Kütleçekimsel sapan

Kütleçekimsel sapan (gravity assist), bir uzay aracının bir gezegenin ya da uydunun yakınından geçerken onun kütleçekimini kullanarak hızını ve yönünü değiştirmesidir. Roketin yakıtı harcanmaz; enerji gezegenin yörünge hareketinden alınır.

Nasıl işler?

Gezegeni hareketli bir kütle gibi düşünün. Araç gezegenle birlikte hareket eden bir gözlemciye göre gezegene yaklaşırken ne kadar hızlıysa uzaklaşırken de aynı hızdadır; yalnızca yönü değişir. Ancak gezegen Güneş çevresinde kendi yörüngesinde ilerlemektedir. Güneş'e göre bakıldığında yön değişimi, aracın hızına gezegenin hızından bir pay ekler ya da çıkarır.

Araç gezegenin arkasından, onun hareket yönünde geçerse hız kazanır. Önünden geçerse hız kaybeder; bu da Merkür gibi iç Güneş Sistemi hedeflerine giderken işe yarar. Kazanılan enerji bedavaya gelmez: gezegen çok az yavaşlar, ama kütlesi aracınkinden sayısız kat büyük olduğundan bu değişim ölçülemeyecek kadar küçüktür.

Yakıt tasarrufu büyüktür. Roket denkleminde yakıt ihtiyacı hız değişimiyle üstel artar; bu nedenle birkaç km/s'lik bedava kazanç, kimi görevleri mümkün kılan farkı yaratır. Bedel zamandır: araç doğrudan gitmek yerine dolambaçlı bir rota izler ve gezegenlerin belirli dizilimini beklemek gerekir.

Örnekler

• Mariner 10 (5 Şubat 1974): Venüs'ün yanından geçerek Merkür'e yöneldi; başka bir gezegene ulaşmak için kütleçekimsel sapanı kullanan ilk uzay aracıdır.
• Voyager 2 (1977): Jüpiter (1979), Satürn (1981), Uranüs (1986) ve Neptün'ü (1989) ziyaret etti. Dış gezegenlerin 1970'lerin sonunda seyrek rastlanan bir dizilişe gelmesi bu "Büyük Tur"u olanaklı kıldı; Voyager 2 hâlâ Uranüs ve Neptün'ü yakından görmüş tek araçtır.
• Cassini: 1997'de fırlatıldı; Venüs'ün yanından iki kez (1998 ve 1999), Dünya'nın yanından (1999) ve Jüpiter'in yanından (2000) birer kez geçerek Temmuz 2004'te Satürn'e ulaştı. Bu rota 2019'da "bugüne dek uçulmuş en karmaşık kütleçekimsel sapan yörüngesi" olarak anıldı.
• Galileo: 1989'da fırlatıldı; Venüs'ten bir (1990), Dünya'dan iki (1990 ve 1992) sapan alarak Aralık 1995'te Jüpiter'e vardı.
• Parker Solar Probe: 2018'de fırlatıldı; Güneş'e giderek yaklaşabilmek için yedi Venüs geçişiyle yörüngesini küçülttü.

Tarihçe

Fikrin kökleri Yuri Kondratyuk'un 1918-1919'da yazıp 1938'de yayımlanan çalışmasına ve Friedrich Zander'in 1925 tarihli makalesine uzanır. Manevra ilk kez 1959'da Luna 3 ile denendi: araç hızlanmadı, ama yörüngesi Ay'ın uzak yüzünün fotoğraflarını Dünya'ya iletmesine olanak verecek biçimde değişti. 1961'de NASA'nın JPL'sinde çalışan öğrenci Michael Minovitch tekniği geliştirdi; Gary Flandro 1964 yazında dış gezegenlerin 1970'lerin sonunda seyrek bir dizilişe geleceğini fark ederek Voyager'ların yolunu açtı.

Bugün gezegenler arası görevlerin birçoğu bir ya da birkaç kütleçekimsel sapan içerir. Avrupa'nın JUICE ve BepiColombo görevleri de bu yöntemle planlandı.

Sık yapılan yanlışlar

Birçok kişi sapanın "bedava enerji" olduğunu sanır; oysa enerji gezegenin yörünge enerjisinden alınır ve korunur. Gezegen çok küçük bir miktar yavaşlar ya da hızlanır; ama gezegenin yörüngesindeki bu değişim ölçülemeyecek kadar küçüktür.

Bir diğer yanlış, aracın gezegene göre hızlandığıdır. Gezegenin referans çerçevesinde aracın hızı girişte ve çıkışta aynıdır; hız kazancı yalnızca Güneş'e göre görülür. Bu yüzden Güneş'e göre doğru yönde ve doğru anda geçmek şarttır.

Sapan her yöne aynı işe yaramaz. Hız kazanmak için gezegenin arkasından geçmek, hız kaybetmek için önünden geçmek gerekir. Ayrıca kalkış penceresi birkaç haftalık dar bir zaman dilimi olabilir; kaçırılırsa bir sonraki fırsat yıllar sonra gelir. Çarpışma riski ve gezegenin radyasyon kuşakları da rota seçimini kısıtlar.

İlgili terimler

• Delta-v
• Yörünge
• Hohmann geçiş yörüngesi
• Kaçış hızı
• Voyager