Es aizgāju meklēt ExoMars zondi un atradu patiesību par kosmosa automaģistrālēm

Eiropas Kosmosa aģentūras „ExoMars” kosmosa kuģis šobrīd ceļo pa debess šoseju, astoņas dienas pēc septiņu mēnešu brauciena uz Sarkano planētu. Mēs zinām, ka tas būs uz Marsa 19. oktobrī, bet kur tas būs mēnesī? Vai jūlija ceturtais? Tās atrašanās vieta man šķita aprēķināma.Ņemot vērā kosmosa kuģu paātrinājuma laiku, kreisēšanas ātrumu un attālumu no Marsa uzsākšanas laikā, es sapratu, ka es varētu sagraut dažus numurus. Tas bija - es tagad zinu - tīrais hubris. Raķešu zinātne ir kultūras izskats, klišeja pat iemesla dēļ.

Es to atklāju, mēģinot atrast kosmosa kuģi.

Kosmosa autoceļi nepatīk sauszemes ceļi, Michael Khan, PhD, debess mehānikas eksperts ESA misijas analīzes birojā, paskaidroja, kad es prasīju viņa padomu par ExoMars atrašanās vietu. Ja ir viena lieta, kas jāpatur prātā, viņš saka: tas nav taisnās līnijas. Skaisti rakstītā e-pastā viņš paskaidroja, kāpēc mums visiem būs jāmācās vadīt līkni - un kāpēc kosmosa ceļojumu nākotne ir bezgalīgi sarežģītāka nekā mēs domājam.

Tā vietā, lai mēģinātu apkopot savu skaidrojumu, es to ielīmēšu zemāk, jo tas ir skaists.

Es baidos, ka debess mehānika, kas ir visu kosmosa orbītu trajektoriju aprēķinu pamatā esošā zinātne (dabiska vai cilvēka radīta), mazliet atšķiras no tā, ko jūs, šķiet, pieņemat.

Starpplanētu pāreja no Zemes uz citu planētu (šajā gadījumā Marsa) nav jautājums par lidošanu taisnā līnijā ar noteiktu kreisēšanas ātrumu, kā lidmašīna uz Zemes, vai kā kuģis, kas kruīza cauri okeānam, ar dažas izmaiņas virzienā konkrētos ceļa punktos. Tas nav veids, kā tas darbojas Saules sistēmā. Tā kā tas nedarbojas, es nedomāju, ka tas būs vienkāršs (vai pat iespējams) veikt vienkāršus, aptuvenus un gatavus aprēķinus par to, kur ExoMars būs laikā.

Būtībā dabas likumus, kas reglamentē objekta lidojumu caur kosmosu, pirmsākumi bija Isaac Newton un Johannes Kepler. Es mazliet vienkāršosim: Zeme un Mars pārvietojas uz orbītiem, kas ir vairāk vai mazāk apļveida (Marsa gadījumā tas nav gluži taisnība, bet darbojas starteriem). Tagad mums ir Zemes orbīta, plašs aplis ap Sauli un Marsa orbīta, vēl plašāks aplis, kuram ir arī Saule tās centrā.

Pārvietošanās trajektorija, ko seko ExoMars, ir elipses. Ja šī elipse ir vistuvāk saulei, tā grauj Zemes orbītu. Tur, kur tas atrodas vistālāk no Sub, tas grauzas Marsa orbītā. Kosmosa kuģis lido no šī zemākā punkta līdz vistālākam punktam. Tā sasniedza elipsu, ko izraisīja milzīgais impulss, ko tam piešķīra protonu M raķete, kas tika izmantota, lai uzsāktu ExoMars, un tas bija tik liels un ātrs, ka kosmosa kuģis faktiski atstāj Zemes gravitāciju tikai ar pareizo ātrumu un virzienu, lai izpildītu vajadzīgo pārvietošanas elipsi. uz Marsu. Šajā brīdī (Zemes aizbēgšana) ExoMars bija diezgan ātrāk nekā Zemes orbītā ap Sauli.

Šai pārsūtīšanas elipsei ExoMars ātrums nepārtraukti samazinās. Lai saprastu, kāpēc tas tā ir, iedomājieties pulksteņa svārstu, jo svārsts šūpojas lēnāk un lēnāk. Tas ir tāpēc, ka ir divu veidu enerģijas veidi: potenciālā enerģija (= augstuma enerģija) un kinētiskā enerģija (= kustības enerģija). Kosmosa kuģa orbītā ir noteikta kopējā enerģija. To nodeva palaišanas iekārta. Šī enerģija nepalielinās. Tas ir kā kabatas nauda vai alga.

Ja raķete nebūtu devusi pietiekami daudz enerģijas, ExoMars orbītā nebūtu nokļuvis Marsa orbītā. Un otrādi, ja raķete būtu nodevusi pārāk lielu enerģiju, kosmosa kuģu orbītā būtu bijis garāks par Marsa orbītu. Tāpēc mēs vēlējāmies (un ieguvām) tieši pareizo enerģijas daudzumu, ne pārāk maz, bet ne pārāk daudz. Tas atšķiras no kabatas naudas vai algas, kur pārāk daudz noteikti ir labāks par pārāk maz.

Tagad, eliptiskajā pārnesei, kosmosa kuģis, kas paceļas prom no Saules uz Marsa orbītu, un Saule tur uz kosmosa kuģi ar tās smagumu. Tā kā ExoMars ir kāpšanas laikā, tā augstuma enerģija palielinās. Tāpēc kustības enerģijai ir jāsamazinās. Kopējā enerģija paliek nemainīga. Tātad, braucot uz Marsu, ExoMars nepārtraukti kļūst lēnāks un lēnāks.

Lai aprēķinātu pārskaitījumu, viena lieta, kas absolūti ir jāņem vērā, ir gravitācijas piesaiste caur sauli. Pastāv arī citas sekas, piemēram, ļoti neliels gaismas spiediens uz saules blokiem un planētu smagums saules sistēmā, un, protams, mums ir jāņem vērā ikreiz, kad mēs izmantojam raķešu dzinējus, lai nomainītu orbītu. Bet tas viss ir daudz mazāks efekts nekā saules gravitācijai.

Būtībā mēs izmantojam datoru, lai aprēķinātu kosmosa kuģa trajektoriju, ņemot vērā visus faktorus, kas ietekmē trajektoriju, un mēs varam arī izmērīt, kur ir kosmosa kuģis, un cik ātri tas ceļo no laika, kad signāli tiek veikti, lai ceļotu no Zemes līdz kosmosa kuģi un atpakaļ, un to, kā signāla frekvence laika gaitā mainās.

Vēlākā e-pastā viņš piebilda:

Vissvarīgākais, ko redzat, ir tas, ka ExoMars trajektorija, tāpat kā visas kosmosa trajektorijas, ir skaidri izliekta. Kosmosā nav taisnu līniju. Kad jums ir ķermeņi, kuriem ir masa, piemēram, zvaigznes un planētas, jums ir gravitācija, un smaguma klātbūtnē viss lidos uz līknēm. Līknes ir dabiskas, taisnas līnijas nav. Attālums, ko sedz pēc līkumainās sarkanās līnijas no Zemes uz Marsu, ir aptuveni 500 miljoni kilometru, lai to aplūkotu. Pusmiljardu kilometru.