Zwaartekrachthulp: hoe de BepiColombo-sonde over de aarde vliegt om te remmen

BepiColombo, motoren aan tijdens zijn reis. © ESA / ATG medialab; Mercurius: NASA / JPL
Voor zijn reis naar Mercurius gaat de BepiColombo-missie door … de aarde? Hoe is het mogelijk ? Waarom (en hoe) vertragen met behulp van een planeet?
Om het zonnestelsel te kunnen verkennen, heb je energie nodig. Veel energie.

Een groot probleem

Er is al energie voor nodig om een ​​sonde met een snelheid die voldoende is om hem in een baan om de aarde te brengen, voort te stuwen. En nog meer om de sfeer van zwaartekrachtsinvloeden van onze planeet te verlaten: het gebied waarin de aantrekkingskracht van de aarde sterker is dan die van de zon of de maan. We noemen dit gebied de "Heuvelbol", en onthoud dit, want we zullen er later over praten. Maar mikken op een andere planeet is niet zo eenvoudig. Met een krachtige draagraket is het natuurlijk mogelijk om een ​​voertuig rechtstreeks naar zijn doel te sturen. Dit is wat NASA, de Verenigde Arabische Emiraten en China in de zomer van 2020 zullen doen om Mars te bereiken. Mars is echter, net als Venus, "buren" van de aarde.
Voor BepiColombo, die zich op Mercurius richt, kost het veel energie om te vertragen en het pad van de kleinste van de grote planeten te kunnen kruisen. Ja, rem: als we ons richten op de verder weg gelegen planeten van het zonnestelsel (Mars, Jupiter, Saturnus, enz.), Versnellen we, voor Venus en Mercurius moeten we remmen. Laatste uitdaging: bij het oversteken van Mercurius mag het snelheidsverschil tussen de sonde en de planeet niet te groot zijn, anders kost het weer veel brandstof om te remmen en in een baan om de aarde te komen. Dit was het geval voor de NASA-sonde, Messenger, waarvan 60% van de oorspronkelijke massa bestond uit brandstof.
Mercurius is niet gemakkelijk te bereiken… © NASA / JPL-Caltech

Bijstand … Wie?

Het is daarom onmogelijk om voor een missie van enkele tonnen te hopen in een baan om Mercurius te komen door alleen te remmen, ondanks zijn innovatieve en efficiënte ionisch-elektrische voortstuwing. U moet een proces gebruiken dat zwaartekrachthulp of een slingereffect wordt genoemd. Concreet is het principe op papier eenvoudig: vlieg over andere planeten om van baan te veranderen en snelheid te winnen of te verliezen. Maar hoe werkt het?
Wat betreft het traject, het is vrij intuïtief: wanneer de sonde de Hill Sphere binnengaat (het is oké, heb je het?), Zal de aantrekkingskracht van de overvlogen planeet groter zijn dan die van de zon. Dus het is om haar heen dat onze sonde in vrije val zal zijn. De sonde komt niet in de baan van de overgevlogen planeet: zijn snelheid is te hoog. Maar zijn traject wordt beïnvloed door deze verandering van invloedssfeer.
Het traject van de sonde … die zal remmen. © ESA / E. Bottlaender
Merk op dat er in de bovenstaande grafiek geen versnelling is voor of na het zweven. En in het referentiekader van de planeet is het volkomen logisch: BepiColombo komt de bol van Hill binnen en verlaat deze op dezelfde afstand van het oppervlak, en het punt dat het dichtst bij de aarde ligt, bevindt zich altijd in het midden van dit traject. Maar waarom vertraagde de sonde dan?
Het vertraagde omdat tijdens deze scheervlucht de aarde bewoog, dus het had zijn eigen snelheid in een ander referentiekader van dit "drie-lichamenprobleem": rond de zon. Tijdens het overvliegen werden echter de snelheidsvectoren van BepiColombo en van de aarde toegevoegd. Dit is het hart van het sling-effect, dat ook wel het pivot-effect wordt genoemd: de berekening van de afwijking en de variatie in snelheid (hier remmen we) is heel eenvoudig… wiskundig.
Opsluiting of niet, het is tijd om snelheidsvectoren toe te voegen. © ESA / E. Bottlaender
Als sommigen van jullie verder willen redeneren, kun je je afvragen waar de sonde deze energie fysiek vandaan heeft. Omdat BepiColombo de wet van behoud van energie natuurlijk niet "overtreden" heeft (en bovendien zijn motor niet heeft aangezet). Dus waar heeft ze het vandaan? Welnu, in de zwaartekrachtinvloed tussen de aarde en de sonde. Door elkaar te kruisen trokken de twee objecten elkaar aan. Terwijl ze in de tegenovergestelde richting gingen, zwenkten ze allebei, en de energie die verloren ging door de sonde (die remt) werd gewonnen door de aarde (die versnelt).
Maar deze variatie (zoals de afbuighoek) hangt af van de massa van de twee objecten en de aarde is in dit geval vreselijk zwaarder dan BepiColombo. Voor de sonde is het dus een remming van 18.000 km / u (5 km / s), en voor de aarde een kosmische beweging … Volgens berekeningen van ESA bespaart BepiColombo het equivalent van 450 kg Xenon , het gas dat wordt gebruikt als brandstof voor zijn ionische elektrische stuwraketten.

