Swing-by

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Schema eines beschleunigenden Swing-by. Der schwere Körper A bewegt sich nach oben. Nach dem Vorbeiflug liegen die Zeitmarken deutlich weiter auseinander als vor der Beschleunigung durch den Planeten.

Der englische Begriff Swing-by – auch Slingshot, Gravity-Assist (GA), Schwerkraftumlenkung, Gravitationsmanöver oder Vorbeischwungmanöver genannt – bezeichnet eine Methode der Raumfahrt, bei der ein relativ leichter Raumflugkörper (etwa eine Raumsonde) dicht an einem sehr viel größeren Körper (etwa einem Planeten) vorbeifliegt. Bei dieser Variante eines Vorbeiflugs wird jedenfalls die Richtung der Sonde verändert. Im Allgemeinen wird auch deren Geschwindigkeit gesteigert oder gemindert. Die Bahn des Planeten wird wegen seiner deutlich größeren Masse nicht merklich verändert.

Swing-by-Manöver können auf interplanetaren Flügen zur Einsparung von Treibstoff dienen. Die Reisezeit kann durch die gewonnene Geschwindigkeit verkürzt werden, infolge von Umwegen aber auch steigen. Am Zielplaneten kann mit Swing-by an einem Begleiter (Mond) die Reisegeschwindigkeit abgebaut werden, um die Sonde in eine Umlaufbahn zu bringen. Bei Mondmissionen wurden Swing-by-Manöver verwendet, um den Mond in einer Schleife zu umfliegen.[1]

Die Energie und der Impuls für die Änderungen in der Geschwindigkeit der Sonde stammen aus Energie und Impuls des Planeten. Für die Änderung der Geschwindigkeit der Sonde gelten - aus großer Entfernung gesehen - die Gesetze eines elastischen Stoßes.[2]

Als grobe Veranschaulichung kann die Begegnung eines Tennisballs (Sonde) mit einem Tennisschläger (Planet) dienen. Aus Sicht des bewegten Schlägers finden der Hinflug und Wegflug des Balls mit gleicher Relativ-Geschwindigkeit statt. Aus Sicht eines Zuschauers ändert der Schläger die Richtung und meist auch die Geschwindigkeit des Balls.

Prinzip[Bearbeiten]

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 seiner Bewegungsenergie auf die Sonde oder umgekehrt. Das heißt, je nachdem, ob die Sonde vor oder hinter dem Planeten vorbeifliegt, verringert oder erhöht sich ihre Geschwindigkeit in dem Bezugssystem, in dem sich der Planet bewegt. 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 oder ein Asteroid einen schwereren Planeten in dessen Gravitationsfeld passiert. Da jedoch die Masse des leichteren Planeten gegenüber dem schwereren nicht vernachlässigbar klein ist, ändert in diesem Fall auch der schwerere Planet seine Sonnenumlaufbahn merklich (wenn auch weniger stark als der leichtere).[3][4]

Ein Swing-by stellt eine spezielle Art eines Vorbeifluges dar.

Beispiele[Bearbeiten]

Ein Planet umkreist die Sonne auf einer Umlaufbahn. Eine Sonde, die mithilfe eines Swing-bys beschleunigt werden soll, nähert sich von hinten dem Planeten und passiert seine Umlaufbahn hinter ihm, bevor sie ihn überholt. Solange die Sonde hinter dem Planeten herfliegt, wirkt dessen Anziehungskraft auf sie beschleunigend. Dadurch wird sie auch gegenüber der Sonne schneller. Dann überholt sie den Planeten und wird daraufhin durch ihn abgebremst. In Bezug auf den Planeten ist die Geschwindigkeitsänderung symmetrisch, in Bezug auf die Sonne transformieren sich die Geschwindigkeiten aber unterschiedlich, da gleichzeitig eine Umlenkung stattfindet. So bleibt am Ende eine Geschwindigkeitserhöhung übrig.

Eine Sonde, die mithilfe eines Swing-bys abgebremst werden soll, nähert sich von hinten dem Planeten und fliegt an ihm vorbei, indem sie seine Umlaufbahn vor ihm passiert. So kommt ihr der Planet bei der dichtesten Annäherung entgegen. Dabei wird die Sonde gegenüber der Sonne abgebremst. So bleibt eine Geschwindigkeitsreduzierung übrig, selbst wenn – wie oben beschrieben – die Sonde bei der Planetenannäherung schneller und beim Entfernen wieder langsamer geworden ist.

In gleicher Weise ist der Wechsel der Bahnebene möglich.

Ziele[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

Die mathematischen Grundlagen wurden 1961 von Michael Minovitch geschaffen. 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. Im Februar 1974 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 und andererseits die Venus mitbesucht werden.[5] Heute nutzen nahezu alle interplanetaren Raumsonden, die nicht den Mars oder die Venus zum Endziel haben, diese Technik.

Verwendungen[Bearbeiten]

Flugbahn der NASA/ESA-Raumsonde Cassini-Huygens: Nach dem Start an der Erde flog sie zweimal an der Venus, einmal an der Erde sowie einmal am Jupiter vorbei, bis sie durch diese Swing-by-Manöver genug kinetische Energie hatte, 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, 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 Perihel sich nur drei Sonnenradien über der Sonnenoberfläche befinden sollte und dessen Aphel sich auf Höhe der Jupiterumlaufbahn befunden hätte.[6] Sie hätte damit nicht nur die Inklination wie Ulysses stark geändert, sondern wäre auch extrem abgebremst worden.

Ein Swing-By-Manöver kann auch mit einer Triebwerkszündung kombiniert werden. Bei sehr nahen Vorbeiflügen kann unter Umständen eine deutlich höhere Effizienz des Treibstoffs erreicht werden (siehe Oberth Effect).

Swing-bys in Animation[Bearbeiten]

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

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

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

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Gravitational slingshots – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
  • Artikel von Michael Müller, im Archiv von Erkenntnishorizont zum Thema: Swing-by

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  W. David Woods: How Apollo Flew to the Moon. Springer (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  2. A Gravity Assist Primer. JPL/NASA, abgerufen am 16. April 2014 (englisch).
  3. Stefan Deiters: Sonnensystem: Gab es einst fünf Gasriesen? astronews.com, 16. November 2011, abgerufen am 16. April 2014.
  4. Laura Hennemann: Sonnensystem: Der verstoßene Planet. sterne-und-weltraum.de, 15. November 2011, abgerufen am 16. April 2014. (Der Artikel gibt als Quelle arXiv:1109.2949v1 an.)
  5. SP-424 The Voyage of Mariner 10 – Chapter 2 (englisch) – Artikel bei NASA-History
  6. Solar Probe: Report of the Science and Technology Definition Team. In: NASA/TM—2005–212786. NASA, September 2005, S. ES-4, 4-1, 4-2, abgerufen am 18. November 2013 (PDF mit 9,5 MB, englisch).