ExoMars Probunu Aradım ve Uzay Yolları Hakkında Gerçeği Buldum

Avrupa Uzay Ajansı’nın ExoMars uzay aracı şu anda yedi ay süren Kızıl Gezegen’e giden yolculuğuna sekiz gün kala göksel bir otoyolda ilerliyor. 19 Ekim'de Mars'a ineceğini biliyoruz, ancak bir ay içinde nerede olacak? Veya Dördüncü Temmuz? Konumu bana hesaplanabilir gibiydi.Uzay aracının hızlanma süresi, seyir hızı ve başlangıçtaki Mars'tan uzaklığı göz önüne alındığında, bazı rakamları kırabileceğimi düşündüm. Bu - şimdi biliyorum - saf koca. Roket bilimi, bir sebepten ötürü, hatta bir klişe olan kültürel bir mihenk taşıdır.

Bunu bir uzay aracı bulmaya çalışırken buldum.

Uzay karayolları karasal yollara benzemiyor, ESA’nın Görev Analizi Bürosunda gök mekaniği uzmanı olan Michael Khan, ExoMars’ın yerini bulma konusunda tavsiyemi istediğimde açıkladı. Akılda tutulması gereken bir şey varsa, diyor ki: Bu, uzayda düz çizgiler yoktur. Güzel yazılmış bir e-postada, neden hepimizin bir eğri üzerinde sürmeyi öğrenmek zorunda kalacağımızı - ve uzay yolculuğunun geleceğinin neden düşündüğümüzden daha karmaşık olduğunu açıkladı.

Açıklamasını özetlemeye çalışmak yerine, aşağıya yapıştıracağım çünkü güzel.

Uzaydaki tüm yörüngelerin yörüngelerinin (doğal veya insan yapımı) hesaplanmasının altında yatan bilim olan gök mekaniğinden korkuyorum, sandığınızdan biraz farklı çalışıyor.

Dünyadan başka bir gezegene gezegenlerarası bir transfer (bu durumda, Mars), Dünya üzerindeki bir uçağın yapacağı gibi bir seyir hızıyla veya okyanusta dolaşan bir gemi gibi düz bir çizgide uçma meselesi değildir. Belli noktalarda yöndeki bazı değişiklikler. Güneş sisteminde çalışma şekli bu değil. Böyle çalışmadığından, ExoMar’ların hangi saatte nerede olacağına ilişkin basit, kaba ve hazır hesaplamalar yapmanın kolay (hatta mümkün) olacağını sanmıyorum.

Temel olarak, bir nesnenin uzayda uçmasını düzenleyen doğa yasaları, yüzyıllar önce Isaac Newton ve Johannes Kepler'e aittir. Birazcık basitleştireceğim: Dünya ve Mars, az çok dairesel olan yörüngelerde ilerliyor (Mars için bu tam olarak doğru değil, ama yeni başlayanlar için işe yarıyor). Şimdi Dünya'nın yörüngesine, Güneş'in etrafında geniş bir daireye ve Mars'ın yörüngesine, Güneş'in merkezinde de bulunan daha geniş bir daireye sahibiz.

ExoMars'in izlediği transfer yörüngesi bir elips. Bu elipsin Güneş'e en yakın olduğu yerlerde, Dünya yörüngesini sıyırır. Denizaltıdan en uzak olduğu yerde, Mars yörüngesini alır. Uzay aracı bu en düşük noktadan en uzak noktaya uçuyor. ExoMars'ı fırlatmak için kullanılan proton M roketi tarafından verilen muazzam artışla elips'e ulaştı, o kadar yüksek ve hızlı fırlattı ki, uzay aracı gerçekten gereken yerçekimi ihtiyacını karşılayacak kadar doğru ve hızlı bir şekilde Dünya gravitesini terk etti. Mars'a. Bu noktada (Dünyadan kaçış), ExoMars, Güneş etrafındaki yörüngesinde Dünya'dan biraz daha hızlıydı.

Bu transfer elipsinde, ExoMars’ın hızı sürekli azalacak. Bunun neden böyle olduğunu anlamak için, bir saat sarkaçını hayal edin, Sarkaç yukarı doğru sallandıkça yavaşlar ve yavaşlar. Bunun nedeni iki tür enerji vardır: potansiyel enerji (= yükseklik enerjisi) ve kinetik enerji (= hareket enerjisi). Uzay gemisi yörüngesinde belirli bir toplam enerji var. Bu başlatıcısı tarafından verildi. Bu enerji artmaz. Cep harçlığı ya da maaş gibi bir şey, bunu en son yapmak zorundayız.

Roket yeterli enerji vermemiş olsaydı, ExoMars yörüngesi Mars yörüngesine ulaşmazdı. Tersine, eğer roket çok fazla enerji vermiş olsaydı, uzay aracı yörüngesi Mars yörüngesinin ötesine geçecekti. Bu yüzden doğru miktarda enerjiyi istedik (ve elde ettik), çok az değil, çok fazla. Bu, cep harçlığından veya maaştan farklıdır; burada kesinlikle çok azının çok daha iyi olduğu bir yer vardır.

Şimdi, eliptik transferde, Güneşten Mars'ın yörüngesine doğru tırmandığı uzay aracı ve Güneş, yerçekimi ile uzay aracına gidiyor. Böylece ExoMars tırmanıyor, yükseklik enerjisi artar. Bu nedenle, hareket enerjisinin azalması gerekir. Toplam enerji aynı kalır. Böylece Mars'a olan uçuşunda, ExoMars sürekli yavaşlıyor ve yavaşlıyor.

Transferi hesaplamak için, kesinlikle göz önünde bulundurulması gereken şey, güneşte çekim kuvvetidir. Güneş dizileri üzerindeki çok küçük ışık basıncı ve güneş sistemindeki gezegenlerin yerçekimi gibi başka etkiler de vardır ve tabii ki ExoMars'taki roket motorlarını her zaman yörüngeyi değiştirmek için kullandığımız zaman dikkate almamız gerekir.. Ancak bütün bunların güneş çekiminden daha az etkisi var.

Temel olarak, yörüngeyi etkileyen tüm faktörleri göz önünde bulundurarak uzay aracının yörüngesini hesaplamak için bir bilgisayar kullanıyoruz ve ayrıca uzay aracının nerede olduğunu ve sinyallerin Dünya'dan Dünya'ya yolculuk etmek için harcadığı zamandan ne kadar hızlı geçtiğini ölçebiliriz. uzay aracı ve geri ve bu arada sinyalin frekansı zamanla değişir.

Daha sonra bir e-postada ekledi:

Gördüğünüz en önemli şey, ExoMars yörüngesinin, uzaydaki bütün yörüngeler gibi, belirgin bir şekilde kavisli olmasıdır. Uzayda düz çizgiler yok. Yıldızlar ve gezegenler gibi kütlesi olan bedenlere sahip olduğunuzda, yerçekimine sahip olursunuz ve yerçekimi varlığında her şey eğriler üzerinde uçar. Eğriler doğal, düz çizgiler değildir. Dünyadan Mars'a kıvrımlı kırmızı çizginin ardından kapsanan mesafe, bunu perspektif haline getirmek için yaklaşık 500 milyon kilometredir. Yarım milyar kilometre.