Prečo vesmírna misia nemôže kedykoľvek letieť: Čo je štartovacie okno?

Prečo nemôže byť vesmírna loď vypustená kedykoľvek? Čo je to štartovacia rampa? O tom všetkom sa dozviete z nášho článku.

Poslanie Artemis I

Dôležitosť misie Artemis I pre ľudstvo sa často prirovnáva k letu Apolla 8 v roku 1968, keď sa človeku prvýkrát v histórii podarilo dostať na obežnú dráhu Mesiaca. Ale úspešný let na Mesiac mal byť v tom čase v prvom rade víťazstvom v politickej a technologickej konfrontácii medzi USA a ZSSR, veda bola v pozadí. Samozrejme, program „Apollo“ mal obrovský úspech, pretože človek, ktorý len pred pár desaťročiami opustil Zem na palube prvého lietadla, prekonal zemskú gravitáciu a ocitol sa na obežnej dráhe iného nebeského telesa.

O ekonomickej zložke sa vtedy takmer nehovorilo. Ale o šesť desaťročí neskôr sú to práve ekonomické výhody skúmania lunárnych zdrojov, ktoré podnecujú človeka k „návratu“ na Mesiac. Ak by jediným dôvodom takýchto misií bolo zasadiť na povrch Mesiaca vlajku svojej krajiny, čo by to, samozrejme, ľudia najskôr tak mohli vnímať, zaujímalo by ma, či by sa teraz zapájali také obrovské prostriedky. Veď teraz sú na Zemi oveľa vážnejšie problémy. Ale vesmírne preteky pokračujú a výhody tu budú veľmi dôležité, vrátane ekonomických.

To znamená, že zrušenie spustenia misie Artemis I 29. augusta vedie k ekonomickým a finančným stratám. Zdalo by sa, že nespustili 29., potom to mohli spustiť 30. alebo 31. augusta, ale odložili to na 3. septembra. Som si istý, že mnohí z vás nechápu, prečo bol vybraný práve tento dátum. Hovorí sa o nejakých štartovacích oknách, o výhodných podmienkach na štart. Poďme na to.

Prečítajte si tiež: Vesmírne misie s ľudskou posádkou: Prečo je návrat na Zem stále problémom?

Prísne požiadavky týkajúce sa dátumu začiatku misie

Spomínané štartovacie okno je podmienkou vyplývajúcou z prírody a technologických obmedzení, podmienkou, ktorá sa musí brať do úvahy pri štarte každého vesmírneho objektu. Pri lietadlách je odletové okno väčšinou nepovinné, no pre hustú leteckú prevádzku odlietajú aj v určitom čase, teda podľa letového poriadku. Ak by takéto obmedzenie nebolo, lietadlo by mohlo vzlietnuť a pristáť, kedy sa mu zachce. Lety vo vzdušnom priestore však musia byť usporiadané. Týka sa to len vzdušného priestoru Zeme, kde sú už desaťročia položené podmienené vzdušné koridory pre civilné letectvo.

Raketa nesúca vesmírnu loď by to teoreticky mohla robiť tiež, ale bráni tomu obmedzená zásoba paliva. Ten istý, cez ktorý áno je ťažké vrátiť sa na Zem. Zatiaľ môžeme letieť po dôkladne vypočítanej trajektórii iba vtedy, ak sa nám podarí zladiť polohy planét alebo Mesiaca so Zemou. Akákoľvek odchýlka vyžaduje nadmerné zásoby paliva, ale vo vesmíre ich nemožno zbierať ako bonusy v arkádovej hre.

Preto lety na Mars zatiaľ prebiehajú len v dvojročných intervaloch, kedy bude jeho poloha na konci dráhy sondy či iného zariadenia priaznivá pre plnenie úloh. V prípade misií, ktoré presahujú hranice Slnečnej sústavy, môžu byť trajektórie letov oveľa komplikovanejšie, pretože treba brať do úvahy aj vplyv gravitácie iných planét na plánovanú dráhu letu. Napríklad pri lete Voyageru k hraniciam Slnečnej sústavy sa počítalo so zrýchlením v dôsledku gravitácie Venuše a podobne na tom bola aj loď New Horizons s gravitáciou Jupitera. Pretože palivo je vo vesmíre stále vzácny zdroj a technológie motorov založené na jeho spaľovaní sú stále veľmi primitívne. Áno, niekto spomenie vesmírne panely, ktoré pomáhajú sondám využívať kozmický vietor na svoj pohon, ale sú to sondy, nie vesmírne lode, ktoré potrebujú palivo, aby sa dostali na obežnú dráhu a späť na Zem. A potrebujete toho veľa.

