Die Gravitationsschleuder
Gravity Assist — auch gravitativer Schleudereffekt genannt — ist eine der elegantesten Techniken der Raumfahrt. Durch einen gezielten Vorbeiflug an einem Planeten kann ein Raumfahrzeug enorme Geschwindigkeitsbeträge gewinnen (oder verlieren), ohne einen einzigen Tropfen Treibstoff zu verbrennen. Diese Technik hat jede große Mission ins äußere Sonnensystem ermöglicht, von Pioneer und Voyager über Cassini bis New Horizons.
Die Physik ist wunderbar einfach. Im Bezugssystem des Planeten ist die Begegnung perfekt symmetrisch — das Raumfahrzeug nähert sich und entfernt sich mit derselben Geschwindigkeit, nur in der Richtung abgelenkt. Da sich der Planet aber selbst durch den Raum bewegt, übersetzt sich diese symmetrische Ablenkung in eine asymmetrische Änderung der heliozentrischen Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs. Es «borgt» effektiv einen winzigen Bruchteil des Bahnimpulses des Planeten.
Der Ablenkwinkel
Der Schlüsselparameter eines Gravity Assists ist der Ablenkwinkel δ, der bestimmt, wie stark der Geschwindigkeitsvektor des Raumfahrzeugs gedreht wird. Er hängt von drei Größen ab: der Planetenmasse M, der Annäherungsgeschwindigkeit v∞ (relativ zum Planeten) und dem nächsten Annäherungsabstand r_p. Die Formel δ = 2·arcsin(1/(1 + r_p·v²∞/(GM))) zeigt, dass größere Ablenkung entweder einen massereicheren Planeten, eine langsamere Annäherung oder einen näheren Vorbeiflug erfordert.
Energiebilanz
Woher kommt die Energie? Aus der Bahnbewegung des Planeten. Wenn ein Raumfahrzeug Geschwindigkeit gewinnt, verliert der Planet einen infinitesimal kleinen Betrag seiner Bahnenergie. Bei Voyager 1s Vorbeiflug am Jupiter gewann die Sonde etwa 16 km/s, während Jupiters Bahngeschwindigkeit um ungefähr 1 Fuß pro Billion Jahre abnahm. Der Austausch ist real, aber für den Planeten völlig vernachlässigbar.
Missionen, die alles veränderten
1966 erkannte Gary Flandro am JPL, dass eine seltene Planetenkonstellation Ende der 1970er-Jahre es ermöglichen würde, mit einem Raumfahrzeug Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun durch aufeinanderfolgende Gravity Assists zu besuchen. Dieses «Grand Tour»-Konzept führte zu den Voyager-Missionen — der am weitesten reichenden Erkundung der Menschheit. Voyager 2 bleibt das einzige Raumfahrzeug, das alle vier Riesenplaneten besucht hat, wobei jeder Vorbeiflug die Trajektorie zum nächsten Ziel bog und beschleunigte.