Nagpunta ako sa paghahanap para sa ExoMars Probe at Natagpuan ang Katotohanan Tungkol sa Highways Space

Ang ExoMars spacecraft ng European Space Agency ay kasalukuyang naglalakbay sa isang celestial highway, walong araw sa pitong buwang paglalakbay patungong Red Planet. Alam namin na makakarating ito sa Mars sa Oktubre 19, ngunit saan ito sa isang buwan? O ikaapat na bahagi ng Hulyo? Ang lokasyon nito ay tila maipapalagay sa akin.Dahil sa oras ng acceleration ng spacecraft, bilis ng pag-cruis, at distansya mula sa Mars sa paglulunsad, napag-isipan kong maaari kong mag-usigin ang ilang mga numero. Ito ay - alam ko ngayon - purong hubris. Ang rocket science ay isang cultural touchstone, isang cliché kahit para sa isang dahilan.

Natagpuan ko ito habang sinusubukang makahanap ng isang spacecraft.

Ang mga highway sa kalsada ay hindi tulad ng mga kalsada sa kalsada, si Michael Khan, Ph.D., isang eksperto sa celestial mechanics sa Mission Analysis Office ng ESA, ay nagpaliwanag kung tinanong ko ang kanyang payo sa paghahanap ng mga ExoMars. Kung may isang bagay na dapat tandaan, sabi niya, ito ay ito: Walang mga tuwid na linya sa espasyo. Sa isang mahusay na nakasulat na e-mail, ipinaliwanag niya kung bakit kailangan nating matutong magmaneho sa isang kurba - at kung bakit ang hinaharap ng paglalakbay sa espasyo ay walang hanggan na mas kumplikado kaysa sa iniisip natin.

Sa halip na tangkaing ibahin ang buod ang kanyang paliwanag, ipapakita ko ito sa ibaba sapagkat ito ay maganda.

Natatakot ako sa makalangit na mekanika, na kung saan ang agham na pinagbabatayan ng pagkalkula ng mga trajectory ng lahat ng orbit sa espasyo (likas o ginawa ng tao), ay naiiba sa kung ano ang tila sa iyong inaakala.

Ang isang interplanetary transfer mula sa Daigdig papunta sa ibang planeta (sa kasong ito, Mars) ay hindi isang bagay na lumilipad sa isang tuwid na linya na may ibinigay na bilis ng cruising tulad ng sasakyang panghimpapawid sa Earth, o tulad ng isang barko na lumilipad sa karagatan, ang ilang mga pagbabago sa direksyon sa ibinigay na mga waypoint. Iyon ay hindi ang paraan na ito gumagana sa solar system. Dahil hindi ito gumagana tulad nito, sa palagay ko hindi ito magiging tapat (o kahit na posible) upang gawing simple, magaspang at handa na mga kalkulasyon kung saan ang ExoMars ay magiging sa anong oras.

Talaga, ang mga batas ng kalikasan na namamahala sa paglipad ng isang bagay sa espasyo ay sa pamamagitan ng Isaac Newton at Johannes Kepler mga siglo na ang nakalilipas. Kukunin ko ang simple lang ng kaunti: Ang Earth at Mars ay lumipat sa mga orbit na higit pa o kulang sa pabilog (para sa Mars, na hindi pa totoo, ngunit gumagana para sa mga starter). Ngayon ay may Earth orbit, isang malawak na bilog sa paligid ng Sun, at ang Mars orbita, isang mas malawak na bilog na mayroon ding Sun sa sentro nito.

Ang transfer trajectory na sinundan ng ExoMars ay isang tambilugan. Kung saan ang ellipse na ito ay pinakamalapit sa Araw, ito ay nagpapalibot sa Earth orbit. Kung saan ito ay pinakamalayo mula sa Sub, ito ay grazes ang Mars orbit. Ang spacecraft ay lilipad mula sa pinakamababang punto hanggang sa pinakamalayo na punto. Naabot nito ang ellipse sa pamamagitan ng napakalaking tulong na ibinahagi dito sa pamamagitan ng rocket proton M na ginamit upang ilunsad ang ExoMars, na ibinabato ito nang napakataas at mabilis na ang aktwal na dahon ng spacecraft ang Earth gravity na may tamang bilis at direksyon upang matugunan ang kinakailangang transfer ellipse sa Mars. Sa puntong ito (Earth escape), ang ExoMars ay medyo mas mabilis kaysa sa Earth sa orbit nito sa paligid ng Araw.