Tiež zaujímavé:

• Prečo hviezdy blikajú?
• Prečo sú kozmické lode vybavené procesormi 20. storočia

Čo sú spúšťacie panely na spustenie?

Predstavte si, že ste v centre atletického štadióna a chcete sa stretnúť s jedným zo športovcov bežiacich na bežiacom páse. Môžeme sa pokúsiť ho dobehnúť, ale na to musíme bežať rýchlejšie ako on a minieme veľa energie. Oveľa rozumnejšie je vypočítať, kedy bude bežec v najvýhodnejšej pozícii, aby ho bolo možné zachytiť a v správnom momente mu ísť v ústrety. Výpočty musia byť presné, aby sme neprišli príliš skoro alebo príliš neskoro. Optimálny čas začať sa hýbať je naše štartovacie okno.

To isté platí pre vesmírne misie. Štartovacie okno je jednoducho obdobie, počas ktorého môže kozmická loď dosiahnuť určitý bod vo vesmíre v určenom čase. Zároveň sa berú do úvahy výkonové možnosti rakety a trajektória vesmírneho telesa, s ktorou sa musí aparatúra stretnúť. Preto sú okná pre rôzne misie rôzne. Napríklad pri misii na Mars sa štartovacie okno otvára každých 780 dní. Ale na vypustenie „Voyageru-2“, ktorého cieľom sú také planéty ako Jupiter, Saturn, Urán a Neptún, využili príležitosť, ktorá sa objaví len raz za 175 rokov. Na druhej strane máme príklad misie Rosetta, ktorá bola pôvodne určená na štúdium kométy 46P / Wirtanen, ale táto príležitosť bola stratená z dôvodu oneskorenia štartu, takže bol pre misiu zvolený nový cieľ, kométa 67P / Churyumova. -Gerasimenko.

Stručne povedané, štartovacie okno je časový interval vypočítaný z výpočtov orbitálnej mechaniky, počas ktorého môže daná kozmická loď vzlietnuť a úspešne dosiahnuť svoj konečný cieľ. Samozrejme s prihliadnutím na plánovanú dráhu letu a hmotnosť potrebného paliva. Preto počiatočné okno vyžaduje výhodné umiestnenie nebeských telies, ktorých gravitácia výrazne ovplyvňuje pohyb vozidla.

Tiež zaujímavé:

• 10 najpodivnejších vecí, ktoré sme sa dozvedeli o čiernych dierach v roku 2021
• Terraformovanie Marsu: Mohla by sa červená planéta zmeniť na novú Zem?

Štyri faktory, ktoré ovplyvňujú spúšťacie okno pri spustení

Existujú štyri faktory, ktoré ovplyvňujú výber štartovacieho okna pre spustenie akejkoľvek vesmírnej misie, vrátane Artemis I. Sú tak úzko prepojené, že nezrovnalosť v jednom z faktorov okamžite ruší účinok ostatných.

Obežné dráhy a sklony

Napríklad Discovery potrebuje doručiť dôležitý náklad na ISS. Po prvé, vedci musia zvážiť dve rôzne trajektórie: trajektóriu samotného raketoplánu a Medzinárodnej vesmírnej stanice. Vedci sa musia postarať o to, aby sa obe dráhy definitívne stretli, keďže cieľom tejto misie je dopraviť potrebné zásoby na vesmírnu stanicu. Na tento účel vypočítajú rovinu obežnej dráhy stanice, pomyselný list, ktorý prerezáva Zem a drží vesmírnu stanicu na jej okraji.

