Kütleçekimi yardımıyla hızlandırma… (Gravitational Slingshot…)

 220px-Voyager_Path.svg

Voyager 1,2 yörüngeleri. (Kaynak: Wikipedia)

“Gravitasyon  yardımıyla  manevra” (gravity assist maneuver/gravitational  slingshot/swing-by)  yörüngesel  mekanikte ve havacılık-uzay mühendisliğinde,  bir gezegenin  veya    başka  bir gök  cisminin izafi  hareketi  ve kütleçekimi  kullanılarak, bir  uzay aracının  yörüngesinin  ve  hızının  değiştirilmesinde  kullanılan  bir  yol… Bu  “yardım”  kütleçekimi  uygulayan gök  cisminin   uzay aracını  çekmesi sayesinde  uygulanır…

Bu teknik  ilk olarak, Michael  Minovitch  tarafından  1961’de  önerildi;  “Mariner 10”  ve  daha  sonraki  araçların  (özellikle  de  Voyager 1  ve  2 ) uçuşlarında uygulandı…

Bir gezegenin etrafında  gravitasyon  yardımı, gravitasyon alanına  giren  ve  bu  alanı  terkeden  uzay  aracının Güneşe  göre   vektörel hızını (velocity) değiştirir…  Uzay  aracı  gezegene yaklaşırken hızlanır  ve  gezegenden  uzaklaşırken  (gezegenin  gravitasyon  alanından  çıkarken) de aynı  miktarda yavaşlar… Gezegen  Güneşin  etrafından  dolandığından, uzay  aracı,  bu  manevrası  esnasında  gezegenin  bu  hareketinden etkilenir…  Uzay  aracı,  ivmelenmek  için gezegenin yörüngesel  hareket enerjisinin  küçük  bir  kısmını kendine  transfer  ederek, gezegenin  bu  hareketi  ile yol  alır… Yavaşlamak  için  ise, uzay  aracı gezegene ters  yönde  yaklaşır… Her iki  kütlenin  de kinetik  enerjileri toplamı sabit  kalır… Bu  sebeple, kütleçekimi  etkisiyle  manevra uzay aracının Güneşe  göre yörüngesini  ve  hızını değiştirmek  için  kullanılır…

Hareket  halindeki  bir  trenden  seken  bir  tenis  topunu  düşünelim… Saatte  50  km  hızla  yaklaşmakta  ola  bir  trene, saatte  30  km  hızla  bir  top  fırlatalım… Trenin  makinisti  bu  topun 80  km hızla  yaklaştığını  ve (elastik  bir  sekme  durumunda) yine, 80  km  hızla  uzaklaştığını  görür…!  Ancak,  istasyondaki  bir  gözlemci  bu  topun (trenin  hareket  yönünde)  130  km hızla  uzaklaştığını  görecektir…

 200px-Gravitational_slingshot.svg

“U”  (yörünge)  hızıyla  hareket eden bir  gezegen, kendisine “v”  hızıyla  yaklaşan  bir  uzay  aracını, yörünge  hareketi  yönünde  “2U+v”  hızına  hızlandırır. Parabolik  bir  yörüngede yol  alan  bir  uzay  aracı, gezegeni  roket  motorlarını ateşlemeden ters  yönde  terkedebilir  ve gezegenin  kütleçekimi  alanını  terkettiğinde  hız  kazancı  “2U”  olur… Bu  açıklama enerji  ve  momentumun  korunumu  prensibini  ihlal  ediyor  görünse  de, uzay  aracının gezegen  üzerine  (ihmal  edilebilir  seviyedeki) etkisi bu  açıklamada  dikkate alınmamıştır… 

Bir  gezegenin  kütleçekimi  vasıtasıyla  hızlandırma  etkisi, ters yönde yaklaşan  bir  uzay  aracını  yavaşlatmakta da  kullanılabilir… “Mariner 10”  ve “MESSENGER”  araçlarının  Merkür  gezegenine  ulaşmasında  bu  yavaşlatma  manevrası  kullanıldı…

Bir  uzay  aracının  hızlandırılmasında,  kütleçekimi  ile  sağlanacak  hızlandırmadan  daha  fazlasına  ihtiyaç  duyulması  durumunda, bu  ilave  hız  artışı  roket  motoru ateşlenerek  sağlanır. Ancak, roket  motorunun  en  ekonomik  şekilde  çalıştırılmasının,  aracın  gezegene  en  yakın  yaklaşma  konumunda (periapsis) iken  sağlanması  gerekir…Roket  motorunun  belirli  bir  süre  çalıştırılması hızda  daima  aynı  miktarda  artış sağlar… Ancak, kinetik  enerjideki  artış roket  motorunun  ateşlendiği andaki  hızı  ile  orantılıdır…  (Oberth  etkisi). Bu  sebeple, roket  motorunun  çalıştırılmasından  aracın  kinetik  enerjisine  maksimum  katkıyı  sağlamak  için, ateşlemenin aracın  maksimum  hıza  ulaştığı  (gezegene)  “en  yakın  konumda”  (periapsis) gerçekleştirilmesi  gerekir…

Yuri Kondatruk, 1919’da  hazırladığı, ancak 1938’de  yayımlanan  makalesinde,  iki  gezegen  arasındaki  uzay aracı  yolculuğunun bu  iki  gezegenden  ilkinin  hızlandırıcı  (ve  ikincisinin  ise  yavaşlatıcı)  olarak  kulanılması  ile, hızlandırılabileceğini  ileri  sürdü… Friedrich Zander, 1925’te  yayımlanan  makalesinde  benzer  görüşler  ileri  sürdü… Fakat  bu  her iki  makale  de  bilim  dünyasının  gözünden  kaçtı…!  Bu  gerçek  Michael Minovitch  tarafından, 1961’de  keşfedildi…

