Я отправился на поиски зонда ExoMars и нашел правду о космических магистралях

Космический корабль ExoMars Европейского космического агентства в настоящее время летит по небесному шоссе, через восемь дней после своего семимесячного полета на Красную планету. Мы знаем, что он приземлится на Марсе 19 октября, но где он будет через месяц? Или четвертого июля? Его местоположение показалось мне вычислимым.Учитывая время разгона космического корабля, крейсерскую скорость и расстояние от Марса при запуске, я решил, что смогу подсчитать некоторые цифры. Это было - я знаю сейчас - чистое высокомерие. Ракетная наука - культурный пробный камень, даже клише, по определенной причине.

Я узнал об этом, пытаясь найти космический корабль.

Космические магистрали не похожи на сухопутные дороги, объяснил доктор философии, специалист по небесной механике в Бюро анализа миссии ЕКА Майкл Хан, когда я спросил его о поиске ExoMars. По его словам, если есть одна вещь, которую нужно иметь в виду, это то, что в космосе нет прямых линий. В красиво написанном электронном письме он объяснил, почему мы все должны научиться двигаться по кривой - и почему будущее космических путешествий бесконечно сложнее, чем мы думаем.

Вместо того, чтобы пытаться обобщить его объяснение, я собираюсь вставить его ниже, потому что это красиво.

Я боюсь, что небесная механика, которая является наукой, лежащей в основе расчета траекторий всех орбит в космосе (естественных или созданных человеком), работает несколько иначе, чем вы предполагаете.

Межпланетный перенос с Земли на другую планету (в данном случае Марс) - это не вопрос полета по прямой линии с заданной крейсерской скоростью, как летательного аппарата на Земле, или как корабля, который летит через океан, с некоторые изменения в направлении на заданных путевых точках. Это не так, как это работает в солнечной системе. Поскольку это не работает так, я не думаю, что будет просто (или даже возможно) сделать простые, грубые и готовые вычисления относительно того, где в какое время будут находиться ExoMars.

По сути, законы природы, управляющие полетом объекта через пространство, были разработаны Исааком Ньютоном и Иоганнесом Кеплером много веков назад. Я немного упрощу: Земля и Марс движутся по орбитам, более или менее круглым (для Марса это не совсем верно, но это работает для начинающих). Теперь у нас есть орбита Земли, широкий круг вокруг Солнца и орбита Марса, еще более широкий круг, в центре которого также находится Солнце.

Траектория передачи, сопровождаемая ExoMars, является эллипсом. Там, где этот эллипс находится ближе всего к Солнцу, он касается земной орбиты. Там, где он находится дальше всего от подводной лодки, он касается орбиты Марса. Космический корабль летит из этой самой нижней точки в самую дальнюю точку. Он достиг эллипса благодаря огромному ускорению, которое ему дала ракета-протон М, использовавшаяся для запуска ExoMars, бросая его так высоко и быстро, что космический аппарат фактически покидает гравитацию Земли с правильной скоростью и направлением, чтобы соответствовать требуемому передающему эллипсу на Марс. В этот момент (выход Земли) ExoMars был немного быстрее Земли на своей орбите вокруг Солнца.

На этом эллипсе передачи скорость ExoMars будет постоянно уменьшаться. Чтобы понять, почему это так, представьте себе маятник с часами. Когда маятник качается вверх, он движется все медленнее и медленнее. Это потому, что есть два вида энергии: потенциальная энергия (= энергия высоты) и кинетическая энергия (= энергия движения). У орбиты космического корабля есть определенная полная энергия. Это было передано пусковой установкой. Эта энергия не увеличивается. Это как карманные деньги или зарплата, мы просто должны сделать это последним.

Если бы ракета не дала ей достаточно энергии, орбита ExoMars не достигла бы орбиты Марса. И наоборот, если бы ракета передавала слишком много энергии, орбита космического корабля вышла бы далеко за пределы орбиты Марса. Таким образом, мы хотели (и получили) абсолютно правильное количество энергии, не слишком мало, но не слишком много. Это отличается от карманных денег или зарплаты, где слишком много определенно лучше, чем слишком мало.

Теперь, по эллиптической передаче, космический корабль поднимается от Солнца к орбите Марса, а Солнце удерживает космический корабль своей гравитацией. Так как ExoMars поднимается, его энергия роста увеличивается. Следовательно, энергия движения должна уменьшаться. Общая энергия остается неизменной. Поэтому на своем полете на Марс ExoMars постоянно становится все медленнее и медленнее.

Чтобы вычислить перенос, единственное, что абсолютно необходимо учитывать, - это гравитационное притяжение через солнце. Есть и другие эффекты, такие как очень небольшое давление света на солнечные батареи и гравитация планет в солнечной системе, и, конечно, мы должны учитывать каждый раз, когда мы используем ракетные двигатели на борту ExoMars для изменения орбиты., Но все это имеет гораздо меньшее влияние, чем солнечная гравитация.

По сути, мы используем компьютер для расчета траектории космического корабля, принимая во внимание все факторы, которые влияют на траекторию, и мы также можем измерить, где находится космический аппарат и как быстро он движется со времени, которое требуется сигналам для перемещения с Земли на Землю. космический корабль и обратно и, кстати, частота сигнала меняется со временем.

В более позднем электронном письме он добавил:

Самое важное, что вы видите, это то, что траектория ExoMars, как и все траектории в пространстве, отчетливо изогнута. В космосе нет прямых линий. Если у вас есть тела с массой, такие как звезды и планеты, у вас есть гравитация, и в присутствии гравитации все будет лететь по кривым. Кривые естественные, прямые - нет. Чтобы понять это, расстояние, пройденное по изогнутой красной линии от Земли до Марса, составляет около 500 миллионов километров. Полмиллиарда километров.