Swing-by

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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).

Der englische Begriff Swing-by – auch Slingshot, Gravity-Assist (GA), Schwerkraftumlenkung 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]

Fliegt eine Sonde durch das Gravitationsfeld eines Planeten, wird sie durch dessen Anziehungskraft abgelenkt. Aus Sicht des Planeten behält die Sonde ihre Geschwindigkeit bei; es ändert sich nur die Richtung. Der Planet bewegt sich aber auch um die Sonne. Dadurch verringert oder erhöht sich die Geschwindigkeit der Sonde in dem Bezugssystem, das zur Beschreibung der Planeten­bewegung verwendet wird.

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. Beim Swing-by findet die Wechselwirkung über einen längeren Zeitraum statt, aber das Grundprinzip ist gleich.

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.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Geschwindigkeits­profil der Sonde Voyager 2. Erst durch Swing-by am Jupiter konnte die Flucht­geschwindig­keit aus dem Sonnen­system erreicht werden. Weiterer Geschwin­digkeits­zuwachs erfolgte an Saturn und Uranus. Am Neptun wurde die Sonde nahe an dessen Mond Triton geführt; dabei wurde Geschwin­digkeits­verlust in Kauf genommen.

Swing-by-Manöver zur Änderung der Flugrichtung fanden schon in der Frühzeit der Raumfahrt statt, so bei der Sonde Luna 3 (1959), die als erste den Mond umrundete und wieder Kurs auf die Erde nahm.[4] Auch bei Apollo 13 (1970) wurde ein Swing-by-Manöver verwendet, um den Mond in einer Schleife zu umfliegen und direkt zurückzukehren.[5] Bei der Sonnensonde Ulysses (1990) wurde ein Swing-by am Jupiter dazu genutzt, die Inklination zu ändern, um die Ebene der Ekliptik zu verlassen.

Dass man Raumsonden durch Swing-by zusätzliche Geschwindigkeit verleihen kann, entdeckte 1961 Michael Minovitch, der am Jet Propulsion Laboratory arbeitete.[6][7] Zuvor hatte es als ausgeschlossen gegolten, dass man jemals mit konventioneller Raketentechnik das äußere Sonnensystem erreichen könnte,[7][8] denn nach der Raketengrundgleichung wächst die erforderliche Startmasse des Raumfahrzeugs exponentiell mit der benötigten Endgeschwindigkeit.

Die ersten interplanetaren Sonden, die diese Technik nutzten, waren Pioneer 10 (1972: Erde → Jupiter → interstellarer Raum), Pioneer 11 (1973: Erde → Jupiter → Saturn → interstellarer Raum) und Mariner 10 (1973: Erde → VenusMerkur)[9]. Von besonderer Bedeutung wurde Swing-by für die beiden Voyager-Sonden (1977): Aufgrund einer Planetenkonstellation, wie sie nur alle 176 Jahre vorkommt, konnte Voyager 2 nacheinander die Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun besuchen und dabei, ebenso wie ihre Schwestersonde Voyager 1, die Jupiter und Saturn besuchte, die dritte kosmische Geschwindigkeit erreichen, die sie in den interstellaren Raum brachte.

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.

Mittlerweile sind Raumsonden mit immer komplizierteren Trajektorien gestartet worden: Die Jupitersonde Galileo (1989) flog an der Venus und zweimal an der Erde vorbei, die Saturnsonde Cassini-Huygens (1997) zweimal an der Venus, an der Erde und am Jupiter. Die Rosetta-Mission (2004) erreichte über mehrere Swing-by-Manöver an Erde und Mars den Kometen Tschurjumow-Gerassimenko, und die Parker Solar Probe (2018) nutzt sieben Vorbeiflüge an der Venus zum Abbremsen. Nach insgesamt neun Swing-bys an Erde, Venus und Merkur soll BepiColombo (2018) in eine Umlaufbahn um Merkur gelangen.[10]

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. Luna 3 orbit. The Planetary Society, abgerufen am 17. Dezember 2018.
  5. W. David Woods: How Apollo Flew to the Moon. Springer (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  6. M. Minovitch: Gravity Assist.
  7. a b Richard L. Dowling et al: The Effect of Gravity-Propelled Interplanetary Space Travel on the Exploration of the Solar System: Historical Survey, 1961 to 2000. (PDF) In: History of Rocketry and Astronautics, AAS History Series, Vol 28. Donald C Elder, S. 339, abgerufen am 17. Dezember 2018 (englisch).
  8. Reiner Klingholz: Marathon im All: die einzigartige Reise der Voyager 2. Ullstein, 1992, ISBN 3-548-34870-X, S. 23.
  9. SP-424 Mariner Venus-Mercury Mission. Bei: History.NASA.gov.
  10. esa: BepiColombo factsheet. Abgerufen am 2. Januar 2019 (englisch).