Voyager 1,2 yörüngeleri. (Kaynak: Wikipedia)
“Gravitasyon yardımıyla manevra” (gravity assist maneuver/gravitational slingshot/swing-by) yörüngesel mekanikte ve havacılık-uzay mühendisliğinde, bir gezegenin veya başka bir gök cisminin izafi hareketi ve kütleçekimi kullanılarak, bir uzay aracının yörüngesinin ve hızının değiştirilmesinde kullanılan bir yol… Bu “yardım” kütleçekimi uygulayan gök cisminin uzay aracını çekmesi sayesinde uygulanır…
Bu teknik ilk olarak, Michael Minovitch tarafından 1961’de önerildi; “Mariner 10” ve daha sonraki araçların (özellikle de Voyager 1 ve 2 ) uçuşlarında uygulandı…
Bir gezegenin etrafında gravitasyon yardımı, gravitasyon alanına giren ve bu alanı terkeden uzay aracının Güneşe göre vektörel hızını (velocity) değiştirir… Uzay aracı gezegene yaklaşırken hızlanır ve gezegenden uzaklaşırken (gezegenin gravitasyon alanından çıkarken) de aynı miktarda yavaşlar… Gezegen Güneşin etrafından dolandığından, uzay aracı, bu manevrası esnasında gezegenin bu hareketinden etkilenir… Uzay aracı, ivmelenmek için gezegenin yörüngesel hareket enerjisinin küçük bir kısmını kendine transfer ederek, gezegenin bu hareketi ile yol alır… Yavaşlamak için ise, uzay aracı gezegene ters yönde yaklaşır… Her iki kütlenin de kinetik enerjileri toplamı sabit kalır… Bu sebeple, kütleçekimi etkisiyle manevra uzay aracının Güneşe göre yörüngesini ve hızını değiştirmek için kullanılır…
Hareket halindeki bir trenden seken bir tenis topunu düşünelim… Saatte 50 km hızla yaklaşmakta ola bir trene, saatte 30 km hızla bir top fırlatalım… Trenin makinisti bu topun 80 km hızla yaklaştığını ve (elastik bir sekme durumunda) yine, 80 km hızla uzaklaştığını görür…! Ancak, istasyondaki bir gözlemci bu topun (trenin hareket yönünde) 130 km hızla uzaklaştığını görecektir…
“U” (yörünge) hızıyla hareket eden bir gezegen, kendisine “v” hızıyla yaklaşan bir uzay aracını, yörünge hareketi yönünde “2U+v” hızına hızlandırır. Parabolik bir yörüngede yol alan bir uzay aracı, gezegeni roket motorlarını ateşlemeden ters yönde terkedebilir ve gezegenin kütleçekimi alanını terkettiğinde hız kazancı “2U” olur… Bu açıklama enerji ve momentumun korunumu prensibini ihlal ediyor görünse de, uzay aracının gezegen üzerine (ihmal edilebilir seviyedeki) etkisi bu açıklamada dikkate alınmamıştır…
Bir gezegenin kütleçekimi vasıtasıyla hızlandırma etkisi, ters yönde yaklaşan bir uzay aracını yavaşlatmakta da kullanılabilir… “Mariner 10” ve “MESSENGER” araçlarının Merkür gezegenine ulaşmasında bu yavaşlatma manevrası kullanıldı…
Bir uzay aracının hızlandırılmasında, kütleçekimi ile sağlanacak hızlandırmadan daha fazlasına ihtiyaç duyulması durumunda, bu ilave hız artışı roket motoru ateşlenerek sağlanır. Ancak, roket motorunun en ekonomik şekilde çalıştırılmasının, aracın gezegene en yakın yaklaşma konumunda (periapsis) iken sağlanması gerekir…Roket motorunun belirli bir süre çalıştırılması hızda daima aynı miktarda artış sağlar… Ancak, kinetik enerjideki artış roket motorunun ateşlendiği andaki hızı ile orantılıdır… (Oberth etkisi). Bu sebeple, roket motorunun çalıştırılmasından aracın kinetik enerjisine maksimum katkıyı sağlamak için, ateşlemenin aracın maksimum hıza ulaştığı (gezegene) “en yakın konumda” (periapsis) gerçekleştirilmesi gerekir…
