Отидох да търся ExoMars сондата и намерих истината за космическите магистрали

Космическият кораб ExoMars на Европейската космическа агенция в момента се движи по небесна магистрала, осем дни след седеммесечното си пътуване до Червената планета. Знаем, че ще кацне на Марс на 19 октомври, но къде ще бъде след месец? Или четвърти юли? Мястото ми изглеждаше изчислимо за мен.Като се има предвид времето за ускорение на космическия кораб, крейсерската скорост и разстоянието от Марс при изстрелването, реших, че мога да пречукам някои цифри. Това беше - знам сега - чисто високомерие. Ракетната наука е културен пробен камък, дори клише, с причина.

Намерих това, докато се опитвах да намеря космически кораб.

Космическите магистрали не обичат земните пътища, обяснява докторът на Майкъл Хан, експерт от небесната механика в Бюрото за анализ на мисиите на ЕКА, когато поисках съветите му за намиране на ExoMars. Ако има едно нещо, което трябва да имате предвид, той казва, че е така: в космоса няма прави линии. В красиво написано писмо той обясни защо всички ние трябва да се научим да караме по крива - и защо бъдещето на космическите пътувания е безкрайно по-сложно, отколкото си мислим.

Вместо да се опитвам да обобщя обяснението му, ще го поставя по-долу, защото е красива.

Страхувам се от небесната механика, която е науката, която стои в основата на изчисляването на траекториите на всички орбити в пространството (естествено или създадено от човека), работи малко по-различно от това, което изглежда да се предполага.

Междупланетният трансфер от Земята към друга планета (в случая Марс) не е въпрос на летене по права линия с дадена скорост, подобна на тази на самолет на Земята, или като кораб, който пътува през океана, с някои промени в посоката на дадени точки. Това не е начинът, по който работи в Слънчевата система. Тъй като не работи по този начин, не мисля, че ще бъде лесно (или дори възможно) да правите прости, груби и готови изчисления за това, къде ще бъде ExoMars по кое време.

По принцип, законите на природата, управляващи полета на обект през пространството, са били на Исак Нютон и Йоханес Кеплер преди векове. Ще опростя малко: Земята и Марс се движат по орбити, които са повече или по-малко кръгови (за Марс това не е съвсем вярно, но това работи за начало). Сега имаме земната орбита, широк кръг около Слънцето и орбитата на Марс, още по-широк кръг, който също има Слънцето в центъра му.

Траекторията на прехвърляне, последвана от ExoMars, е елипса. Там, където тази елипса е най-близо до Слънцето, тя пасе орбитата на Земята. Когато е най-отдалечена от подводницата, тя огражда орбитата на Марс. Корабът лети от тази най-ниска точка до най-далечната точка. Той достигна елипсата от огромния тласък, който му придаваше протонната М ракета, използвана за пускане на ExoMars, хвърляйки я толкова високо и бързо, че космическият кораб напуска гравитацията на Земята само с правилната скорост и посока, за да отговори на елипсата на трансфера. до Марс. В този момент (избягване на Земята) ExoMars беше доста по-бърз от Земята по орбитата си около Слънцето.

При тази елипса на трансфера скоростта на ExoMars ще намалява непрекъснато. За да разберете защо това е така, си представете часовник махало, като махалото се люлее нагоре, тя се движи по-бавно и по-бавно. Това е така, защото има два вида енергия: потенциална енергия (= енергия на височината) и кинетична енергия (= енергия на движение). Орбитата на космическия кораб има определена обща енергия. Това беше предадено от стартера. Тази енергия не се увеличава. Това е като джобни пари или заплата, просто трябва да го направим последно.

Ако ракетата не му беше дала достатъчно енергия, орбитата на ExoMars нямаше да достигне до орбитата на Марс. И обратното, ако ракетата е предавала твърде много енергия, орбитата на космическия кораб щеше да е далеч от орбитата на Марс. Така че искахме (и имахме) точно точното количество енергия, не твърде малко, но не прекалено много. Това е различно от джобните пари или от заплатата, където твърде много е определено по-добре, отколкото твърде малко.

Сега, по елиптичния трансфер, космическият кораб се изкачва от Слънцето към орбитата на Марс, а Слънцето се придържа към космическия кораб със своята гравитация. Тъй като ExoMars се изкачва, неговата енергия се увеличава. Следователно енергията на движение трябва да намалее. Общата енергия остава същата. Така че по време на полета си към Марс, ExoMars непрекъснато става по-бавен и по-бавен.

За да се изчисли прехвърлянето, едно нещо, което абсолютно трябва да вземем под внимание, е гравитационното привличане чрез слънцето. Има и други ефекти, като много малкия натиск на светлината върху слънчевите масиви и гравитацията на планетите в Слънчевата система, и разбира се, ние трябва да вземем под внимание всеки път, когато използваме ракетните двигатели на борда на ExoMars, за да променим орбитата., Но всичко това има много по-малък ефект от слънчевата гравитация.

По същество, ние използваме компютър, за да изчислим траекторията на космическия кораб, като вземем предвид всички фактори, които влияят на траекторията, и можем също да измерим къде е космическият кораб и колко бързо пътува от времето, когато сигналите се движат от Земята до космически кораб и обратно и по начина, по който честотата на сигнала се променя с времето.

В по-късен имейл той добави:

Най-важното, което виждате е, че траекторията на ExoMars, както всички траектории в пространството, е ясно извита. В пространството няма прави линии. След като имате тела, които имат маса, като звезди и планети, вие имате гравитация и при наличието на гравитация всичко ще лети на криви. Кривите са естествени, правите не. Разстоянието, което се простира след извитата червена линия от Земята до Марс, е около 500 милиона километра, за да се постави в перспектива. Половин милиард километра.