Jeg gik på at søge efter ExoMars-sonden og fandt sandheden om Space Highways

Den Europæiske Rumorganisationens ExoMars-rumfartøjer kører for øjeblikket ned ad en himmelsk motorvej, otte dage i sin syv-måneders rejse til den røde planet. Vi ved, at det lander på Mars den 19. oktober, men hvor vil det være om en måned? Eller den fjerde juli? Dens placering syntes beregnes for mig.I betragtning af rumfartøjets accelerationstid, krydshastighed og afstand fra Mars ved lanceringen, regnede jeg med at jeg kunne knase nogle tal. Dette var - jeg ved nu - ren hubris. Rocket science er en kulturel touchstone, en kliché selv, af en grund.

Jeg fandt dette ud, mens jeg forsøgte at finde et rumfartøj.

Space highways er ikke som jordbaserede veje, Michael Khan, Ph.D., en himmelsk mekanikekspert på ESA's Mission Analysis Office, forklarede, da jeg bad om hans råd om at lokalisere ExoMars. Hvis der er en ting at huske på, siger han, det er her: Der er ingen lige linjer i rummet. I en smukt skrevet e-mail forklarede han hvorfor vi alle må lære at køre på en kurve - og hvorfor fremtiden for rumrejser er uendeligt mere kompliceret end vi tror.

I stedet for at forsøge at opsummere sin forklaring, vil jeg indsætte det nedenfor, fordi det er smukt.

Jeg frygter himmelske mekanikere, som er den videnskab, der ligger til grund for beregningen af ​​sporene i alle kredsløb i rummet (naturligt eller menneskeskabt), fungerer lidt anderledes end det, du synes at antage.

En interplanetarisk overførsel fra Jorden til en anden planet (i dette tilfælde Mars) handler ikke om at flyve på en lige linje med en given krydsfart som et fly ville på jorden eller som et skib, der krydser gennem havet med nogle ændringer i retning på givne waypoints. Sådan fungerer det ikke i solsystemet. Fordi det ikke virker som dette, tror jeg ikke, det vil være ligetil (eller endda muligt) at lave enkle, grove og klare beregninger om, hvor ExoMars vil være på hvilket tidspunkt.

Dybest set var naturens love, der styrer et objekts flyvning gennem rummet, af Isaac Newton og Johannes Kepler for århundreder siden. Jeg forenkler bare en lille smule: Jord og Mars bevæger sig på baner, der er mere eller mindre cirkulære (for Mars, det er ikke helt sandt, men det virker for startere). Nu har vi jordens kredsløb, en bred cirkel omkring Solen, og Mars-kredsløbet, en endnu bredere cirkel, der også har Solen i centrum.

Overførselsbanen efterfulgt af ExoMars er en ellipse. Hvor denne ellipse er tættest på Solen, graser den jordens kredsløb. Hvor det er længst væk fra underen, graser det Mars-kredsløbet. Rumfartøjet flyver fra dette laveste punkt til det fjerneste punkt. Det nåede ellipse ved den enorme boost, der blev givet af protonen M-raketen, som blev brugt til at starte ExoMars, kaste den så høj og hurtig, at rumfartøjet rent faktisk forlader Jordens tyngdekraften med den rigtige hastighed og retning for at opfylde den nødvendige overførselsalipse til Mars. På dette tidspunkt (Earth Escape) var ExoMars ganske hurtigere end Jorden på sin bane omkring Solen.

På denne overførsels ellipse vil ExoMars 'hastighed falde kontinuerligt. For at forstå, hvorfor dette er så, forestil dig et urpendel, da pendulet svinger op, bevæger det sig langsommere og langsommere. Det skyldes, at der er to slags energi: potentiel energi (= højde energi) og kinetisk energi (= bevægelsesenergi). Rumfartøjets kredsløb har en vis total energi. Dette blev givet af lanceringen. Denne energi stiger ikke. Det er som lommepenge eller en løn, vi skal bare gøre det til sidst.

Hvis raketen ikke havde givet det tilstrækkelig energi, ville ExoMars bane ikke nået ud til Mars-kredsløbet. Omvendt, hvis raketen havde givet for meget energi, ville rumfartøjets kredsløb være gået langt ud over Mars-kredsløbet. Så vi ønskede (og fik) præcis den rigtige mængde energi, ikke for lidt, men ikke for meget. Dette er forskelligt fra lommepenge eller en løn, hvor alt for meget er bedre end for lidt.

På den elliptiske overførsel strækker rumfartøjet sig væk fra solen mod Mars-kredsløbet, og solen holder fast på rumfartøjet med dens tyngdekraft. Så som ExoMars klatrer, øges dets højde energi. Derfor skal bevægelsesenergien falde. Den samlede energi forbliver den samme. Så på sin flyvning til Mars bliver ExoMars løbende langsommere og langsommere.

For at beregne overførslen er den ene ting man absolut skal tage højde for, gravitationsattraktionen gennem solen. Der er også andre effekter som det meget lille tryk på lyset på solarrayerne og planeternes tyngdekraft i solsystemet, og selvfølgelig skal vi tage højde for hver gang vi bruger raketmotorerne ombord på ExoMars for at ændre omløbet. Men alt dette har en meget mindre effekt end solens tyngdekraft.

I det væsentlige bruger vi en computer til at beregne rumfartøjets bane under hensyntagen til alle faktorer, der påvirker banen, og vi kan også måle hvor rumfartøjer er, og hvor hurtigt det rejser fra det tidspunkt, signalerne tager for at rejse fra Jorden til rumfartøjer og tilbage og forresten ændrer signalets frekvens over tid.

I en senere e-mail tilføjede han:

Det vigtigste, du ser, er, at ExoMars-banen, som alle spor i rummet, er tydeligt buet. Der er ingen lige linjer i rummet. Når du har organer, der har masse, såsom stjerner og planeter, har du tyngdekraft, og i nærvær af tyngdekraft vil alt flyve på kurver. Kurver er naturlige, lige linjer er ikke. Afstanden dækket efter den buede røde linje fra Jorden til Mars er omkring 500 millioner kilometer for at sætte det i perspektiv. En halv milliard kilometer.