Kütleçekimi  yardımıyla  manevra,  ilk defa, Sovyet uzay aracı  “Luna 3”ün Ayın  uzak yüzünü  fotoğraflama  uçuşunda  kullanıldı…

 

220px-Voyager_2_velocity_vs_distance_from_sun.svg “Voyager 2”nin Güneşe  uzaklığına  bağlı  olarak  yörünge  hızının  (heliocentric velocity) değişimi ve  bu  değişime Jüpiter, Satürn  ve  Uranüsün  katkıları yukarıdaki  şekilde  gösterilmiştir… “Voyager 2”nin kameralarının  Neptünün   uydusu  Triton’u  fotoğraflayabilmesi  için,  araç   Neptünün   kuzey  kutbundan  geçecek bir  yörüngeye  yönlendirildi…  Bu  manevra  aracın Güneşten uzaklaşma hızını  azalttı…

Dünya-Güneş  arasında  dolanan  bir  “iç  gezegen”e  yolculuk  yapacak  bir  araç, minmum  hızla  hareket  etse  de, Güneşin  kütleçekimi  onu  hızlandırır… Bu aracın  hedefindeki  gezegenin  yörüngesine  sokulmak  istenmesi  durumunda –bir  şekilde-  frenlenmesi  gerekir…

Bu  durum, Dünya-ötesi  bir  gezegene  yolculukta  tersine  işler…  Uzay aracının hedef  gezegene  ulaşabilmesi  için,  ayrıca  hızlandırılması  gerekir…  Ancak, araç  yolculuğunun  başında, yolculuk  için  gerekli  hızdan  daha  büyük  bir  hıza  hızlandırılabilirse, hedefindeki  gezegenin  yörüngesine  girebilmesi  için,yolculuk zamanından sağlanacak   tasarrufun  yanında,   daha  az  yakıt  tüketmesi  de  gerekecektir…

Bir  uzay aracını  hızlandırmak  ve  yavaşlatmak  için  roket  motorları  kullanılabilir…Ancak, bu  yolculuk  için  ilave  yakıtın  taşınmasını  gerektirir…Bu  yakıtı  taşıyacak  bir  uyzay  aracının  Dünyanın  kütleçekiminden kurtulabilmesi  için  gerekli hız  artışını  sağlamak  üzere, çok  daha  fazla yakıt taşıması ve  bu  yakıtın  önemli  bir  kısmını  fırlatılışta  yakması  gerekecektir…

Kütleçekimi  destekli  manevra, yakıt harcamadan,  uzay  aracınn hızını değiştirebildiğinden, “hava-frenlemesi” (aerobraking)  ile  birlikte  kullanıldığında önemli  miktarda yakıt tasarrufu  da sağlar…

Merküre  gönderilen  “MESSENGER”  aracının  yavaşlatılması  için  kütleçekimi  destekli  manevra  yöntemi  kullanıldı…Ancak, Merkürün  atmosferinin yok  denecek  kadar  az  miktarda  mevcut  olması  sebebiyle, bir  uzay aracını  yörüngesine  sokabilmek  için  “hava  freni”  yöntemi  bir  seçenek  olamaz…

Dünyanın  ötesindeki  gezegenlere (ve  diğer gök  cisimlerine) ulaşabilmek  için kütleçekimi  etkisiyle  hız kazanma  yöntemi   sıkça  başvurulan  bir  yöntemdir…

Gezegenlerarası  yolculuklarda, bir  uzay  aracını  hızlandırmak  için Güneşin kütleçekiminin  kullanılması, Güneşin  Güneş  Sistemine  kıyasla  sabit  konumda  olması  sebebiyle,  mümkün değildir… Ancak, bir  aracın  Güneşe  yaklaşırken (roket  itişi  ile)  hızlandırılması (powered  slingshot)   aracın  hızlandırılmasında  avantaj  sağlarsa  da, aracın  Güneşin radyasyonuna  dayanabilecek  yeterlilikte olması  gerekir…

“Cassini”  aracı Satürn  yolculuğunda  Venüsün  kütleçekimi  desteğini  iki defa, Dünyanın  ve  Jüpiterinkini  de birer  defa   kullandı… Aracın 6.7  yıl  süren  yolculuğu  “Hohman  Transfer  Orbit”  için  gereken  altı  yıllık  yolculuk  süresinden  biraz  uzun  olsa  da, o  tarihte  mevcut  en  güçlü  roket  olan  Titan IV  ve  Hohman  Transfer Yörüngesi  ile Satürne  ulaşmak  mümkün  olamayacaktı… Kütleçekimi  yardımıyla  hızlandırma  tek  seçenekti…

 444px-Cassini_interplanet_trajectory.svg

“Cassini”  aracının  uçuş  rotası.

Yararlanılan  Kaynak:

http://en.wikipedia.org/wiki/Gravity_assist

 

Bir Cevap Yazın

Aşağıya bilgilerinizi girin veya oturum açmak için bir simgeye tıklayın:

WordPress.com Logosu

WordPress.com hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Twitter resmi

Twitter hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Facebook fotoğrafı

Facebook hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Google+ fotoğrafı

Google+ hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Connecting to %s