iPon Cikkek

A hintamanőver ötven éve

Dátum | 2012. 12. 05.
Szerző | Jools
Csoport | EGYÉB

A Mariner-program utolsó űrszondája, a Mariner–10 1973. november 3-án hagyta el a Földet egy Atlas/Centaur rakéta hátán. A szonda megközelítette a Vénuszt, ahol felvételeket készített, majd elindult a Merkúr felé, amelyet a következő években háromszor közelített meg, közben feltérképezve a bolygó felszínének 45 százalékát. Igazán jelentős azonban a szonda attól vált, hogy ez volt első űreszköz, amely gravitációs hintamanőverrel jutott el céljához. Azóta szinte minden messzebbre indított űrszonda pályájának tervezéséhez felhasználják a bolygók gravitációs mezejét.

Bár nem lehet pontosan tudni, hogy kinek a nevéhez fűződik a módszer alapötlete, az első tudományos alaposságú elemzés szerzőjét biztosan ismerjük. 1961-ben egy végzős matematikus hallgató, Michael A. Minovitch módszeresen levezette, hogy egy megfelelő pályán elindított űrszonda jelentősebb üzemanyag-felhasználás nélkül is extra sebességre tehet szert (vagy éppen lelassulhat), ha egy másik égitest közelében halad el.

A hatvanas években még nem nagyon foglalkoztak az ötlettel a NASA-küldetések tervezése során. A bolygók gravitációs mezejét mindössze arra használták, hogy módosítsák a szonda pályáját annak következő célpontja felé. Az útba eső égitestek inkább csak gondot okoztak a mérnököknek, hiszen eltérítették az űrjárműveket precízen megtervezett pályájukról, így még több üzemanyagra volt szükség ahhoz, hogy minden a terv szerint alakuljon.


A hintamanőverről egy konkrét küldetés kapcsán először 1963‒64-ben esett szó, amikor Robert Sohn azt javasolta, hogy egy jövőbeli Marsról visszatérő űrszondát a Vénusz gravitációs terét felhasználva lassítsanak le annyira, hogy az biztonságos sebességgel léphessen be a földi légkörbe. Sohn számításai szerint egy 1975-ben visszatérő szonda esetében ezzel a módszerrel a 20,3 km/s-os beérkezési sebesség 14 km/s-ra módosítható anélkül, hogy üzemanyagot kellene pazarolni a fékezésre. A szakértő azt is részletesen leírta tanulmányában, hogy egy 1973-ban indított szonda a Vénusz közelségét kihasználva felgyorsulhatna annyira, hogy eljuthatna a Marsig, majd a visszatérés során kihasználhatná a bolygók kedvező pozícióját a lassításra, és így az épségben való landolásra. Ez a forgatókönyv azóta számos Mars-küldetés részét képezte.

Az MIT kutatója, Walter Hollister szintén ebben az időszakban kezdett foglalkozni a gravitációs hintamanőver nyújtotta lehetőségekkel. Érdeklődésének középpontjában a Nap-középpontú, úgynevezett periodikus pályák álltak, amelyeken haladva az űrhajók minimális pályamódosítások mellett gyakorlatilag bármennyi ideig körözhetnének két vagy több bolygót érintve útjuk során.

Hollister az Astronautica Acta oldalain jelentette meg az elképzeléseit részletező tanulmányt. Véleménye szerint a bolygóközi űrutazások ára a korabeli módszerekkel megoldva túlságosan magas, és ezek a küldetések túl hosszú ideig tartanak, főleg akkor, ha egy napon emberi felfedezőket is ilyen utakra kívánunk küldeni. Az űreszközök felgyorsítása hagyományos metódusokkal ugrásszerűen megnöveli a rendszer kezdeti tömegét (több üzemanyag kell), és ezzel a költségeket is. Mindkét probléma megoldható lenne viszont olyan űrhajók révén, amelyek évszázadokig használhatók maradnak. Bár a kezdeti költségek magasabbak lennének, hosszú távon rendkívüli módon megérné egy ilyen projektbe fektetni, írja a kutató, aki szerint végső soron saját bolygónk is egy óriási űrhajónak tekinthető, amely a bolygóközi űrben halad. És ennek „utasai” többnyire csak arra panaszkodnak, hogy a „jármű” túl gyorsan körbeér pályáján. Hollister tehát azt javasolta, hogy az emberiség tartós, hosszú távon lakható űrhajókat építsen, amelyek aztán több naprendszerbeli bolygót útba ejtve egy végtelenített pályán keringenek a Nap körül. 

