Tražio sam istragu ExoMarsa i pronašao istinu o svemirskim autocestama

Svemirska letjelica ExoMars Europske svemirske agencije trenutno putuje niz nebesku autocestu, osam dana prije svog sedmomjesečnog putovanja na Crveni planet. Znamo da će sletjeti na Mars 19. listopada, ali gdje će biti za mjesec dana? Ili četvrtog srpnja? Njezin mi je položaj izgledao izračunljiv.S obzirom na vrijeme ubrzanja svemirske letjelice, brzinu krstarenja i udaljenost od Marsa pri lansiranju, shvatio sam da bih mogao procijeniti neke brojeve. To je - sada znam - čista oholost. Raketna znanost je kulturni mjerni kamen, čak i klišej, s razlogom.

Našao sam ovo dok sam pokušavao pronaći letjelicu.

Svemirske autoceste nisu poput kopnenih cesta, dr. Michael Khan, stručnjak za nebesku mehaniku u ESA-inom Uredu za analizu misija, objasnio je kad sam zatražio njegov savjet o pronalaženju ExoMarsa. Ako postoji jedna stvar koju trebate imati na umu, on kaže, to je sljedeće: u prostoru nema ravnih linija. U lijepo napisanom e-mailu, objasnio je zašto ćemo svi morati naučiti voziti na krivulji - i zašto je budućnost svemirskih putovanja beskrajno složenija nego što mislimo.

Umjesto da pokušam sažeti njegovo objašnjenje, zalijepit ću ga dolje jer je lijepa.

Bojim se da je nebeska mehanika, znanost na kojoj se temelji izračun trajektorija svih orbita u prostoru (prirodna ili umjetna), djeluje malo drugačije od onoga što se čini da pretpostavljate.

Međuplanetarni transfer od Zemlje do drugog planeta (u ovom slučaju Marsa) nije stvar letenja ravnom linijom s danom brzinom krstarenja kao što bi zrakoplov na Zemlji, ili poput broda koji putuje oceanom, neke promjene smjera na određenim putnim točkama. To nije način na koji djeluje u Sunčevom sustavu. Budući da ne radi ovako, ne mislim da će biti jednostavno (ili čak moguće) napraviti jednostavne, grube i spremne izračune o tome gdje će ExoMars biti u koje vrijeme.

U osnovi, zakoni prirode koji upravljaju letom predmeta kroz svemir bili su prije Isaaca Newtona i Johannesa Keplera. Malo ću pojednostavniti: Zemlja i Mars kreću se na orbite koje su manje ili više kružne (za Mars to nije posve točno, ali to je za početak). Sada imamo Zemljinu orbitu, široki krug oko Sunca i Marsovu orbitu, još širi krug koji također ima Sunce u svom središtu.

Putanja prijenosa nakon koje slijedi ExoMars je elipsa. Tamo gdje je ova elipsa najbliža Suncu, ona oplakuje orbitu Zemlje. Tamo gdje je najudaljeniji od Suba, on pasira Marsovu orbitu. Svemirska letjelica leti od ove najniže do najdalje točke. Stigla je do elipse ogromnim poticajima koje mu je pružila raketa protona M koja je korištena za lansiranje ExoMarsa, bacivši je tako visoko i brzo da svemirska letjelica zapravo napušta Zemljinu gravitaciju s pravom brzinom i smjerom kako bi ispunila potrebnu elipsu prijenosa. na Mars. U ovom trenutku (bijeg od Zemlje), ExoMars je bio prilično brži od Zemlje na svojoj orbiti oko Sunca.

Na ovoj elipsi prijenosa brzina ExoMarsa stalno će se smanjivati. Da biste razumjeli zašto je to tako, zamislite klatno sata, dok se klatno naglo okreće, kreće se sporije i sporije. To je zato što postoje dvije vrste energije: potencijalna energija (= energija visine) i kinetička energija (= energija gibanja). Orbita letjelice ima određenu ukupnu energiju. To je dalo pokretač. Ta se energija ne povećava. To je kao džeparac ili plaća, samo moramo to učiniti posljednjim.

Da mu raketa nije dala dovoljno energije, orbita ExoMarsa ne bi stigla do Marsove orbite. Nasuprot tome, ako bi raketa dala previše energije, orbita bi letjela daleko izvan Marsove orbite. Željeli smo (i dobili) točno onu količinu energije, ne premalo, ali ne previše. To se razlikuje od džeparca ili plaće, gdje je previše definitivno bolje nego premalo.

Sada, na eliptičnom prijenosu, svemirska letjelica se penje od Sunca prema Marsovoj orbiti, a Sunce se drži svemirske letjelice svojom gravitacijom. Kako se ExoMars penje, njegova se visinska energija povećava. Stoga se energija gibanja mora smanjiti. Ukupna energija ostaje ista. Tako na svom letu na Mars, ExoMars kontinuirano dobiva sporije i sporije.

Da bi se izračunao prijenos, jedna stvar koju apsolutno treba uzeti u obzir je gravitacijska privlačnost kroz sunce. Postoje i drugi učinci kao što su vrlo mali pritisak svjetlosti na solarne nizove i gravitacija planeta u Sunčevom sustavu, i naravno, moramo uzeti u obzir svaki put kada koristimo raketne motore na ExoMarsu za promjenu orbite., Ali sve to ima mnogo manji učinak od sunčeve gravitacije.

U osnovi, mi koristimo računalo za izračunavanje putanje svemirske letjelice uzimajući u obzir sve čimbenike koji utječu na putanju, a također možemo mjeriti gdje je svemirska letjelica i koliko brzo putuje od vremena kada signali odlaze na put od Zemlje do svemirska letjelica i natrag te, usput, frekvencija signala mijenja se tijekom vremena.

U kasnijoj e-poruci dodao je:

Najvažnija stvar koju vidite je da je putanja ExoMarsa, kao i sve putanje u prostoru, izrazito zakrivljena. U prostoru nema ravnih crta. Jednom kada imate tijela koja imaju masu, kao što su zvijezde i planete, imate gravitaciju, a uz prisutnost gravitacije, sve će letjeti na oblinama. Krivulje su prirodne, ravne crte nisu. Udaljena udaljenost koja slijedi zakrivljenu crvenu crtu od Zemlje do Marsa iznosi oko 500 milijuna kilometara, da bi se to stavilo u perspektivu. Pola milijarde kilometara.