Poszedłem szukać sondy ExoMars i znalazłem prawdę o autostradach kosmicznych

Sonda kosmiczna ExoMars Europejskiej Agencji Kosmicznej płynie obecnie niebiańską autostradą, osiem dni po swojej siedmiomiesięcznej podróży na Czerwoną Planetę. Wiemy, że wyląduje na Marsie 19 października, ale gdzie będzie za miesiąc? Lub czwartego lipca? Jego lokalizacja wydawała mi się obliczalna.Biorąc pod uwagę czas przyspieszania statku kosmicznego, prędkość przelotową i odległość od Marsa w momencie startu, pomyślałem, że mogę zgnieść kilka liczb. To było - wiem teraz - czysta pycha. Nauka rakietowa jest kulturalnym kamieniem milowym, banałem, nawet z jakiegoś powodu.

Odkryłem to podczas próby znalezienia statku kosmicznego.

Autostrady kosmiczne nie są jak drogi ziemskie, dr Michael Khan, ekspert ds. Mechaniki niebieskiej w Biurze Analizy Misji ESA, wyjaśnił, kiedy poprosiłem go o radę dotyczącą lokalizacji ExoMars. Jeśli jest jedna rzecz, o której należy pamiętać, mówi, to jest to: nie ma prostych linii w przestrzeni. W pięknie napisanym e-mailu wyjaśnił, dlaczego wszyscy będziemy musieli nauczyć się jeździć na zakrętach - i dlaczego przyszłość podróży kosmicznych jest nieskończenie bardziej skomplikowana niż nam się wydaje.

Zamiast próbować podsumować jego wyjaśnienie, wkleję je poniżej, ponieważ jest piękne.

Obawiam się, że mechanika niebiańska, która jest nauką leżącą u podstaw obliczania trajektorii wszystkich orbit w przestrzeni (naturalnej lub sztucznej), działa nieco inaczej niż się wydaje.

Międzyplanetarny transfer z Ziemi na inną planetę (w tym przypadku Mars) nie jest kwestią latania po linii prostej o danej prędkości przelotowej, tak jak samolot na Ziemi, lub jak statek płynący przez ocean, z niektóre zmiany kierunku w danych punktach. To nie działa w układzie słonecznym. Ponieważ nie działa to w ten sposób, nie sądzę, by proste (lub nawet możliwe) były proste, surowe i gotowe obliczenia dotyczące tego, gdzie będą ExoMars.

Zasadniczo prawa natury rządzące lotem obiektu przez przestrzeń były wieki temu Izaak Newton i Johannes Kepler. Uproszczę trochę: Ziemia i Mars poruszają się po orbitach, które są mniej lub bardziej okrągłe (dla Marsa nie jest to do końca prawdą, ale działa to na początek). Teraz mamy orbitę Ziemi, szeroki okrąg wokół Słońca i orbitę Marsa, jeszcze szerszy okrąg, który ma również Słońce w środku.

Trajektoria transferu, po której następuje ExoMars, to elipsa. Tam, gdzie elipsa jest najbliżej Słońca, otacza orbitę Ziemi. Tam, gdzie jest najdalej od łodzi podwodnej, otacza orbitę Marsa. Statek kosmiczny leci z tego najniższego punktu do najdalszego punktu. Osiągnął on elipsę dzięki ogromnemu wzmocnieniu, jakie nadała mu rakieta protonowa M, która została użyta do uruchomienia ExoMars, rzucając ją tak wysoko i szybko, że sonda faktycznie opuszcza grawitację Ziemi z właściwą prędkością i kierunkiem, aby spełnić wymaganą elipsę transferową Na marsa. W tym momencie (ucieczka z Ziemi), ExoMars był nieco szybszy niż Ziemia na swojej orbicie wokół Słońca.

W przypadku tej elipsy transferowej prędkość ExoMars będzie się stale zmniejszać. Aby zrozumieć, dlaczego tak jest, wyobraź sobie wahadło zegara. Gdy wahadło podnosi się, porusza się wolniej i wolniej. Dzieje się tak, ponieważ istnieją dwa rodzaje energii: energia potencjalna (= energia wysokości) i energia kinetyczna (= energia ruchu). Orbita statku kosmicznego ma pewną całkowitą energię. Zostało to przekazane przez wyrzutnię. Ta energia nie wzrasta. To jak kieszonkowe lub wynagrodzenie, musimy po prostu to zrobić.

Gdyby rakieta nie dawała wystarczającej energii, orbita ExoMars nie dotarłaby na orbitę Marsa. I odwrotnie, gdyby rakieta przekazała zbyt dużo energii, orbita statku kosmicznego przekroczyłaby orbitę Marsa. Więc chcieliśmy (i otrzymaliśmy) dokładnie taką ilość energii, nie za mało, ale nie za dużo. Różni się to od kieszonkowego lub wynagrodzenia, gdzie zdecydowanie za dużo jest lepiej niż za mało.

Teraz, podczas eliptycznego transferu, statek kosmiczny wspina się od Słońca w kierunku orbity Marsa, a Słońce trzyma się statku kosmicznego swoją grawitacją. W miarę wspinania się ExoMars wzrasta jego wysokość. Dlatego energia ruchu musi się zmniejszyć. Całkowita energia pozostaje taka sama. Tak więc podczas lotu na Marsa ExoMars stale się spowalnia i spowalnia.

Aby obliczyć transfer, jedyną rzeczą, którą absolutnie trzeba wziąć pod uwagę, jest przyciąganie grawitacyjne przez słońce. Istnieją również inne efekty, takie jak bardzo mały nacisk światła na panele słoneczne i grawitacja planet w Układzie Słonecznym, i oczywiście musimy wziąć pod uwagę za każdym razem, gdy używamy silników rakietowych na pokładzie ExoMars do zmiany orbity. Ale to wszystko ma znacznie mniejszy wpływ niż grawitacja słoneczna.

Zasadniczo używamy komputera do obliczenia trajektorii statku kosmicznego, biorąc pod uwagę wszystkie czynniki, które wpływają na trajektorię, a także możemy zmierzyć, gdzie znajduje się statek kosmiczny i jak szybko podróżuje od chwili, gdy sygnały przejdą z Ziemi do statek kosmiczny iz powrotem, a przy okazji częstotliwość sygnału zmienia się w czasie.

W późniejszym e-mailu dodał:

Najważniejszą rzeczą, jaką widzisz, jest to, że trajektoria ExoMars, podobnie jak wszystkie trajektorie w przestrzeni, jest wyraźnie zakrzywiona. W przestrzeni nie ma prostych linii. Kiedy masz ciała, które mają masę, takie jak gwiazdy i planety, masz grawitację, aw obecności grawitacji wszystko będzie latać na krzywych. Krzywe są naturalne, linie proste nie. Odległość pokonana po zakrzywionej czerwonej linii od Ziemi do Marsa wynosi około 500 milionów kilometrów, aby ująć to w perspektywie. Pół miliarda kilometrów.