Swing By

 

Heutige Raumfahrtmissionen zu den Planeten unseres Sonnensystems nutzen sehr oft das Swing-By-Manöver. Hierbei werden interplanetare Raumsonden dicht an einen oder mehrere andere Planeten vorbeigeführt, bevor sie ihr eigentliches Zielobjekt erreichen. Der Effekt des Swing-Bys ist nicht bloß eine Richtungsänderung der Raumsonde, sondern auch eine Anhebung ihrer Geschwindigkeit.

Wie muß man sich das vorstellen? Grundsätzlich gilt natürlich, daß ein Himmelskörper, der in das Schwerefeld eines anderen eindringt, zunächst beschleunigt wird, bis er den Punkt des geringsten Abstandes durchläuft, und anschließend die zuvor aufgesammelte Bewegungsenergie beim Sichentfernen aus dem Schwerefeld wieder abgibt. Die Relativgeschwindigkeit der Sonde zum Planeten ist hinterher betragsmäßig genauso groß wie vor dem Manöver (Energieerhaltung). Das gilt streng genommen nur in Zweikörpersystemen. Im Planetensystem sind solche Planetenpassagen jedoch stets als Dreikörperprobleme zu behandeln, bestehend z.B. aus Sonne, Planet und Raumsonde. Man ahnt, worauf das hinausläuft: die Endgeschwindigkeit der Raumsonde kann von ihrer Ausgangsgeschwindigkeit abweichen.

In untenstehender Abbildung ist ein Beispiel skizziert, bei dem sich eine Raumsonde, die eine Relativgeschwindigkeit zum Planeten von v besitzt, einem Planeten mit Relativgeschwindigkeit zur Sonne U aus einer Richtung annähert, die dessen Flugrichtung entgegengesetzt ist. Sie wird relativ zum Planeten beschleunigt, aber auch relativ zur Sonne.

Die eigentliche Passage des Planeten kann in guter Näherung als Zweikörpersystem (Hyperbelbahn) betrachtet werden, sodaß die Sonde nach der Passage betragsmäßig wieder die gleiche Geschwindigkeit v relativ zum Planeten besitzt. Gehen wir jedoch über, Relativgeschwindigkeiten zur Sonne zu betrachten, so kommt der Swing-By-Effekt zum Vorschein.

Der Planet selbst besitzt eine Eigengeschwindigkeit U relativ zur Sonne, was dazu führt, daß unter obiger Annahme die Raumsonde nicht nur eine Richtungsänderung, sondern auch einen Geschwindigkeitszuwachs relativ zur Sonne von bis zu 2 U erfährt. Dies ist möglich, weil die größte Annäherung an den Planeten hinter ihm auf seiner Bahn um die Sonne erfolgt, sodaß dieser von der Raumsonde um einen (unmeßbar kleinen) Betrag angebremst wird. Zwar wird der Planet vor und nach der engsten Passage auch minimal beschleunigt, jedoch überwiegt aufgrund der größeren Distanz der Effekt der Abbremsung. Die Bewegungsenergie wird von der Raumsonde aus Gründen der Impulserhaltung aufgenommen.

Völlig analog lassen sich Szenarien beschreiben, bei denen die Raumsonde abgebremst wird (z.B. indem man die Bewegungsrichtung des Planeten einfach umkehrt). Auch dieser Fall wird in der Raumfahrt verwendet, um z.B. Jupitersonden mit minimalem Einsatz der Steuertriebwerke durch Swing-By an den Monden in das Jupitersystem einschwenken zu lassen.

Eine alternative Erklärung findet sich in Wikipedia.

Swing-By-Manöver tragen erheblich zur Verlängerung der Reisezeit der Sonde bei. Obwohl sich das Ziel im Direktflug oft wesentlich zügiger erreichen läßt, entscheiden sich die Missionsplaner in solchen Fällen dennoch für Swing-Bys. Der konkrete Nutzen ist eine Treibstoffeinsparung, die eine größere Nutzlast, sprich: ein größeres Repertoire an Meßinstrumenten, und somit eine günstigere Kostenstruktur ermöglicht, welche die erhöhte Reisezeit mehr als aufwiegt. Zu guter Letzt können bei längerer Missionsdauern neuere Erkenntnisse in die Missionsplanung einfließen.