Jeg gikk på å søke etter ExoMars-sonden og fant sannheten om Space Highways

Det europeiske romfartsselskapets ExoMars-romskip går for tiden på en himmelsk motorvei, åtte dager i sin syvmåneders reise til den røde planeten. Vi vet at landet lander på Mars 19. oktober, men hvor vil det være om en måned? Eller den fjerde juli? Beliggenheten virket kalkulerbar for meg.Gitt romfartøyets akselerasjonstid, cruiseshastighet og avstand fra Mars ved lanseringen, skjønte jeg at jeg kunne knase noen tall. Dette var - jeg vet nå - ren hubris. Rocket science er en kulturell touchstone, en kliché selv, av en grunn.

Jeg fant dette ut mens jeg prøvde å finne et romfartøy.

Space motorveier er ikke som jordbaserte veier, Michael Khan, Ph.D., en himmelsk mekaniker ekspert på ESAs Mission Analysis Office, forklart da jeg ba om hans råd om å finne ExoMars. Hvis det er en ting å huske på, sier han, det er dette: Det er ingen rette linjer i rommet. I en vakkert skrevet e-post forklarte han hvorfor vi alle må lære å kjøre på en kurve - og hvorfor fremtiden for romferie er uendelig mer komplisert enn vi tror.

I stedet for å forsøke å oppsummere sin forklaring, kommer jeg til å lime den inn, fordi den er vakker.

Jeg frykter himmellegemekanikk, som er vitenskapen som ligger til grunn for beregningen av banene i alle baner i rommet (naturlig eller menneskeskapt), virker litt annerledes enn hva du ser ut til å antar.

En interplanetarisk overføring fra jorden til en annen planet (i dette tilfellet Mars) handler ikke om å fly på en rett linje med en gitt cruisingshastighet som et fly ville på jorden eller som et skip som krysser gjennom havet, noen endringer i retning på bestemte veipunkter. Det er ikke slik det fungerer i solsystemet. Fordi det ikke virker som dette, tror jeg ikke det vil være greit (eller muligens) å lage enkle, grove og klare beregninger om hvor ExoMars vil være når som helst.

I utgangspunktet var naturens lover som styrte flyet av et objekt gjennom rommet, av Isaac Newton og Johannes Kepler for århundrer siden. Jeg forenkler bare litt: Jord og Mars beveger seg på baner som er mer eller mindre sirkulære (for Mars, det er ikke helt sant, men det virker for startere). Nå har vi jordens bane, en bred sirkel rundt Sola, og Mars-bane, en enda bredere sirkel som også har Solen i sentrum.

Overføringsbanen etterfulgt av ExoMars er en ellipse. Hvor denne ellipsen er nærmest Solen, graser den jordens bane. Hvor det er lengst fra Sub, graser det Mars-bane. Romskipet flyr fra dette laveste punktet til lengst punkt. Den nådde ellipsen ved den enorme boosten som ble gitt til den av proton M-raketten som ble brukt til å starte ExoMars, kaste den så høy og rask at romfartøyet faktisk forlater jordens tyngdekraft med akkurat den rette hastigheten og retningen for å møte den nødvendige overføringsellipse til Mars. På dette punktet (Earth Escape) var ExoMars ganske raskere enn Jorden på sin bane rundt Sola.

På denne overførings ellipsen vil ExoMars fart reduseres kontinuerlig. For å forstå hvorfor dette er så, tenk på en klokkependel. Når pendulen svinger opp, beveger den seg langsommere og langsommere. Det er fordi det er to typer energi: potensiell energi (= høydenergi) og kinetisk energi (= bevegelsesenergi). Romskipet har en viss total energi. Dette ble gitt av lanseringen. Denne energien øker ikke. Det er som lommepenger eller en lønn, vi må bare gjøre det siste.

Hvis raketten ikke hadde gitt den nok energi, ville ExoMars-bane ikke ha kommet ut til Mars-bane. Omvendt, hvis raketten hadde gitt for mye energi, ville romfartøyet bane gått langt utover Mars-banen. Så vi ønsket (og fikk) akkurat riktig mengde energi, ikke for lite, men ikke for mye. Dette er forskjellig fra lommepenger eller en lønn, hvor for mye definitivt er bedre enn for lite.

Nå, på den elliptiske overføringen, går romfartøyet seg bort fra solen mot Mars-bane, og solen holder fast på romfartøyet med tyngdekraften. Så som ExoMars klatrer, øker høydenergien. Derfor må bevegelsesenergien redusere. Den totale energien forblir den samme. Så på flyet til Mars blir ExoMars kontinuerlig langsommere og langsommere.

For å beregne overføringen må den ene tingen man absolutt ta hensyn til, er gravitasjonssituasjonen gjennom solen. Det er også andre effekter som det meget små lystrykket på solens arrays og planets tyngdekraft i solsystemet, og selvfølgelig må vi ta hensyn til hver gang vi bruker rakettmotorer ombord på ExoMars for å bytte omløp. Men alt dette har en mye mindre effekt enn solens tyngdekraften.

I det vesentlige bruker vi en datamaskin til å beregne romfartøyets bane under hensyntagen til alle faktorer som påvirker baneområdet, og vi kan også måle hvor romfartøy er og hvor raskt den reiser fra det tidspunkt signalene tar for å reise fra jorden til romfartøy og tilbake og for øvrig endres frekvensen av signalet over tid.

I en senere e-post la han til:

Det viktigste du ser er at ExoMars-banen, som alle spor i rommet, er tydelig buet. Det er ingen rette linjer i rommet. Når du har organer som har masse, som stjerner og planeter, har du tyngdekraften, og i nærvær av tyngdekraften, vil alt flyve på kurver. Kurver er naturlige, rette linjer er ikke. Avstanden dekket etter den buede røde linjen fra jord til mars er om lag 500 millioner kilometer for å sette det i perspektiv. En halv milliard kilometer.