Gravitasi yang berani membantu manuver misi ruang angkasa masa lalu

Dengan sains yang hebat datanglah rekayasa yang hebat

Gravity assist adalah teknik yang ampuh yang dapat membantu memperpanjang durasi misi luar angkasa dan mengurangi biaya keseluruhannya. Artikel ini akan membahas beberapa teknik bantuan gravitasi paling gila yang digunakan dalam misi luar angkasa masa lalu. Jika Anda tidak terbiasa dengan konsep assist gravitasi, berikut adalah penjelasan sederhana.

Mempelajari Matahari dari atas

1990 menyaksikan peluncuran misi bersama NASA-ESA yang disebut Ulysses untuk mempelajari kutub Matahari untuk pertama kalinya. Untuk mempelajari kutub matahari, pesawat ruang angkasa harus meninggalkan bidang orbit Tata Surya dan mencapai orbit kecenderungan tinggi.

Kesan seniman tentang pesawat ruang angkasa Ulysses. Sumber: NASA JPL

Satu-satunya masalah? Tidak ada roket yang mampu melakukan hal itu. Solusinya terletak di planet terbesar Tata Surya - Yupiter yang perkasa.

Mencuri dari momentum tinggi sebuah planet telah menjadi cara yang efisien dan mapan untuk mencapai kecepatan tinggi yang diperlukan untuk mencapai target misi. Misi Voyager sebelumnya menggunakan teknik ini untuk meninggalkan Tata Surya.

Seperti halnya perubahan kecepatan dapat dicapai dengan melakukan bantuan gravitasi di sekitar planet, perubahan kecenderungan juga dimungkinkan. Pada tahun 1992, Ulysses melakukan gravitasi membantu terbang di sekitar Jupiter yang gravitasi intens membengkokkan lintasan pesawat ruang angkasa ke selatan. Ini menempatkan pesawat ruang angkasa dalam orbit terakhir mengelilingi Matahari yang akan membawanya melewati kutub utara dan selatan Matahari pada kemiringan 80 ° (wrt bidang orbital planet-planet).

Visual yang menunjukkan bidang orbital planet-planet Tata Surya. Pesawat ruang angkasa Ulysses harus mencapai orbit kutub 'pertama dari jenisnya' di sekitar Matahari. Sumber: tes teach

Pesawat ruang angkasa Ulysses melanjutkan untuk memiliki misi 18 tahun yang sangat sukses dan tahan lama. Di antara berbagai wahyu tentang kutub matahari, yang paling menonjol adalah penemuan bahwa kutub selatan Matahari lebih dingin daripada kutub utara!

Kesan artis tentang Ulysses melewati ekor komet Hyakutake pada Mei 1996. Sumber: NASA JPL

Selain mempelajari kutub surya, banyak ilmu menarik keluar dari misi seperti pengukuran langsung pertama partikel debu antarbintang dan atom helium antarbintang di Tata Surya. Kadang-kadang, Ulysses juga tiba-tiba menemukan dirinya berada di ekor komet, mencapai poin ilmu bonus.

"Billion Euro gamble" dari probe mengejar komet

Pesawat ruang angkasa Rosetta - pertama yang mengorbit komet - mempelajari komet 67P dengan ketat. Rosetta memantau komet ketika mendekati titik terdekatnya ke Matahari dan menjadi aktif. Lihatlah komet berbentuk dua lobus yang elegan.

Aktivitas awal komet 67P sebagaimana dicitrakan oleh pesawat ruang angkasa Rosetta antara 31 Januari hingga 25 Maret 2015. Sumber: ESA Flickr

Mencapai komet di tempat pertama namun merupakan cobaan. Untuk bertemu dengan komet, Rosetta harus menyamai kecepatan komet itu. Ini dicapai dengan menggunakan bantuan gravitasi di sekitar beberapa objek di Tata Surya bagian dalam.

Perjalanan 10 tahun Rosetta melalui Tata Surya melibatkan beberapa flybys, termasuk satu di sekitar Mars. Sumber: ESA

Sebagai bagian dari misi, Rosetta harus melakukan terbang rendah di Mars pada 2007 untuk memperbaiki lintasannya. Itu adalah manuver yang berisiko karena ketinggian terbang yang diperkirakan hanya 250 km. Selama bermanuver, Rosetta akan berada di bawah bayangan Mars dan tidak mungkin menggunakan panel surya. Ini akan menjadi waktu di mana pesawat ruang angkasa akan menghadapi kekurangan daya kritis.

Pesawat ruang angkasa itu ditempatkan dalam mode siaga dan komunikasi dimatikan untuk menghemat daya. Baterai harus memberi daya pada pesawat ruang angkasa selama manuver tetapi risikonya adalah bahwa baterai pada awalnya tidak dirancang untuk tugas tersebut.

Pada akhirnya, manuver Mars berhasil dan pesawat ruang angkasa terbang maju ke target yang sulit dipahami. Manuver pemecah keringat ini kemudian dikenal sebagai "The Billion Euro gamble". Dan kami mendapat gambar Mars + Rosetta yang cantik.