A Mars bevonása egy ilyen periodikus pályába azért nehéz, fejtette ki a kutató, mert tömege mindössze 10 százaléka a Földének, vagyis az elhaladó űrhajónak nagyon erősen meg kell közelítenie a vörös bolygót ahhoz, hogy annak gravitációja kellő mértékben módosítsa pályáját és sebességét. Ehelyett a Vénuszt szemelte ki az első lehetséges célpontnak, és meg is tervezte a „Föld‒Vénusz-járat” pontos útvonalát. Az űrhajó egy teljes periódus során 4,2-szer kerülné meg a Napot, mialatt a Föld 3,2-szer, a Vénusz pedig 5,2-szer ér körbe pályáján. A Földtől 16 ezer, a Vénusztól 8400 kilométerre haladna el a jármű a bolygók gravitációs terének optimális kihasználása érdekében.

Egy teljes „kör” részletesebben úgy néz ki, hogy a Vénusz mellett elhaladva az űrhajó a Vénusz keringési idejével megegyező, de annak pályasíkjához képest ferde pályára áll a Nap körül. Amikor egy fél vénuszi év múlva az űreszköz ismét találkozik a bolygóval, az előbbi egy gravitációs hintamanőverrel a Vénusz keringési idejével ismét egyező, de ezúttal elliptikus pályára állítja magát központi csillagunk körül. Fél vénuszi év elteltével egy újabb találkozás és egy újabb hintamanőver után ismét ferde körpályára áll át az űrhajó. A következő randevúnál (ismét fél vénuszi év elteltével) a Föld ideális pozícióba kerül a „váltáshoz”, így egy hintamanőverrel ezúttal a Föld felé irányítja útját az űrhajó.

A Földet megközelítve aztán egy hintamanőverrel a Földdel azonos periódusidejű, ferde Nap körüli pályára áll az űrhajó, amit hat hónap múlva egy újabb hasonló manőver követ, amely visszairányítja az űreszközt a Vénusz felé, majd az egész kezdődik elölről. Hollister tervezetében két űrhajó járta volna folyamatosan a fent leírt pályát, és a „menetrendszerű” járatokon kisebb űreszközökkel dokkolva oldották volna meg a személyzet cseréjét, illetve az utánpótlás biztosítását.

Egy potenciális űrkolónia fantáziarajza 1976-ból
Hollister 1967-ben nyújtotta be tanulmányát, de az csak 1969 áprilisában jelent meg. Ez a késedelem azt eredményezte, hogy a közvélemény először Minovitch hasonló tervezetével ismerkedett meg. A matematikus egy 1967 májusában tartott konferencián beszélt először az általa Bolygóközi Közlekedési Hálózatnak nevezett elképzelésről, amelyben gigantikus űrhajók ingáznak oda-vissza az űrben emberek százaival a fedélzetükön.

Minovitch kifejtette, hogy minél nagyobb tömegű az űrhajó, annál inkább ki tudja használni a hintamanőver előnyeit. Az általa ideálisnak tartott űrhajó legalább 100‒1000 méter közötti átmérővel rendelkezett volna, és elegendő utasnak adott volna helyet egy másik bolygón történő esetleges kolóniaalapításhoz is. Az atommeghajtású hajókat Föld körüli pályán szerelték volna össze, és ezek Minovitch elképzeléséhez hasonló, állandó útvonalakon haladtak volna. A személyzetet ötven főt befogadni képes kisebb modulok szállították volna az űrhajókhoz, illetve onnan a bolygók felszínére.

