Czy coś tak niewielkich rozmiarów jak sonda kosmiczna może zmienić położenie planetarnego giganta i to nawet go nie dotykając?
W 1977 r. NASA wystrzeliła dwie
bliźniacze sondy kosmiczne – Voyager 1 i 2 – które miały zbadać układy Jowisza
i Saturna. W celu zwiększenia prędkości i tym samym skrócenia lotu do
najdalszych zakątków Układu Słonecznego obie sondy skorzystały z tzw. asysty
grawitacyjnej. Sonda Voyager 1 rozpędziła się w polu grawitacyjnym najpierw
Jowisza a potem Saturna tak bardzo, że do dziś pozostaje najszybszym
obiektem zbudowanym przez człowieka. Jej prędkość ucieczki z Układu
Słonecznego przekracza 17 km/s. (Co prawda wystrzelona w 1976 roku sonda Helios-2 osiągnęła jeszcze większą prędkość, bo 70 km/s, ale po pierwsze, poruszała się w kierunku DO Słońca, a po drugie, dawno uległa zniszczeniu w jego ekstremalnie gorącym otoczeniu.)
Asysta grawitacyjna to manewr sondy kosmicznej w polu grawitacyjnym planety, zwykle mający na celu zwiększenie prędkości sondy względem Słońca kosztem prędkości planety (rysunek 1). Asysta grawitacyjna może zostać również wykorzystana do zmiany kierunku lotu lub do spowolnienia sondy.
Na rysunku 1 sonda kosmiczna porusza się względem otoczenia z prędkością v. Ponieważ planeta również porusza się z pewną prędkością, więc prędkość zbliżania się sondy do planety wynosi v + U, gdzie U to prędkość planety. W polu grawitacyjnym planety ma miejsce zmiana toru ruchu sondy, a nowa prędkość względem otoczenia wynosi v + 2U czyli jest większa o dwukrotną wartość prędkości planety. Jest to maksymalny zysk prędkości, jaki możemy uzyskać w wyniku manewru, w praktyce przyspieszenie sondy jest mniejsze ze względu na mniejszą zmianę kierunku toru ruchu. Należy także zauważyć, że prędkość sondy względem planety nie uległa zmianie i w dalszym ciągu wynosi v + U!
W przyrodzie obowiązuje zasada zachowania pędu, więc zmiana prędkości sondy kosmicznej musi być zrekompensowana zmianą prędkości planety. Ponieważ masa planety w porównaniu z masą sondy jest ogromna, oczywiste jest, że zmiana prędkości planety nie będzie duża. Ile ona wyniosła w przypadku misji Voyager? Okazuje się, że zmiana prędkości Jowisza była na tyle mała, że w jej wyniku za 5 miliardów lat pozycja planety będzie się różniła zaledwie o 1 milimetr (!) od pozycji jaką Jowisz osiągnąłby, gdyby nigdy nie wystrzelono sond Voyager.
Tekst: Piotr Michałek
Obserwatorium Astrogeodynamiczne w Borowcu
Źródła:
Carl Sagan „Błękitna kropka”, Wydawnictwo Prószyński i Spółka, Warszawa, 1996
Mechanika nieba – wykład na kierunku Astronomia UAM
Galeria zdjęć
