Swing-by

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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 die Flugrichtung der Sonde verändert, wobei auch deren Geschwindigkeit gesteigert oder gemindert werden kann. 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).

Der Swing-by-Effekt tritt auch auf, wenn ein Komet, ein Asteroid oder (wie es vermutlich in der frühen Geschichte des Sonnensystems geschah) ein leichterer Planet einen schwereren Planeten in dessen Gravitationsfeld passiert. Wenn die Masse des leichteren Planeten gegenüber dem schwereren nicht vernachlässigbar klein ist, ändert auch der schwerere Planet seine Sonnenumlaufbahn merklich.[1][2]

Prinzip[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Swing-by mit Ablenkung des Flug­körpers um 180° und 90°. Seine Geschwindig­keit relativ zum Planeten (blauer Pfeil) bleibt im Betrag gleich. Durch vektorielle Addition der Geschwindig­keit des Planeten relativ zur Sonne (gelber Pfeil) erhält man die Geschwindig­keit des Flug­körpers relativ zur Sonne (grauer Pfeil).

Fliegt eine Sonde durch das Gravitationsfeld eines Planeten, wird sie durch dessen Anziehungskraft abgelenkt und erfährt eine Geschwindigkeits­änderung in dem Bezugssystem, das zur Beschreibung der Planeten­bewegung verwendet wird. Je nachdem, ob die Sonde vor oder hinter dem Planeten seine Umlaufbahn überquert, verringert oder erhöht sich ihre Geschwindigkeit in diesem Bezugssystem. Aus Sicht des Planeten wird die Sonde nicht beschleunigt oder gebremst, sondern nur abgelenkt. Der Planet bewegt sich aber auch um die Sonne. Deshalb wurde die Geschwindigkeit der Sonde aus Sicht der Sonne verändert.

Manchmal wird gesagt (der englische Ausdruck gravity assist legt es nahe), die Schwerkraft des Planeten sei es, die der Raumsonde zusätzliche Geschwindigkeit verleihe. Das ist falsch: Die Schwerkraft wirkt während der Annäherung an den Planeten beschleunigend, danach aber in gleichem Maße bremsend. Die zusätzliche Bewegungsenergie stammt vielmehr aus der Bahnbewegung des Planeten um die Sonne.

Wirkungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Grundsätzlich ergeben sich die folgenden Wirkungen:

  • Änderung der Geschwindigkeit, z. B. für sonnennähere Ziele als die Venus, oder fernere Ziele als der Mars
  • Änderung der Flugrichtung innerhalb der Bahnebene der Ekliptik zum Anvisieren neuer Ziele
  • Änderung der Bahnebene, d. h. Verlassen der Ekliptik

Swing-by-Manöver können damit auf interplanetaren Flügen zur Einsparung von Treibstoff dienen und daher auch Kosten reduzieren. Die Reisezeit kann durch die gewonnene Geschwindigkeit verkürzt werden, infolge von Umwegen aber auch steigen. Am Zielplaneten kann mit Swing-by an einem Trabanten (Mond) die Reisegeschwindigkeit abgebaut werden, um die Sonde in eine Umlaufbahn zu bringen.

Vergleich mit Stoßvorgängen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Vereinfachend kann zur Veranschaulichung der elastische Stoß zweier Körper herangezogen werden.[3], beispielsweise der frontale Kontakt eines Tischtennisballs mit einem Tischtennis­schläger. Wenn der Tischtennis­schläger unbeweglich ruht, prallt der Ball idealisiert (also ohne Berücksichtigung von Reibung, Anstellwinkel des Schlägers etc…) mit gleicher Geschwindigkeit wieder ab. Bewegt der Spieler den Schläger dem Ball entgegen, prallt dieser (aus Sicht des Zuschauers) mit höherer Geschwindigkeit zurück; umgekehrt kann der Spieler durch „Zurücknehmen“ des Schlägers den Ball abbremsen. Aus „Sicht“ (Inertialsystem) des Schlägers prallt er stets mit gleicher Geschwindigkeit zurück, sonst wäre es kein elastischer Stoß.

Wenn sich Ball und Schläger nicht frontal treffen, muss noch die seitliche Geschwindigkeits­komponente berücksichtigt werden; ebenso ist es beim Swing-by, da die Raumsonde nicht frontal auf den Planeten trifft. Außerdem findet beim Swing-by die Wechselwirkung über einen längeren Zeitraum statt. Aber das Grundprinzip ist gleich.