Gambar menakjubkan pesawat ruang angkasa Rosetta di atas Mars yang diambil oleh kamera pendarat Philae di atas kapal Rosetta. Sumber: ESA
Catatan tambahan: Pakar Sistem Kontrol Misi di TeamIndus - Mohini Parameswaran - telah menjadi bagian dari tim Rosetta. Dia bekerja dengan ISRO dan ESOC (Pusat Operasi Ruang Angkasa Eropa) di berbagai misi luar angkasa dan kami merasa terhormat untuk memiliki karyanya bersama kami dalam misi kami ke Bulan.

Menggunakan tekanan radiasi dari Matahari untuk melakukan flyby

Pesawat ruang angkasa MESSENGER NASA adalah yang pertama mengorbit Merkurius. Bukan tanpa tantangan.

Kesan artis tentang MESSENGER yang mengorbit Merkurius. Sumber: Wikipedia

Karena Merkurius terletak jauh di dalam sumur gravitasi Matahari, lintasan langsung pesawat ruang angkasa dari Bumi ke Merkurius akan terus dipercepat oleh Matahari. Dengan demikian pesawat ruang angkasa MESSENGER akan mencapai Merkurius dengan kecepatan yang terlalu tinggi untuk mencapai orbit tanpa menggunakan bahan bakar yang berlebihan, yang terbatas di dalam pesawat. Merkurius juga tidak memiliki atmosfer yang signifikan seperti Venus / Bumi sehingga aerobraking tidak dapat digunakan untuk memperlambat pesawat ruang angkasa.

Bantuan gravitasi dengan demikian banyak digunakan untuk memperlambat MESSENGER cukup untuk memungkinkan penangkapan orbital oleh Merkurius. Gravitasi membantu flybys termasuk satu menggunakan Bumi, dua menggunakan Venus dan tiga menggunakan Merkurius untuk memperlambat pesawat ruang angkasa.

Lintasan pesawat ruang angkasa MESSENGER mulai dari peluncuran hingga penyisipan orbit di sekitar Merkurius. Sumber: Laboratorium Fisika Terapan Universitas John Hopkins

Elemen kunci dari lintasan sukses MESSENGER adalah mencapai bantuan gravitasi yang tepat dari setiap flyby planet. Sangat penting untuk memiliki presisi tinggi di setiap flyby jika tidak, pemasukan orbit bisa gagal atau akan membutuhkan perubahan lintasan yang meningkatkan kompleksitas misi, biaya, dan risiko.

Tiga flyer Merkurius akan membawa pesawat ruang angkasa ke ~ 200 kilometer dari planet ini. Terbang terlalu rendah dapat menabrak pesawat ruang angkasa ke planet ini dan terbang terlalu tinggi akan membuat pesawat ruang angkasa mengkonsumsi bahan bakar berlebih. Either way, turun dari target dapat mempengaruhi misi dengan cara kritis.

Solusinya? Gunakan tekanan radiasi dari Matahari untuk menavigasi pesawat ruang angkasa alias berlayar matahari!

Kesan artis tentang pesawat ruang angkasa Jepang IKAROS. Dipercepat menggunakan tekanan radiasi Matahari. Sumber: Wikipedia

Tekanan Radiasi Matahari (SRP) di sekitar Bumi tidak cukup kuat untuk menavigasi pesawat ruang angkasa secara signifikan. Namun, Merkurius terletak lebih dekat ke Matahari dan tekanan radiasi meningkat sebesar kuadrat dari jarak yang lebih dekat ke Matahari. Jadi SRP di sekitar Merkurius ~ 10x lebih banyak dari di sekitar Bumi. Ini membuat penggunaan SRP untuk menavigasi MESSENGER menjadi opsi yang layak.

Panel surya MESSENGER dimiringkan sedemikian rupa sehingga SRP dapat mengenai pesawat ruang angkasa dan memperlambatnya cukup untuk mencapai flybys Merkurius yang ditargetkan secara akurat. Dengan menggunakan berlayar matahari, tim MESSENGER mampu menghilangkan penggunaan bahan bakar di semua flyer Merkurius tanpa mengorbankan akurasi. Itu juga meningkatkan masa hidup misi!

Gambar MESSENGER dari flyby Merkurius menunjukkan kawah yang dibanjiri lava dan hamparan besar dataran vulkanik halus di planet ini. Sumber: Wikipedia

Ini adalah pertama kalinya sebuah pesawat ruang angkasa berhasil menggunakan berlayar surya sebagai metode kontrol lintasan bebas propulsi untuk flybary planet. Jika kita hidup di era Star Trek, tim MESSENGER akan menjadi orang paling keren untuk bergaul.

Bagi mereka yang tertarik dengan detail kutu buku, tim telah menerbitkan sebuah makalah tentang bagaimana pencapaian target terbang menggunakan SRP:

SolarSailingAPL2011.Final.doc - OShaughnessy.LCPMC.2011.pdf

Kesimpulan

Manuver-manuver gila ini menunjukkan kecerdikan ilmu manusia, teknik, dan kreativitas. Sementara ada banyak lagi misi dengan orbit gila (Juno NASA muncul di benak), yang disorot di sini adalah beberapa yang kurang populer sehubungan dengan manuver mereka. Apakah Anda tahu manuver orbital yang lebih menarik? Beri komentar di bawah dan beri tahu kami!