Sa paglipat ng tambilugan, ang bilis ng ExoMars ay patuloy na magpapababa. Upang maunawaan kung bakit ito ay kaya, isipin ang isang orasan pendulum, Habang ang mga pendulum swings up, ito ay gumagalaw mas mabagal at mas mabagal. Iyon ay dahil mayroong dalawang uri ng enerhiya: potensyal na enerhiya (= enerhiya taas) at kinetiko enerhiya (= enerhiya galaw). Ang spacecraft orbit ay may isang tiyak na kabuuang lakas. Ito ay ibinahagi ng launcher. Ang enerhiya na ito ay hindi tumaas. Ito ay tulad ng bulsa ng pera o isang suweldo, kailangan lang naming gawin itong huling.

Kung ang rocket ay hindi nagbigay nito ng sapat na enerhiya, ang orbito ng ExoMars ay hindi maabot sa Mars orbit. Sa kabaligtaran, kung ang rocket ay nagdulot ng labis na enerhiya, ang orbital ng spacecraft ay napunta sa kabila ng Mars orbit. Kaya gusto namin (at nakuha) eksaktong tamang dami ng enerhiya, hindi masyadong maliit, ngunit hindi masyadong marami. Ito ay naiiba sa bulsa ng pera o suweldo, kung saan ang sobrang tiyak ay mas mahusay kaysa sa masyadong maliit.

Ngayon, sa elliptical transfer, ang spacecraft na ito ay umakyat mula sa Araw patungo sa orbita ng Mars, at ang Sun ay humahawak sa sa spacecraft na may gravity nito. Kaya habang umaakyat ang ExoMars, ang pagtaas ng enerhiya ng taas nito. Samakatuwid, ang enerhiya ng paggalaw ay dapat bumaba. Ang kabuuang enerhiya ay mananatiling pareho. Kaya sa paglipad nito sa Mars, ang mga ExoMars ay patuloy na nagiging mas mabagal at mas mabagal.

Upang makalkula ang paglilipat, ang isang bagay na talagang dapat isaalang-alang ay ang gravitational attraction sa pamamagitan ng araw. Mayroon ding iba pang mga epekto tulad ng napakaliit na presyon ng liwanag sa solar arrays at ang gravity ng mga planeta sa solar system, at siyempre dapat nating isaalang-alang sa bawat oras na ginagamit namin ang mga rocket engine sakay ng ExoMars upang baguhin ang orbit. Ngunit ang lahat ng ito ay may mas mababang epekto kaysa sa solar gravity.

Mahalaga, ginagamit namin ang isang computer upang kalkulahin ang trajectory ng spacecraft na isinasaalang-alang ang lahat ng mga kadahilanan na nakakaapekto sa trajectory, at maaari rin nating masukat kung saan ang spacecraft ay at kung gaano ito mabilis na naglalakbay mula sa oras na ang mga signal ay dadalhin mula sa Earth patungo sa spacecraft at pabalik at sa pamamagitan ng paraan ang dalas ng pagbabago ng signal sa paglipas ng panahon.

Sa susunod na e-mail, idinagdag niya:

Ang pinakamahalagang bagay na nakikita mo ay ang eksperimento ng ExoMars, tulad ng lahat ng mga trajectory sa espasyo, ay malinaw na hubog. Walang mga tuwid na linya sa espasyo. Sa sandaling mayroon kang mga katawan na may masa, tulad ng mga bituin at planeta, mayroon kang grabidad, at sa pagkakaroon ng grabidad, ang lahat ay lumilipad sa mga alon. Ang mga curve ay natural, tuwid na mga linya ay hindi. Ang distansya na sakop pagkatapos ng liko na pulang linya mula sa Earth hanggang Mars ay halos 500 milyong kilometro, upang ilagay iyon sa pananaw. Half isang bilyong kilometro.