Praktische Anwendung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Bedeutung der Swing-by-Manöver für die Raumfahrt wurde 1961 von Michael Minovitch entdeckt und am Jet Propulsion Laboratory untersucht.[4] 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 an einem anderen Planeten 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.

Routenplanung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Da es sich in der Realität mindestens um ein Dreikörperproblem handelt (z. B. Sonde, Planet und Sonne), sind die Bahnänderungen nicht analytisch, sondern nur numerisch genauer zu berechnen. Da der Flugwinkel und die Geschwindigkeit nach der Passage voneinander abhängen, ist der Spielraum für die Entfernung und die Position des nächsten Zielobjektes begrenzt. Bei Vorgabe mehrere Ziele und/oder Einschränkung auf eine bestimmte Anflugbahn und Geschwindigkeit beim Ziel entsteht ein Gleichungssystem, das numerisch auf Lösungen überprüft wird. Die Lösungen (Trajektorien) ergeben zumeist nur schmale Startzeitfenster in der Größenordnung von Tagen oder Wochen, die für die gleichen Missionsziele Jahre oder viele Jahrzehnte auseinander liegen können. Die Startgeschwindigkeit von der Erde und damit die Kosten der Raketen, sowie die Dauer der Mission sind ebenfalls Vorgaben oder Ergebnisse der Berechnungen.

Beispiele[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Voyager-Sonden verwendeten zielgerichtet alle Wirkungen in mehreren Swing-by-Manövern zur Erkundung der äußeren Planeten. So sparten sie Treibstoff beim Start, bzw. verkürzten die Missionszeit durch den Beschleunigungseffekt beginnend beim Jupiter. Durch die Änderung der Flugrichtung steuerten sie einen äußeren Planeten nach dem anderen an (Grand Tour). Durch das Swing-by am Saturn erreichten die Sonden die dritte kosmische Geschwindigkeit. Ohne Swing-by hätte Voyager 2 mehr als doppelt so lange gebraucht, um Neptun zu erreichen. Die Änderung der Bahnebene brachte Voyager 1 näher an den Saturnmond Titan. Mit der Ablenkung aus der Ekliptik fand sich aber nun kein anderer Himmelskörper zur Umkehr per Swing-by-Manöver.

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

Bei Mondmissionen wurden Swing-by-Manöver verwendet, um den Mond in einer Schleife zu umfliegen.[6]

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. Bei der Sonde Galileo waren es Sicherheitsgründe, und bei Cassini-Huygens war die Sonde so schwer, dass selbst die größte Trägerrakete nicht für einen Direktflug reichte.

Hierbei können große Umwege entstehen. 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. Auch die Rosetta-Mission erreichte über mehrere Swing-by-Manöver an Erde und Mars den Kometen Tschurjumow-Gerassimenko.

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 deren Aphel sich auf Höhe der Jupiterumlaufbahn befunden hätte.[7] Sie hätte damit nicht nur die Inklination wie Ulysses stark geändert, sondern wäre auch extrem abgebremst worden.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Gravitational slingshots – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
  • Michael Müller: Swing-by. Im Archiv von: Erkenntnishorizont.de.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Stefan Deiters: Sonnensystem. Gab es einst fünf Gasriesen? astronews.com, 16. November 2011, abgerufen am 16. April 2014.
  2. Laura Hennemann: Sonnensystem. Der verstoßene Planet. sterne-und-weltraum.de, 15. November 2011, abgerufen am 16. April 2014. (Der Artikel nennt als Quelle: arxiv:1109.2949)
  3. A Gravity Assist Primer. JPL/NASA, archiviert vom Original am 26. Juli 2016; abgerufen am 16. April 2014 (englisch).
  4. M. Minovitch: Gravity Assist.
  5. SP-424 Mariner Venus-Mercury Mission. Bei: History.NASA.gov.
  6. W. David Woods: How Apollo Flew to the Moon. Springer (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  7. Solar Probe: Report of the Science and Technology Definition Team. In: NASA/TM-2005212-786. NASA, September 2005, S. ES-4, 4-1, 4-2, archiviert vom Original am 11. Januar 2016; abgerufen am 28. November 2017 (PDF mit 9,5 MB, englisch).