Aš ieškojau ExoMars zondo ir rado tiesą apie kosminius kelius

Europos kosmoso agentūros „ExoMars“ erdvėlaivis šiuo metu vyksta į dangaus greitkelį, aštuonias dienas į savo septynių mėnesių kelionę į Raudonąją planetą. Mes žinome, kad tai nutiks Marsui spalio 19 d., Bet kur ji bus per mėnesį? Arba ketvirta liepos? Jo vieta man atrodė apskaičiuojama. Turint omenyje erdvėlaivio pagreitinimo laiką, kreiserinį greitį ir atstumą nuo Marso paleidimo metu, aš suprato, kad galėčiau nukopijuoti kai kuriuos numerius. Tai buvo - aš žinau dabar - grynas. Raketų mokslas yra kultūrinis akmuo, net ir dėl kliūčių.

Aš tai išsiaiškinau bandydamas rasti erdvėlaivį.

Erdviniai greitkeliai nepatinka antžeminių kelių, Michael Khan, daktaras, ESA misijos analizės tarnybos dangiškojo mechaniko ekspertas, paaiškino, kai paprašiau jo patarimo, kaip rasti „ExoMars“. Jei yra vienas dalykas, kurį reikia nepamiršti, jis sako: „Erdvėje nėra tiesių linijų. Gražiai parašytame el. Laiške jis paaiškino, kodėl mes visi turime išmokti vairuoti kreivę - ir kodėl kosminės kelionės ateitis yra be galo sudėtingesnė nei manome.

Užuot mėginęs apibendrinti jo paaiškinimą, aš jį įklijuosiu žemiau, nes jis yra gražus.

Bijau dangiškosios mechanikos, kuri yra mokslas, kuriuo remiantis apskaičiuojamas visų erdvėje esančių orbitų trajektorijos (natūralios ar žmogaus sukeltos), veikia šiek tiek kitaip nei tai, ką jūs manote.

Tarpplanetinis perkėlimas iš Žemės į kitą planetą (šiuo atveju, Marso) nėra klausimas, kaip skristi tiesia linija su tam tikru kreiseriniu greičiu, kaip orlaivis ant žemės, arba kaip laivas, kuris plaukioja per vandenyną, kai kurie krypties pakeitimai tam tikruose taškuose. Tai ne taip, kaip ji veikia saulės sistemoje. Kadangi tai neveikia, nemanau, kad tai būtų paprasta (ar netgi įmanoma) atlikti paprastus, grubus ir pasirengusius skaičiavimus, kur bus „ExoMars“.

Iš esmės, gamtos įstatymai, reglamentuojantys objekto skraidymą per kosmosą, buvo prieš Isaaką Newtoną ir Johannesą Keplerį prieš šimtmečius. Aš šiek tiek supaprastinsiu: Žemė ir Marsas judės orbitomis, kurios yra daugiau ar mažiau apskritos (Marso atveju tai nėra visiškai teisinga, bet veikia starteriams). Dabar mes turime Žemės orbitą, platų apskritimą aplink Saulę ir Marso orbitą, dar platesnį ratą, kuris taip pat turi Saulę savo centre.

Perdavimo trajektorija, po kurios eina „ExoMars“, yra elipsė. Kai ši elipsė yra arčiausiai Saulės, ji gražia Žemės orbitą. Kur jis yra toliausiai nuo Sub, jis gražia Marso orbitą. Kosminis laivas skrenda iš šio žemiausio taško iki tolimiausio taško. Jis pasiekė didžiulį impulsą, kurį jam suteikė protonų M raketas, kuris buvo naudojamas „ExoMars“ paleidimui. Jis buvo toks didelis ir greitas, kad kosminis laivas iš tikrųjų palieka Žemės sunkumą tik reikiamu greičiu ir kryptimi, kad atitiktų reikiamą perdavimo elipsę į Marsą. Šiuo metu („Earth escape“) „ExoMars“ buvo šiek tiek greičiau nei Žemė savo orbitoje aplink Saulę.

Dėl šio perkėlimo elipsės „ExoMars“ greitis nuolat mažės. Norėdami suprasti, kodėl taip yra, įsivaizduokite laikrodžio švytuoklę. Kai švytuoklė sukasi, jis juda lėčiau ir lėčiau. Taip yra todėl, kad yra dvi energijos rūšys: potencinė energija (= aukščio energija) ir kinetinė energija (= judesio energija). Kosminio laivo orbitoje yra tam tikra bendra energija. Tai davė paleidėjas. Ši energija nepadidėja. Tai, pavyzdžiui, kišeniniai pinigai ar atlyginimas, mes tiesiog turime tai padaryti.

Jei raketai nepateikė pakankamai energijos, „ExoMars“ orbita nebūtų pasiekusi Marso orbitos. Ir atvirkščiai, jei raketos energija buvo pernelyg didelė, erdvėlaivių orbita būtų nutolusi per Marso orbitą. Taigi norėjome (ir gavome) tiksliai reikiamą energijos kiekį, o ne per mažai, bet ne per daug. Tai skiriasi nuo kišeninių pinigų ar darbo užmokesčio, kur per daug neabejotinai yra geresnis nei per mažas.

Dabar, elipsės pernešimo metu, kosminis laivas išlipo nuo Saulės link Marso orbitos, o Saulė laikosi erdvėlaivio su sunkiu jėga. Taigi, kai „ExoMars“ lipa, padidėja jo aukščio energija. Todėl judesio energija turi sumažėti. Bendra energija lieka tokia pati. Taigi, skrydis į Marsą, „ExoMars“ nuolat tampa lėčiau ir lėčiau.

Norint apskaičiuoti perkėlimą, vienas dalykas, į kurį reikia atsižvelgti, yra gravitacinis patraukimas per saulę. Taip pat yra ir kitų efektų, pavyzdžiui, labai mažas šviesos slėgis saulės masyvuose ir planetų sunkumas saulės sistemoje, ir, žinoma, turime atsižvelgti į kiekvieną kartą, kai mes naudojame raketų variklius ExoMars, kad pakeistume orbitą. Tačiau visa tai turi daug mažesnį poveikį nei saulės gravitacija.

Iš esmės mes naudojame kompiuterį, kad apskaičiuotume erdvėlaivio trajektoriją, atsižvelgiant į visus veiksnius, turinčius įtakos trajektorijai, ir mes taip pat galime matuoti, kur yra erdvėlaivis ir kaip greitai jis keliauja nuo to laiko, kai signalai ima keliauti iš Žemės į Žemę. erdvėlaiviai ir nugaros, ir taip, kaip laikui bėgant pasikeičia signalo dažnis.

Vėlesniame el. Laiške jis pridūrė:

Svarbiausias dalykas, kurį matote, yra tai, kad ExoMars trajektorija, kaip ir visos erdvės trajektorijos, yra aiškiai išlenkta. Erdvėje nėra tiesių linijų. Kai jūs turite kūnų, turinčių masę, pvz., Žvaigždes ir planetas, jūs turite gravitaciją, o esant gravitacijai, viskas skris kreivėmis. Kreivės yra natūralios, tiesios linijos nėra. Atstumas, nukreiptas po lenktos raudonos linijos nuo Žemės iki Marso, yra apie 500 mln. Pusė milijardo kilometrų.