Yuri Kondatruk, 1919’da hazırladığı, ancak 1938’de yayımlanan makalesinde, iki gezegen arasındaki uzay aracı yolculuğunun bu iki gezegenden ilkinin hızlandırıcı (ve ikincisinin ise yavaşlatıcı) olarak kulanılması ile, hızlandırılabileceğini ileri sürdü… Friedrich Zander, 1925’te yayımlanan makalesinde benzer görüşler ileri sürdü… Fakat bu her iki makale de bilim dünyasının gözünden kaçtı…! Bu gerçek Michael Minovitch tarafından, 1961’de keşfedildi…
Kütleçekimi yardımıyla manevra, ilk defa, Sovyet uzay aracı “Luna 3”ün Ayın uzak yüzünü fotoğraflama uçuşunda kullanıldı…
“Voyager 2”nin Güneşe uzaklığına bağlı olarak yörünge hızının (heliocentric velocity) değişimi ve bu değişime Jüpiter, Satürn ve Uranüsün katkıları yukarıdaki şekilde gösterilmiştir… “Voyager 2”nin kameralarının Neptünün uydusu Triton’u fotoğraflayabilmesi için, araç Neptünün kuzey kutbundan geçecek bir yörüngeye yönlendirildi… Bu manevra aracın Güneşten uzaklaşma hızını azalttı…
Dünya-Güneş arasında dolanan bir “iç gezegen”e yolculuk yapacak bir araç, minmum hızla hareket etse de, Güneşin kütleçekimi onu hızlandırır… Bu aracın hedefindeki gezegenin yörüngesine sokulmak istenmesi durumunda –bir şekilde- frenlenmesi gerekir…
Bu durum, Dünya-ötesi bir gezegene yolculukta tersine işler… Uzay aracının hedef gezegene ulaşabilmesi için, ayrıca hızlandırılması gerekir… Ancak, araç yolculuğunun başında, yolculuk için gerekli hızdan daha büyük bir hıza hızlandırılabilirse, hedefindeki gezegenin yörüngesine girebilmesi için,yolculuk zamanından sağlanacak tasarrufun yanında, daha az yakıt tüketmesi de gerekecektir…
Bir uzay aracını hızlandırmak ve yavaşlatmak için roket motorları kullanılabilir…Ancak, bu yolculuk için ilave yakıtın taşınmasını gerektirir…Bu yakıtı taşıyacak bir uyzay aracının Dünyanın kütleçekiminden kurtulabilmesi için gerekli hız artışını sağlamak üzere, çok daha fazla yakıt taşıması ve bu yakıtın önemli bir kısmını fırlatılışta yakması gerekecektir…
Kütleçekimi destekli manevra, yakıt harcamadan, uzay aracınn hızını değiştirebildiğinden, “hava-frenlemesi” (aerobraking) ile birlikte kullanıldığında önemli miktarda yakıt tasarrufu da sağlar…
Merküre gönderilen “MESSENGER” aracının yavaşlatılması için kütleçekimi destekli manevra yöntemi kullanıldı…Ancak, Merkürün atmosferinin yok denecek kadar az miktarda mevcut olması sebebiyle, bir uzay aracını yörüngesine sokabilmek için “hava freni” yöntemi bir seçenek olamaz…
Dünyanın ötesindeki gezegenlere (ve diğer gök cisimlerine) ulaşabilmek için kütleçekimi etkisiyle hız kazanma yöntemi sıkça başvurulan bir yöntemdir…
Gezegenlerarası yolculuklarda, bir uzay aracını hızlandırmak için Güneşin kütleçekiminin kullanılması, Güneşin Güneş Sistemine kıyasla sabit konumda olması sebebiyle, mümkün değildir… Ancak, bir aracın Güneşe yaklaşırken (roket itişi ile) hızlandırılması (powered slingshot) aracın hızlandırılmasında avantaj sağlarsa da, aracın Güneşin radyasyonuna dayanabilecek yeterlilikte olması gerekir…
“Cassini” aracı Satürn yolculuğunda Venüsün kütleçekimi desteğini iki defa, Dünyanın ve Jüpiterinkini de birer defa kullandı… Aracın 6.7 yıl süren yolculuğu “Hohman Transfer Orbit” için gereken altı yıllık yolculuk süresinden biraz uzun olsa da, o tarihte mevcut en güçlü roket olan Titan IV ve Hohman Transfer Yörüngesi ile Satürne ulaşmak mümkün olamayacaktı… Kütleçekimi yardımıyla hızlandırma tek seçenekti…
“Cassini” aracının uçuş rotası.
Yararlanılan Kaynak:
http://en.wikipedia.org/wiki/Gravity_assist
HAVACILIK VE UZAY 
Yorum yazabilmek için oturum açmalısınız.