3] Heute nutzen nahezu alle interplanetaren Raumsonden, die den Mars oder die Venus nicht zum Endziel haben, diese Technik.

Verwendungen

Flugbahn der NASA/ESA-Raumsonde Cassini-Huygens: Nach dem Start an der Erde fliegt sie zweimal an der Venus, einmal an der Erde sowie einmal am Jupiter vorbei, bis sie durch diese Swing-by-Manöver genug kinetische Energie hat, ihr Ziel, den Saturn, zu erreichen.

Swing-bys können dazu dienen, die Flugzeiten von Sonden zu verkürzen. Voyager 1 und 2 wurden z. B. durch ein Swing-by am Saturn um rund 18 km/s beschleunigt und erreichten dadurch die dritte kosmische Geschwindigkeit. Ohne Swing-by hätte Voyager 2 mehr als doppelt so lange gebraucht, um den Neptun zu erreichen.

Häufig werden Swing-bys nicht verwendet, um die Reisezeit zu verkürzen, sondern um Raumsonden mit Trägerraketen zu starten, die für den direkten Flug zum Ziel zu schwach sind. Um dennoch zum Ziel zu kommen, muss dann die Raumsonde einen oder mehrere Swing-bys durchführen, um die nötige Geschwindigkeit zu erreichen. Dadurch wird die Flugzeit deutlich länger als bei einem direkten Flug. Meistens ist der Grund für dieses Vorgehen einfach, dass eine größere Trägerrakete teurer wäre als die längere Missionszeit. Nur manchmal, wie z. B. Cassini-Huygens, ist die Sonde so schwer, dass selbst die größte Trägerrakete nicht für einen Direktflug reicht.

Besonders beim zweiten Grund entstehen große Umwege. So wurde zum Beispiel die Sonde Cassini-Huygens auf dem Weg zum Saturn zuerst zweimal von der Venus und dann einmal von der Erde auf die nötige Geschwindigkeit gebracht.

Selten werden Swing-bys dazu genutzt, die Inklination so stark zu ändern, wie bei der Sonnensonde Ulysses, um die Ebene der Ekliptik zu verlassen.

Die nicht verwirklichte Solar Probe sollte durch einen Swing-by am Jupiter auf eine polare Sonnenumlaufbahn gebracht werden deren Perigäum sich nur drei Sonnenradien über der Sonnenoberfläche befinden sollte und dessen Apogäum sich auf der Jupiterumlaufbahn befunden hätte[4]. Sie hätte damit nicht nur die Inklination wie Ulysses stark geändet sondern währe auch extrem abgebremmst worden.

Swing-bys in Animation

Die rote Kurve im jeweils unteren Bildteil zeigt die Geschwindigkeit der Raumsonde über die Zeit.

Swing-by, um Geschwindigkeit aufzunehmen
Swing-by, um Geschwindigkeit abzubauen

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. ↑ Stefan Deiters: SONNENSYSTEM Gab es einst fünf Gasriesen?, in Astronews.com, Datum: 16. November 2011, Abgerufen. 20. November 2011
  2. ↑ Laura Hennemann: SONNENSYSTEM Der verstoßene Planet, in astronomie-heute.de, Datum: 15. November 2011, Abgerufen. 20. November 2011 der Artikel gibt als Quelle arXiv:1109.2949v1an
  3. ↑ SP-424 The Voyage of Mariner 10 – Chapter 2 (englisch) – Artikel bei NASA-History
  4. ↑ http://solarprobe.jhuapl.edu/mission/docs/SolarProbe_STDT2005.pdf Solar Probe: Report of the Science and Technology Definition Team

Literatur

  • B. Stanek: Raumfahrt Lexikon, Halwag Verlag, Bern (1983), ISBN 3-444-10288-7 Seite: 331 - 334

Weblinks

 Commons: Gravitational slingshots – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

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