ฉันไปหาโพรบ ExoMars และพบความจริงเกี่ยวกับทางหลวงอวกาศ

ยานอวกาศ ExoMars ของ European Space Agency กำลังแล่นไปตามทางหลวงบนท้องฟ้าโดยใช้เวลาแปดวันในการเดินทางเจ็ดเดือนสู่ Red Planet เรารู้ว่ามันจะลงจอดบนดาวอังคารในวันที่ 19 ตุลาคม แต่จะอยู่ที่ใดในหนึ่งเดือน หรือสี่กรกฎาคม สถานที่ตั้งของฉันดูเหมือนจะคำนวณได้ด้วยเวลาเร่งของยานอวกาศความเร็วในการแล่นและระยะทางจากดาวอังคารเมื่อเปิดตัวฉันคิดว่าฉันสามารถกระทืบตัวเลขได้บ้าง นี่คือ - ฉันรู้แล้วตอนนี้ - ความโอหังที่บริสุทธิ์ วิทยาศาสตร์จรวดเป็นสิ่งที่มีคุณค่าทางวัฒนธรรมแม้แต่ความคิดโบราณ

ฉันพบสิ่งนี้ในขณะที่พยายามหายานอวกาศ

ทางหลวงอวกาศไม่เหมือนถนนบนบก Michael Khan, Ph.D. ผู้เชี่ยวชาญด้านกลไกท้องฟ้าที่สำนักงานวิเคราะห์ภารกิจของ ESA อธิบายเมื่อฉันขอคำแนะนำเกี่ยวกับการหาตำแหน่ง ExoMars หากมีสิ่งหนึ่งที่ต้องจำไว้เขาบอกว่ามันคือ: ไม่มีเส้นตรงในอวกาศ ในอีเมลที่เขียนอย่างสวยงามเขาอธิบายว่าทำไมเราทุกคนต้องเรียนรู้ที่จะขับรถโค้งและทำไมอนาคตของการเดินทางในอวกาศมีความซับซ้อนเกินกว่าที่เราคิด

แทนที่จะพยายามสรุปคำอธิบายของเขาฉันจะวางไว้ด้านล่างเพราะมันสวยงาม

ฉันกลัวกลไกท้องฟ้าซึ่งเป็นวิทยาศาสตร์ที่คำนวณการโคจรของวงโคจรทั้งหมดในอวกาศ (ธรรมชาติหรือที่มนุษย์สร้างขึ้น) ทำงานแตกต่างจากที่คุณคิดเอาไว้

การถ่ายโอนดาวเคราะห์จากโลกหนึ่งไปยังอีกดาวเคราะห์หนึ่ง (ในกรณีนี้คือดาวอังคาร) ไม่ใช่เรื่องของการบินเป็นเส้นตรงด้วยความเร็วการล่องเรือที่กำหนดเช่นเดียวกับที่เครื่องบินบนโลกหรือเหมือนเรือที่แล่นผ่านมหาสมุทรด้วย การเปลี่ยนแปลงในทิศทางที่จุดที่กำหนด นั่นไม่ใช่วิธีการทำงานในระบบสุริยะ เนื่องจากมันไม่ทำงานเช่นนี้ฉันไม่คิดว่ามันจะตรงไปตรงมา (หรือเป็นไปได้) ในการคำนวณที่ง่ายหยาบและพร้อมสำหรับการคำนวณว่า ExoMars จะเป็นอย่างไรในเวลาใด

โดยพื้นฐานแล้วกฎของธรรมชาติที่ควบคุมการบินของวัตถุผ่านอวกาศคือไอแซคนิวตันและโยฮันเนสเคปเลอร์เมื่อหลายศตวรรษก่อน ฉันจะทำให้มันง่ายขึ้นเล็กน้อย: โลกและดาวอังคารเคลื่อนไปบนวงโคจรที่มีลักษณะเป็นวงกลมมากขึ้นหรือน้อยลง (สำหรับดาวอังคารซึ่งไม่เป็นความจริง แต่มันเหมาะสำหรับผู้เริ่มต้น) ตอนนี้เรามีวงโคจรของโลกวงกว้างรอบดวงอาทิตย์และวงโคจรของดาวอังคารซึ่งเป็นวงกว้างยิ่งขึ้นที่มีดวงอาทิตย์อยู่ตรงกลาง

วิถีการถ่ายโอนที่ตามมาด้วย ExoMars คือวงรี เมื่อวงรีนี้อยู่ใกล้กับดวงอาทิตย์มากที่สุดมันก็โคจรรอบโลก มันอยู่ใกล้กับวงโคจรของดาวอังคารมากที่สุด ยานอวกาศบินจากจุดต่ำสุดนี้ไปยังจุดที่ไกลที่สุด มันมาถึงวงรีโดยการเพิ่มแรงมหาศาลมหาศาลโดยจรวดโปรตอน M ที่ใช้ในการปล่อย ExoMars ขว้างมันสูงและเร็วจนยานอวกาศออกจากแรงโน้มถ่วงของโลกจริง ๆ ด้วยความเร็วและทิศทางที่ถูกต้องเพื่อตอบสนองการถ่ายโอนวงรีที่ต้องการ ถึงดาวอังคาร เมื่อมาถึงจุดนี้ (หนีโลก) ExoMars ค่อนข้างเร็วกว่าโลกบนวงโคจรรอบดวงอาทิตย์สักหน่อย

