Я шукав пошуки ExoMars і знайшов правду про космічні магістралі

Космічний апарат ExoMars Європейського космічного агентства зараз плаває по небесній магістралі за вісім днів до свого семимісячного подорожі до Червоної планети. Ми знаємо, що вона вилетить на Марс 19 жовтня, але де вона буде через місяць? Або Четвертого липня? Його місце розташування здавалося мені розрахунковим.Враховуючи час прискорення космічного апарату, крейсерську швидкість і відстань від Марса під час запуску, я вирішив, що можу перекрити деякі цифри. Це було - я знаю зараз - чиста гордість. Ракетна наука є культурним сенсорним каменем, навіть кліше, з певної причини.

Я знайшов це, намагаючись знайти космічний корабель.

Космічні магістралі не схожі на наземні дороги, пояснив доктор філософії Майкл Хан, експерт з небесної механіки в офісі з аналізу місії ЄКА, коли я попросив його поради щодо розміщення ExoMars. Якщо є одна річ, про яку слід пам'ятати, він каже, що це так: у просторі немає прямих ліній. У красиво написаному електронному листі він пояснив, чому ми всі повинні навчитися їздити на кривій - і чому майбутнє космічних подорожей нескінченно складніше, ніж ми думаємо.

Замість того, щоб намагатися узагальнити його пояснення, я збираюся вставити його нижче, тому що вона прекрасна.

Я боюся небесної механіки, яка є наукою, що лежить в основі розрахунку траєкторій всіх орбіт у просторі (природного чи техногенного), працює трохи інакше, ніж те, що ви, здається, передбачаєте.

Міжпланетний перехід від Землі до іншої планети (в даному випадку, Марса) не є питанням польоту на прямій лінії з заданою крейсерською швидкістю, як би літак на Землі, або як корабель, який круїз по океану, деякі зміни в напрямку на заданих точках. Це не так працює в Сонячній системі. Тому що це не працює так, я не думаю, що це буде простим (або навіть можливим) робити прості, грубі та готові розрахунки щодо того, де ExoMars буде в який час.

В основному, закони природи, що керують польотом об'єкта через простір, були Ісаком Ньютоном і Йоганном Кеплером століть тому. Я трохи спрощу: Земля і Марс рухаються по орбітах, які більш-менш кругові (для Марса це не зовсім вірно, але це працює для початківців). Тепер ми маємо орбіту Землі, широке коло навколо Сонця і орбіту Марса, ще більш широке коло, яке також має Сонце в його центрі.

Траєкторія передачі, за якою слідує ExoMars, є еліпсом. Там, де цей еліпс найбільш близький до Сонця, він пасеться на орбіті Землі. Там, де вона найвіддаленіша від Суб, вона пасеться на орбіті Марса. Космічний апарат летить від цієї найнижчої точки до найдальшої точки. Вона досягла еліпса завдяки величезному посиленню, що було передано їй ракетою протона М, яка використовувалася для запуску ExoMars, викидаючи її так високо і швидко, що космічний апарат фактично залишає Землю тяжіння з потрібною швидкістю і напрямком, щоб задовольнити необхідну еліпс передачі. до Марса. На цьому етапі (Земний втеча), ExoMars був зовсім трохи швидше Землі на своїй орбіті навколо Сонця.

На цьому еліпсі передачі швидкість ExoMars буде постійно зменшуватися. Щоб зрозуміти, чому це так, уявіть годинниковий маятник, коли маятник розгойдується, він рухається повільніше і повільніше. Це тому, що існує два види енергії: потенційна енергія (= енергія висоти) і кінетична енергія (= енергія руху). Орбіта космічного апарату має певну сумарну енергію. Це було передано пусковою установкою. Ця енергія не зростає. Це як кишенькові гроші або зарплата, ми просто повинні зробити це останнім.

Якби ракета не дала їй достатньо енергії, орбіта ExoMars не вийшла б на орбіту Марса. І навпаки, якщо ракета надала занадто багато енергії, орбіта космічного апарату вийшла б за межі орбіти Марса. Тому ми хотіли (і отримали) саме потрібну кількість енергії, не надто мало, але не надто багато. Це відрізняється від кишенькових грошей або зарплати, де занадто багато чого краще, ніж занадто мало.

Тепер, на еліптичній передачі, космічний апарат він сходить від Сонця до орбіти Марса, і Сонце тримається за космічний корабель з його гравітацією. Так як ExoMars піднімається, його енергія висоти збільшується. Тому енергія руху повинна зменшуватися. Загальна енергія залишається незмінною. Таким чином, на своєму польоті на Марс, ExoMars постійно стає повільніше і повільніше.

Щоб обчислити передачу, одна річ, яку абсолютно треба враховувати, - це тяжіння тяжіння через сонце. Є також інші ефекти, такі як дуже малий тиск світла на сонячні масиви і тяжкість планет Сонячної системи, і, звичайно, ми повинні враховувати кожен раз, коли ми використовуємо ракетні двигуни на борту ExoMars, щоб змінити орбіту. Але все це має набагато менший ефект, ніж сонячна гравітація.

По суті, ми використовуємо комп'ютер для обчислення траєкторії космічного апарату з урахуванням всіх факторів, що впливають на траєкторію, і ми можемо також виміряти, де знаходиться космічний апарат і як швидко він рухається від часу, коли сигнали приймають, щоб подорожувати від Землі до космічний апарат і назад і, до речі, частота сигналу змінюється з часом.

У пізнішому електронному листі він додав:

Найбільш важливим є те, що траєкторія ExoMars, як і всі траєкторії в просторі, виразно викривлена. У просторі немає прямих ліній. Як тільки у вас є тіла, які мають масу, такі як зірки і планети, у вас є сила тяжіння, і при наявності гравітації, все буде літати на кривих. Криві природні, прямих не є. Відстань, що проходить за криволінійною червоною лінією від Землі до Марса, становить близько 500 мільйонів кілометрів. Півмільярда кілометрів.