Minovitch is kidolgozott néhány pályatervet, amelyek azonban jóval komplikáltabbak voltak Hollister útvonalánál. Ezek egyikében megtervezte egy marsi expedíció útját: az 1975. május 14-én induló űrhajó október 23-án hintamanővert hajtana végre a Vénusz körül, és 1976. július 26-án vissza is érne bolygónkhoz, ahonnan rögtön visszaindulna, és 1977. július 23-án ismét a Vénusz közelébe érne. Itt egy újabb hintamanőverrel a Mars felé fordulna, amelyet 14 hónap utazás után, 1978. november 30-án érne el. Végül egy Mars körüli hintamanőver ismét a Föld felé irányítaná az űrhajót, amely húsz hónappal később, 1980. július 19-én érne haza.

Minovitch terveiben több hasonló járat róná folyamatosan köreit, behálózva az egész Naprendszert. Így jelentősen lerövidülhetnének a bolygóközi utazási idők, mivel nem kellene a teljes útvonalat bejárnia az utasnak, hanem egy közeli bolygóra „kiszállva” kivárhatná, amíg egy tényleges végcélja felé közelítő űrhajó arra halad, majd erre átszállva megspórolhatná a plusz manővereket. 

Minovitch grandiózus terve minden kétségen túl igazolta, hogy lehetséges gravitációs hintamanőverekkel közlekedni a Föld és a Mars közt, amit Hollister kezdetben még nem tartott megvalósíthatónak. 1969-ben aztán egy tanítványa, Charles Rall segítségével az MIT kutatója is kidolgozta a marsi út terveit, amelyet 1971-ben publikált.

Hollister és Rall rendszerében összesen négy űrhajó közlekedik a Földet a Marssal összekötő periodikus pályán. Az űrhajók 26 havonta indulnak, és egy-egy teljes kör körülbelül 8,5 évet vesz igénybe. A teljes útvonal a következőképpen néz ki: a Marsról érkező űrhajó a Föld mellett elhaladva kirakja az utasokat, és egy hintamanőverrel Nap körüli elliptikus pályára áll. Nagyjából 500 nap múlva halad el újra a Föld mellett, itt felveszi az utasokat, és megkezdi 148 napos útját a Mars felé.

A Marson kiteszi utasait, majd egy olyan pályára áll, amelyen a kisbolygóövet is útba ejtve 622 nap alatt ér vissza a Föld közelébe. A következő 1000 napban elliptikus pályára állva négyszer közelíti meg bolygónkat, ez idő alatt végeznék el a karbantartási munkálatokat, illetve feltöltenék a készleteket. A negyedik Föld közeli hintamanőver a kisbolygóöv, majd onnan a Mars felé irányítja az űrhajót, amelyet 622 nap alatt ér el. Itt felveszi az utasokat, és 148 nap alatt visszatér velük a Földre. Az utasoknak értelemszerűen nem kellene kivárni azt a több mint hat évet, amíg az az űrhajó, amellyel eredetileg érkeztek a rövidebb úton tér vissza a Földre, hiszen három másik járat is közlekedik a vonalon.

A részletes tervek sosem kerültek megvalósításra, már ami az emberi űrrepülést illeti, a szondák esetében azonban más a helyzet. A Mariner‒10 1974. február 5-én haladt el a Vénusz mellett, 5760 kilométerre közelítve meg a bolygót. A gravitációs hintamanőver üzemanyag felhasználása nélkül a kívánt mértékben lelassította a szondát, és módosította annak pályáját. Az űrjármű útja ezt követően a Merkúr felé vezetett, amelyet 1974. március 29-én ért el, majd egy hintamanőver után szeptember 21-én újra megközelített. 1975. március 16-án a szonda harmadik alkalommal is elhaladt a korábban emberi eszköz által felderítetlen égitest mellett, kulcsfontosságú információkat közvetítve a bolygóról.


Az azóta eltelt években az űrszondák túlnyomó többsége hintamanőverek révén érte el célját. A Voyager‒2 1977. augusztus 20-án indult azóta is tartó küldetésére, amelynek során a Jupiter, a Szaturnusz és a Neptunusz körüli hintamanőverek is növelték sebességét. A szonda napjainkban a Naprendszer határvidékét deríti fel, és már több mint száz csillagászati egységre van a Naptól. Ezt a távolságot minden évben a Nap‒Föld-távolság 3,26-szorosával toldja meg.