Geen fout mogelijk

Om Mercurius te bereiken, zal BepiColombo negen overvluchten gebruiken en daarom negen remmen door middel van zwaartekracht. Een record en een echt spelletje planetair biljart dat een precisie vereist die alleen de modernste instrumenten kunnen bieden. Begrijp goed: een kleine misrekening tijdens een enkele vlucht en alle volgende trajecten zijn achterhaald … De overvlucht van 10 april is de eerste en de enige rond de aarde: het is dus de laatste keer dat de sonde zal worden dicht bij onze planeet! Plots is het ook een unieke kans voor een ware reeks verificaties.
Ten eerste kunnen de teams de nauwkeurigheid van hun berekeningen testen, vergeleken met de nauwkeurigheid van de positiemetingen van BepiColombo. Op 10 april wordt de sonde om 06:25 uur (Parijse tijd) boven het zuidelijk halfrond verwacht, en een vertraging van een paar seconden kan absoluut catastrofaal blijken te zijn. Om teleurstelling te voorkomen, wordt het traject van de missie (in vlucht sinds oktober 2018) gecontroleerd en opnieuw gecontroleerd tijdens de nadering: de teams hebben de afgelopen weken “waypoints” gepland … En zodra er een kleine afwijking is een koerscorrectiemanoeuvre gepland (TCM).
De laatste, op 15 februari, veranderde de snelheid van Bepicolombo naar precies 1,25 km / u en sindsdien zijn alle kruispunten bevestigd op 99%. De sonde passeert op 10 april tot 12.677 km van het aardoppervlak, en gezien zijn grootte zal hij niet waarneembaar zijn door amateurastronomen (verschillende gespecialiseerde telescopen zullen de voortgang echter volgen). Tijdens de vlucht over de aarde zullen de motoren afslaan… Maar de instrumenten zullen er zoveel mogelijk van profiteren.
Niet alle instrumenten zijn momenteel beschikbaar op de missie. © ESA.

BepiColombo versus de aarde

Het zal je niet al te veel verbazen, maar fysiek is onze planeet relatief goed gedocumenteerd. We weten te allen tijde hoe het eruit ziet, ook met zijn bewolking dankzij meteorologische satellieten, we kennen zijn temperatuur, zijn infraroodsignatuur, de kenmerken van zijn magnetosfeer … En dit is een duidelijk voordeel voor BepiColombo die zal proberen om gebruik tijdens dit korte overzicht zoveel mogelijk instrumenten om ze te kunnen kalibreren: alle instrumenten die niet verborgen zijn door de beveiligingen of door de “reisconfiguratie” van de missie (ter herinnering, er zijn drie modules één op de andere, die in 2025 in een baan om Mercurius zal worden losgemaakt) moeten worden verlicht. Ofwel om de aarde of de maan te observeren (een ander relatief goed gedocumenteerd object!).
BepiColombo zal daarom de zwaartekrachtversnelling observeren die wordt gegenereerd door de aarde, het magnetische veld, het infraroodspectrum, de temperatuur, de aanwezigheid van gammastralen, de radio-emissies, het ultraviolette spectrum, de snelheid van energetische deeltjes in de buurt, evenals de flux deeltjes en zonnestraling. Alleen dat? Neen. Als bonus zal de sonde zijn navigatiecamera's sturen om enkele foto's te maken van het aardoppervlak en de maan, tijdens zijn nadering zoals op de dag van de flyby (het is handig dat hij goed gekalibreerd is, want later zal hij foto's maken. afbeeldingen van Venus en Mercurius).
Voor de teams, die meer dan een jaar geleden valideerden dat hun instrumenten in staat waren om op de sonde te werken, is dit een uitstekende gelegenheid om de gegevens te vergelijken met de aardse waarden. Indien nodig hebben ze alle tijd om de instellingen te wijzigen of een softwarepatch te sturen, aangezien de volgende flyby (van Venus) op 15 oktober zal plaatsvinden.
Tot die tijd kan ze erop rekenen dat de aarde langzamer gaat!
Bron: ESA