Hledal jsem sondu ExoMars a našel jsem pravdu o vesmírných dálnicích

Kosmická loď ExoMars Evropské kosmické agentury v současné době cestuje po nebeské dálnici, osm dní do své sedmiměsíční cesty na Rudou planetu. Víme, že to bude 19. října na Marsu, ale kde bude za měsíc? Nebo čtvrtého července? Zdálo se mi, že jeho poloha je pro mě vypočítatelná.S ohledem na čas zrychlení kosmické lodi, cestovní rychlost a vzdálenost od Marsu při startu, jsem si myslel, že můžu křičet několik čísel. To bylo - teď vím - čistá arogance. Raketová věda je kulturním kamenem, klišé z nějakého důvodu.

Našel jsem to, když jsem se snažil najít kosmickou loď.

Vesmírné dálnice nejsou jako pozemní silnice, Michael Khan, Ph.D., odborník na nebeské mechaniky v Úřadu pro analýzu misí ESA, vysvětlil, kdy jsem požádal o jeho radu při vyhledávání ExoMars. Je-li jedna věc na paměti, říká, je to takto: Ve vesmíru nejsou žádné přímky. V krásně napsaném e-mailu vysvětlil, proč se všichni musíme naučit jezdit na křivce - a proč je budoucnost vesmírného cestování nekonečně složitější, než si myslíme.

Místo toho, abych se pokusil shrnout jeho vysvětlení, vložím to níže, protože je to krásné.

Obávám se nebeské mechaniky, což je věda, která je základem pro výpočet trajektorií všech drah ve vesmíru (přirozených nebo umělých), funguje trochu jinak než to, co považujete za předpoklad.

Meziplanetární přenos ze Země na jinou planetu (v tomto případě Mars) není záležitostí létání na přímé lince s danou cestovní rychlostí, jakou by letadlo na Zemi, nebo jako loď, která se plaví oceánem, s některé změny směru na zadaných trasových bodech. V solární soustavě to tak není. Protože to takhle nefunguje, nemyslím si, že to bude jednoduché (nebo dokonce možné) provádět jednoduché, hrubé a připravené výpočty, kde bude ExoMars v jakou dobu.

V podstatě, zákony přírody, které řídí let objektu vesmírem, byly Isaac Newton a Johannes Kepler před staletími. Trochu zjednoduším: Země a Mars se pohybují na oběžné dráze, které jsou víceméně kruhové (pro Mars to není úplně pravda, ale funguje to pro začátečníky). Nyní máme oběžnou dráhu Země, široký kruh kolem Slunce a oběžnou dráhu Marsu, ještě širší kruh, který má také Slunce v jeho středu.

Trajektorie přenosu následovaná ExoMars je elipsa. Tam, kde je tato elipsa nejblíže Slunci, obíhá orbitu Země. Tam, kde je nejvzdálenější od Sub, obírá dráhu Marsu. Kosmická loď letí z tohoto nejnižšího bodu do nejvzdálenějšího bodu. To dosáhlo elipsy enormní podporou, kterou mu přinesla protonová raketa, která byla použita pro spuštění ExoMars, házet to tak vysoko a rychle, že kosmická loď vlastně opustí zemskou gravitaci právě správnou rychlostí a směrem, aby splnila požadovanou přenosovou elipsu. na Mars. V tomto bodě (útěk Země) byl ExoMars o něco rychlejší než Země na oběžné dráze kolem Slunce.

Na této přenosové elipse bude rychlost ExoMars neustále klesat. Abychom pochopili, proč je to tak, představte si hodinové kyvadlo, Jak kyvadlo stoupá nahoru, pohybuje se pomaleji a pomaleji. Je to proto, že existují dva druhy energie: potenciální energie (= výška energie) a kinetická energie (= energie pohybu). Oběžná dráha kosmické lodi má určitou celkovou energii. Toto bylo dáno launcherem. Tato energie se nezvyšuje. Je to jako kapesné nebo plat, musíme to udělat jako poslední.

Kdyby raketa nedala dostatek energie, oběžné dráhy ExoMars by se nedostaly na oběžnou dráhu Marsu. Naopak, pokud by raketa přinesla příliš mnoho energie, oběžná dráha kosmické lodi by zašla za oběžnou dráhu Marsu. Tak jsme chtěli (a dostali) přesně to správné množství energie, ne příliš málo, ale ne moc. To se liší od kapesného nebo platu, kde je příliš mnoho rozhodně lepší než příliš málo.

Nyní, na eliptickém převodu, kosmická loď, která vylezla od Slunce směrem k oběžné dráze Marsu, a Slunce se drží na kosmické lodi svou gravitací. Tak jak ExoMars leze, jeho výška energie roste. Proto se musí pohybová energie snížit. Celková energie zůstává stejná. Takže na svém letu na Mars se ExoMars neustále pomaleji a pomaleji.

Pro výpočet převodu je jedna věc, kterou je naprosto nutné vzít v úvahu, gravitační přitažlivost skrze slunce. Existují i ​​další efekty, jako je velmi malý tlak světla na sluneční pole a gravitace planet ve sluneční soustavě, a samozřejmě musíme vzít v úvahu při každém použití raketových motorů na palubě ExoMars pro změnu oběžné dráhy. To vše však má mnohem menší účinek než sluneční gravitace.

V podstatě používáme počítač pro výpočet trajektorie kosmické lodi s přihlédnutím ke všem faktorům, které ovlivňují trajektorii, a můžeme také měřit, kde je kosmická loď a jak rychle se pohybuje od doby, kdy signály přebírají ze Země na Zemi. časem se mění frekvence signálu.

V pozdějším e-mailu dodal:

Nejdůležitější věc, kterou vidíte, je, že trajektorie ExoMars, stejně jako všechny trajektorie v prostoru, je výrazně zakřivená. Ve vesmíru nejsou žádné přímky. Jakmile budete mít těla, která mají hmotu, jako jsou hvězdy a planety, máte gravitaci, a v přítomnosti gravitace, všechno bude létat na křivkách. Křivky jsou přirozené, přímky nejsou. Vzdálenost zakrytá po zakřivené červené čáře od Země k Marsu je asi 500 milionů kilometrů, aby to bylo v rozporu. Půl miliardy kilometrů.