ในวงรีการถ่ายโอนนี้ความเร็วของ ExoMars จะลดลงอย่างต่อเนื่อง เพื่อให้เข้าใจว่าทำไมจึงเป็นเช่นนี้ให้จินตนาการถึงนาฬิกาลูกตุ้มเมื่อลูกตุ้มแกว่งขึ้นมันจะเคลื่อนที่ช้าลงเรื่อย ๆ นั่นเป็นเพราะมีพลังงานสองชนิด: พลังงานศักย์ (= พลังงานสูง) และพลังงานจลน์ (= พลังงานเคลื่อนที่) วงโคจรของยานอวกาศมีพลังงานทั้งหมดแน่นอน นี่คือการปล่อยโดยปล่อย พลังงานนี้ไม่เพิ่มขึ้น มันเหมือนกับเงินในกระเป๋าหรือเงินเดือนเราแค่ต้องทำให้มันยั่งยืน

หากจรวดไม่ได้ให้พลังงานเพียงพอวงโคจร ExoMars ก็จะไม่ยื่นออกไปยังวงโคจรของดาวอังคาร ในทางกลับกันถ้าจรวดปล่อยพลังงานมากเกินไปวงโคจรของยานอวกาศน่าจะไปได้ไกลกว่าวงโคจรของดาวอังคาร ดังนั้นเราจึงต้องการ (และได้รับ) ปริมาณพลังงานที่ถูกต้องไม่น้อยเกินไป แต่ไม่มากเกินไป สิ่งนี้แตกต่างจากเงินค่าขนมหรือเงินเดือนซึ่งแน่นอนว่าดีกว่าน้อยเกินไป

ตอนนี้ในการถ่ายโอนวงรียานอวกาศที่มันปีนขึ้นไปจากดวงอาทิตย์ไปยังวงโคจรของดาวอังคารและดวงอาทิตย์ก็ยังยึดติดกับยานอวกาศด้วยแรงโน้มถ่วง ดังนั้นขณะที่ ExoMars กำลังปีนขึ้นพลังงานความสูงจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นพลังงานการเคลื่อนไหวจะต้องลดลง พลังงานทั้งหมดยังคงเหมือนเดิม ดังนั้นในการบินสู่ดาวอังคาร ExoMars ก็จะช้าลงเรื่อย ๆ

ในการคำนวณการถ่ายโอนสิ่งหนึ่งที่เราต้องคำนึงถึงก็คือแรงดึงดูดของแรงดึงดูดของดวงอาทิตย์ นอกจากนี้ยังมีเอฟเฟกต์อื่น ๆ เช่นความดันแสงน้อยมากในแผงโซล่าร์เซลล์และแรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์ในระบบสุริยจักรวาลและแน่นอนว่าเราต้องคำนึงถึงทุกครั้งที่เราใช้เครื่องยนต์จรวดบน ExoMars เพื่อเปลี่ยนวงโคจร. แต่ทั้งหมดนี้มีผลน้อยกว่าแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์มาก

โดยพื้นฐานแล้วเราใช้คอมพิวเตอร์ในการคำนวณวิถีการเคลื่อนที่ของยานอวกาศโดยคำนึงถึงปัจจัยทั้งหมดที่มีผลต่อวิถีโคจรและเรายังสามารถวัดได้ว่ายานอวกาศนั้นอยู่ที่ไหนและความเร็วในการเคลื่อนที่จากเวลาที่สัญญาณเดินทางจากโลกสู่ ยานอวกาศและกลับและตามความถี่ของสัญญาณที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา

ในภายหลังอีเมลเขาเพิ่ม:

สิ่งที่สำคัญที่สุดที่คุณเห็นคือวิถีการเคลื่อนที่ของ ExoMars เช่นเดียวกับวิถีการเคลื่อนที่ในอวกาศ ไม่มีเส้นตรงในอวกาศ เมื่อคุณมีร่างกายที่มีมวลเช่นดาวและดาวเคราะห์คุณจะมีแรงโน้มถ่วงและเมื่อมีแรงโน้มถ่วงทุกอย่างก็จะบินไปบนเส้นโค้ง เส้นโค้งเป็นธรรมชาติเส้นตรงไม่ได้ ระยะทางที่ครอบคลุมตามเส้นโค้งสีแดงจากโลกถึงดาวอังคารอยู่ที่ประมาณ 500 ล้านกิโลเมตรเพื่อนำไปสู่มุมมอง ครึ่งพันล้านกิโลเมตร