Hľadal som sondu ExoMars a našiel som pravdu o vesmírnych cestách

Kozmická loď ExoMars Európskej vesmírnej agentúry v súčasnosti cestuje po nebeskej diaľnici, osem dní na svoju sedemmesačnú cestu na Červenú planétu. Vieme, že 19. októbra bude pristáť na Marse, ale kde bude mesiac? Alebo štvrtého júla? Zdalo sa mi, že jeho poloha sa dá vypočítať.S ohľadom na čas zrýchlenia kozmickej lode, cestovnú rýchlosť a vzdialenosť od Marsu pri štarte, som si myslel, že by som mohol poraziť niektoré čísla. To bolo - teraz už viem - čisté hrdinstvo. Raketová veda je kultúrnym kameňom, klišé aj z nejakého dôvodu.

Našiel som to, zatiaľ čo sa snažím nájsť kozmickú loď.

Vesmírne diaľnice nie sú ako pozemné cesty, Michael Khan, Ph.D., expert na nebeskú mechaniku na Úrade misie agentúry ESA, vysvetlil, keď som požiadal o jeho radu pri hľadaní ExoMars. Ak je jedna vec na pamäti, hovorí, je to takto: Vo vesmíre nie sú žiadne rovné čiary. V krásne napísanom e-maile vysvetlil, prečo sa všetci musíme naučiť jazdiť na krivke - a prečo je budúcnosť vesmírneho cestovania nekonečne zložitejšia, než si myslíme.

Namiesto toho, aby som sa snažil zhrnúť jeho vysvetlenie, vložím ho nižšie, pretože je to krásne.

Obávam sa nebeskej mechaniky, ktorá je vedou, ktorá je základom pre výpočet trajektórií všetkých dráh vo vesmíre (prirodzených alebo človekom vytvorených), funguje trochu inak ako to, čo sa zdá byť predpokladom.

Medziplanetárny transfer zo Zeme na inú planétu (v tomto prípade Mars) nie je záležitosťou lietania na priamke s danou cestovnou rýchlosťou, ako je lietadlo na Zemi, alebo ako loď, ktorá sa plaví cez oceán, s niektoré zmeny smeru pri daných trasových bodoch. V slnečnej sústave to tak nie je. Keďže to tak nie je, nemyslím si, že to bude jednoduché (alebo dokonca možné) urobiť jednoduché, hrubé a pripravené výpočty, kde bude ExoMars v akom čase.

V podstate zákony prírody riadiace let objektu vesmírom boli Isaac Newton a Johannes Kepler pred storočiami. Zjednodušujem len trochu: Zem a Mars sa pohybujú na obežných dráhach, ktoré sú viac či menej kruhové (pre Mars to nie je úplne pravda, ale funguje to pre začiatočníkov). Teraz máme obežnú dráhu Zeme, široký kruh okolo Slnka a obežnú dráhu Marsu, ešte širší kruh, ktorý má aj Slnko v jeho strede.

Trajektória prenosu, po ktorej nasleduje ExoMars, je elipsa. Tam, kde je táto elipsa najbližšie k Slnku, spása obežnú dráhu Zeme. Tam, kde je najvzdialenejšie od Sub, sa pasie na obežnú dráhu Marsu. Kozmická loď letí z tohto najnižšieho bodu do najvzdialenejšieho bodu. Dosiahla elipsu enormným impulzom, ktorý jej priniesla raketa protónu M, ktorá sa použila na spustenie ExoMars. na Mars. V tomto bode (únik Zeme) bol ExoMars o niečo rýchlejší ako Zem na obežnej dráhe okolo Slnka.

Na tejto prenosovej elipse bude rýchlosť ExoMars neustále klesať. Ak chcete pochopiť, prečo je to tak, predstavte si hodinové kyvadlo, Keď kyvadlo vyskočí hore, pohybuje sa pomalšie a pomalšie. Je to preto, lebo existujú dva druhy energie: potenciálna energia (= energia výšky) a kinetická energia (= energia pohybu). Obežná dráha kozmickej lode má určitú celkovú energiu. Toto bolo dané raketometom. Táto energia sa nezvyšuje. Je to ako vreckové alebo plat, musíme to urobiť ako posledné.

Ak by raketa nedostala dostatok energie, obežná dráha ExoMars by sa nedostala na obežnú dráhu Marsu. Naopak, ak by raketa dala príliš veľa energie, obežná dráha kozmickej lode by išla za obežnú dráhu Marsu. Tak sme chceli (a dostali) presne to správne množstvo energie, nie príliš málo, ale nie príliš veľa. To sa líši od vreckového alebo platu, kde je príliš veľa lepších ako príliš málo.

Teraz, pri eliptickom prenose, sa kozmická loď, ktorá sa vyšplhala od Slnka smerom na obežnú dráhu Marsu, a Slnko drží na kozmickej lodi svojou gravitáciou. Tak ako ExoMars lezie, jeho výška energie sa zvyšuje. Preto musí klesať energia pohybu. Celková energia zostáva rovnaká. Takže na svojom lete na Mars sa ExoMars neustále pomaly a pomalšie.

Ak chcete vypočítať prenos, jedna vec, ktorú je absolútne potrebné vziať do úvahy, je gravitačná príťažlivosť cez slnko. Existujú aj iné účinky, ako napríklad veľmi malý tlak svetla na slnečné pole a gravitácia planét v slnečnej sústave, a samozrejme musíme brať do úvahy vždy, keď na palubu ExoMars použijeme raketové motory., Ale toto všetko má omnoho menší účinok ako slnečná gravitácia.

V podstate používame počítač na výpočet trajektórie kozmickej lode berúc do úvahy všetky faktory, ktoré ovplyvňujú trajektóriu, a môžeme tiež merať, kde je kozmická loď a ako rýchlo sa pohybuje od času, keď sa signály dostanú na cestu zo Zeme na Zem. časom sa mení frekvencia signálu.

V neskoršom e-maile dodal:

Najdôležitejšia vec, ktorú vidíte, je, že trajektória ExoMars, podobne ako všetky trajektórie v priestore, je výrazne zakrivená. Vo vesmíre nie sú žiadne rovné čiary. Akonáhle budete mať telá, ktoré majú hmotnosť, ako sú hviezdy a planéty, máte gravitáciu a v prítomnosti gravitácie všetko bude lietať na krivkách. Krivky sú prirodzené, priamky nie sú. Vzdialenosť, ktorá nasleduje po zakrivenej červenej čiare zo Zeme na Mars, je asi 500 miliónov kilometrov, aby sa to dalo do úvahy. Pol miliardy kilometrov.