A Galileo űrszonda 1989. október 18-án indult útjára. A Vénusz, majd a Föld gravitációs mezejét kihasználva nagy sebességgel a kisbolygóöv felé vette az irányt, majd 1992. december 8-án egy újabb Föld körüli hintamanővert követően a Jupiter felé indult, amelyet 1995. december 8-án ért el. A szonda 2003 szeptemberéig tartó küldetése során többször is hintamanővereket hajtott végre a bolygó nagyobb holdjai körül, és közben az egész rendszert bejárva adatokat közvetített a Földre.

A Merkúr felderítésére küldött MESSENGER űrszonda 2004. augusztus 3-án indult, egy év múlva egy Föld körüli hintamanőverrel a Vénusz felé kezdett haladni, amelyet kétszer közelített meg, majd a Merkúrt háromszor meglátogatva 2011. március 18-án stabil pályára célpontja körül. A komplikált útvonalra azért volt szükség, mert ha egyenesen a Merkúr felé irányították volna a szondát, azt a Nap gravitációs tere annyira felgyorsította volna, hogy jelentős üzemanyag-használat nélkül lehetetlen lett volna annyira mérsékelni a sebességét, hogy pályára tudjon állni a bolygó körül. A hat hintamanőver révén viszont csak minimális mennyiségű energiát használt fel a pálya stabilizálásához a jelenleg is zajló küldetés során.

Hollister és Minovitch alapötletét tehát egyelőre csak az ember nélküli űrkutatás használta fel, ennek során viszont rendszeresen alkalmazásra kerül. Az bolygóközi rendszeres járatok általuk megfogalmazott ötlete időről időre felröppent az elmúlt évtizedek során, azonban mindeddig semmi komoly fejlemény nem történt a megvalósítás irányába. Legutóbb az eljövendő marsi expedíciók kapcsán merült fel az elképzelés, mint egy lehetséges költséghatékony módszer a Föld és a Mars összekötésére. Egyelőre nem tudni, hogy ténylegesen lesz-e valami belőle, de ahogy egyre kidolgozottabb tervek születnek a vörös bolygó emberi felderítésére, talán előbb-utóbb ezek az ötletek is közelebb kerülhetnek a valósághoz. 

Új hozzászólás írásához előbb jelentkezz be!

Eddigi hozzászólások

7. Ronan
2012.12.05. 13:08
Nekem csak az nem világos hogy hogyan és mivel haladnak ezek az űrszondák?
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
6. leeroy82
2012.12.05. 13:35
A nullsík löki őket előre
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
5. nyerek01
2012.12.05. 21:15
Ionhajtómű, atomreaktor, napvitorla ami tudtommal általában használatos. A cikket ha elolvastad és értetted akkor azért felmerül benned a gondolat, hogy a gravitáció mint erő "mozgat" mindent. (igen, az űrszondákat is)
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
4. lajcsi1975
2012.12.05. 21:26
Mivel a zűrben nincs zoxigén így légkör sincs, ebből kifolyólag pedig nincs légellenállás. Így ha egy szondát felgyorsítanak akármilyen módszerekkel (ez lehet akármilyen hajtómű vagy hintamanőver által)akkor az amennyiben nem megy neki semminek vagy nem ejti rabul vagy lassítja le egy égitest gravitációja sem , akkor energiafelhasználás nélkül tudja tartani a sebességét.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
3. sanyix
2012.12.06. 12:56
Hagyományos rakétahajtóműveket használnak, meg a bolygók gravitációját. Ionhajtóművet eddig élesben csak 1 holdszonda használt, "atomreaktor" (RTG) pedig hajtani nem tud, áramot állít elő. Napvitorla pedig csak 1x volt használva, amikor tesztelték.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
2. Ronan
2012.12.07. 12:31
Egyébként kísérleteztek atom meghajtással is csak állitolag leállították...
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
1. peti198706...
2012.12.11. 03:59
http://animeaddicts.hu/encyclopedia.php?anime.1937
-Ilyen űrhajókra gondolsz? egymásba kötött élhető levegővel "kék éggel" burjánzó növényekkel. Az atom meghajtású szondánk már réges régen elhagyta a naprendszerünket: Voyager-2
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!