Saya Pergi mencari Probe ExoMars dan Menemukan Kebenaran Mengenai Lebuh Raya Angkasa

Pesawat angkasa ExoMars Agensi Angkasa Eropah sedang melaju di lebuh raya langit, lapan hari dalam perjalanan tujuh bulan ke Planet Merah. Kami tahu ia akan mendarat di Marikh pada 19 Oktober, tetapi di mana ia akan berada dalam sebulan? Atau keempat bulan Julai? Lokasinya kelihatan mengira kepada saya.Memandangkan masa pecutan kapal angkasa, kelajuan pelayaran, dan jarak dari Marikh pada pelancaran, saya fikir saya boleh mengetuk beberapa nombor. Ini - saya tahu sekarang - hubris tulen. Sains roket adalah batu permata budaya, klise walaupun, atas alasan.

Saya mendapati ini ketika cuba mencari kapal angkasa.

Lebuh raya ruang tidak seperti jalan darat, Michael Khan, Ph.D., pakar mekanik angkat di Pejabat Analisis Misi ESA, menjelaskan apabila saya meminta nasihatnya untuk mencari ExoMars. Jika ada satu perkara yang perlu diingat, dia berkata, ini adalah: Tiada garis lurus di angkasa. Dalam e-mel yang ditulis dengan jelas, dia menjelaskan mengapa kita semua perlu belajar memandu di lengkung - dan mengapa masa depan perjalanan ruang jauh lebih rumit dari yang kita fikirkan.

Daripada cuba merumuskan penjelasannya, saya akan menampalnya di bawah kerana ia cantik.

Saya takut mekanik langit, yang merupakan sains yang mendasari pengiraan trajektori semua orbit di angkasa (semula jadi atau buatan manusia), berfungsi sedikit berbeza dari apa yang anda seolah-olah anda anggap.

Pemindahan antar planet dari bumi ke planet lain (dalam kes ini, Marikh) bukanlah perkara yang terbang dengan garis lurus dengan kelajuan pelayaran tertentu seperti pesawat terbang di Bumi, atau seperti kapal yang melintasi lautan, dengan beberapa perubahan dalam arah pada titik jalan yang diberikan. Itu bukan cara ia berfungsi dalam sistem solar. Kerana ia tidak berfungsi seperti ini, saya tidak fikir ia akan menjadi mudah (atau mungkin) untuk membuat pengiraan yang mudah, kasar dan siap tentang mana ExoMars akan berada pada masa apa.

Pada asasnya, undang-undang alam yang mengawal penerbangan objek melalui ruang angkasa adalah oleh Isaac Newton dan Johannes Kepler berabad-abad yang lalu. Saya akan memudahkan sedikit sahaja: Bumi dan Marikh bergerak ke atas orbit yang lebih atau kurang bulat (untuk Mars, yang tidak benar, tetapi itu berfungsi untuk permulaan). Sekarang kita mempunyai orbit Bumi, bulatan yang luas di sekitar Matahari, dan orbit Marikh, bulatan yang lebih luas yang juga mempunyai Matahari di tengahnya.

Lintasan pemindahan diikuti oleh ExoMars adalah elips. Di mana elips ini paling dekat dengan Matahari, ia melancarkan orbit Bumi. Di mana ia paling jauh dari Sub, ia melancarkan orbit Marikh. Kapal terbang terbang dari titik terendah ini ke titik terjauh. Ia mencapai elips oleh rangsangan besar yang diberikan oleh roket proton M yang digunakan untuk melancarkan ExoMars, membuangnya begitu tinggi dan pantas bahawa kapal angkasa sebenarnya meninggalkan graviti Bumi dengan kelajuan dan arah yang tepat untuk memenuhi elips pemindahan yang diperlukan ke Marikh. Pada ketika ini (Bumi melarikan diri), ExoMars agak sedikit lebih cepat daripada Bumi pada orbitnya mengelilingi Matahari.

Pada elips pemindahan ini, kelajuan ExoMars akan berkurang secara berterusan. Untuk memahami mengapa ini begitu, bayangkan pendulum jam, Apabila pendulum berubah, ia bergerak perlahan dan perlahan. Itu kerana terdapat dua jenis tenaga: tenaga berpotensi (= tenaga tinggi) dan tenaga kinetik (= tenaga gerakan). Orbit kapal angkasa mempunyai jumlah tenaga tertentu. Ini disampaikan oleh pelancar. Tenaga ini tidak meningkat. Ia seperti wang saku atau gaji, kita hanya perlu membuatnya lebih lama.

Jika roket itu tidak memberi tenaga yang mencukupi, orbit ExoMars tidak akan menjangkau ke orbit Mars. Sebaliknya, jika roket telah memberi tenaga yang terlalu banyak, orbit kapal angkasa akan melampaui orbit Mars. Jadi kami mahu (dan mendapat) jumlah tenaga yang betul, tidak terlalu sedikit, tetapi tidak terlalu banyak. Ini berbeza dengan wang saku atau gaji, di mana terlalu banyak pasti lebih baik daripada terlalu sedikit.

Sekarang, pada pemindahan elips, kapal angkasa itu memanjat jauh dari Matahari menuju orbit Mars, dan Matahari berpindah ke kapal angkasa dengan graviti. Jadi apabila ExoMars sedang mendaki, tenaga tinggi meningkat. Oleh itu, tenaga gerakan mesti berkurang. Jumlah tenaga tetap sama. Oleh itu, dalam penerbangan ke Marikh, ExoMars secara berterusan menjadi lebih lambat dan perlahan.

Untuk mengira pemindahan, satu perkara yang perlu dipertimbangkan adalah tarikan graviti melalui matahari. Terdapat juga kesan lain seperti tekanan cahaya yang sangat kecil pada tatasusunan solar dan graviti planet-planet dalam sistem solar, dan sudah tentu kita perlu mengambil kira setiap kali kita menggunakan enjin roket di ExoMars untuk menukar orbit. Tetapi semua ini mempunyai kesan yang lebih kecil daripada graviti solar.

Pada asasnya, kami menggunakan komputer untuk mengira trajektori kapal angkasa yang mengambil kira semua faktor yang mempengaruhi trajektori, dan kita juga boleh mengukur tempat kapal angkasa dan berapa pantasnya perjalanan dari masa yang diperlukan untuk mengembara dari Bumi ke kapal angkasa dan belakang dan dengan cara kekerapan isyarat berubah dari masa ke masa.

Dalam e-mel yang lalu, beliau menambah:

Perkara yang paling penting yang anda lihat ialah trajektori ExoMars, seperti semua lintasan dalam ruang, jelas melengkung. Tiada garis lurus di angkasa. Sebaik sahaja anda mempunyai badan yang mempunyai massa, seperti bintang dan planet, anda mempunyai graviti, dan di hadapan graviti, semuanya akan terbang pada lengkung. Kurva adalah garis semulajadi, lurus tidak. Jarak yang diliputi selepas garis merah melengkung dari Bumi ke Marikh adalah kira-kira 500 juta kilometer, untuk meletakkannya ke dalam perspektif. Setengah bilion kilometer.