Keď sa Zem a vesmírna stanica pohybujú, pohybuje sa aj konvenčná rovina, ktorá ich spája. Vedci musia nájsť čas, kedy okraj Zeme pretína štartovaciu rampu Kennedyho vesmírneho strediska na Floride, z ktorej má loď štartovať. Nemôžu minúť viac ako jeden stupeň. Zem sa otočí o 1 stupeň za päť minút, takže štart by sa mal uskutočniť presne do týchto piatich minút.

Okrem toho k štartu musí dôjsť vtedy, keď vesmírna stanica smeruje z juhu na sever. Je to spôsobené tým, že raketoplán musí úspešne predbehnúť stanicu a zároveň odhodiť svoju 15-poschodovú externú palivovú nádrž nad oceánom, kde nepredstavuje hrozbu pre ľudí. Oceán leží na severovýchode, takže štart Discovery musí počkať, kým sa vesmírna stanica presunie na sever. Takto má raketoplán jedno päťminútové štartovacie okno denne.

Čo sa týka misie Artemis I, tu je to ešte zaujímavejšie. NASA chce umiestniť Orion na ďalekú retrográdnu obežnú dráhu okolo Mesiaca. Ide o veľmi stabilnú obežnú dráhu s dvoma Lagrangeovými bodmi. Aparatúra sa zároveň pohybuje okolo Zeme v opačnom smere ako Mesiac. Túto obežnú dráhu doteraz využívalo len jedno zariadenie – čínske Chang'e 5. Pre vstup na túto obežnú dráhu je potrebné naštartovať motory, ktoré dopravia zariadenie na Mesiac v správnom momente a čase. Tento manéver sa nazýva TLI (Trans-Lunar Injection) a presnosť jeho vykonania je mimoriadne dôležitá. Toto je jeden prvok, ktorý treba zvážiť pri výpočte spúšťacieho okna.

Prečítajte si tiež:

• Pozorovanie červenej planéty: História marťanských ilúzií
• Teleportácia z vedeckého hľadiska a jej budúcnosť

"Precesia" posúva okno

Netreba zabúdať ani na fenomén precesie. Precesiu vidíte vždy, keď dieťa začne otáčať vrchnou časťou prípravku. Po prvé, jeho os otáčania vytvára kruh vo vzduchu v smere opačnom k ​​otáčaniu, pričom nakláňa hornú časť najprv jedným smerom, potom druhým.

Zem pri obiehaní okolo Slnka predvádza spomalenú verziu tohto tanca a človekom vyrobené satelity robia to isté, keď obiehajú Zem.

Existuje vzorec, ktorý umožňuje vedcom z NASA vypočítať, ako veľmi sa bude satelit kývať. Pridajte počet otáčok, ktoré satelit urobí za deň, veľkosť a excentricitu obežnej dráhy a sklon, a máte oscilácie. Pre Medzinárodnú vesmírnu stanicu tieto čísla udávajú hodnotu takmer 5 stupňov za deň, čo sa rovná asi 20 minútam dennej rotácie Zeme.

To platí aj pre Mesiac a ďalšie planéty slnečnej sústavy. Tieto výkyvy si vyžadujú presný výpočet, inak si akákoľvek úprava vyžaduje nadmernú spotrebu paliva a stratu požadovanej trajektórie.

Poveternostné podmienky pri štarte

Z času na čas sme počuli, že štart rakety bol zrušený, pretože boli nepriaznivé poveternostné podmienky. Áno, príroda na nás nemusí čakať, na zemskom povrchu sú vždy nejaké poveternostné javy ako búrky, búrky, piesočné búrky, snehové víchrice atď.

Meteorológovia vesmírnej agentúry žonglujú ako profesionáli so sledovaním oblačnosti, smeru a rýchlosti vetra, ako aj búrok a iných nepriaznivých udalostí na šiestich rôznych miestach počas 13 dní. Vzlet schvaľujú len vtedy, ak raketu potenciálne nezastihne napríklad búrka alebo piesočná búrka.

Svetelné podmienky

Štartovacie okno by malo umožniť dobré osvetlenie všetkých kamier, aby tím riadenia letu mohol vidieť, ako dobre fungujú všetky systémy a nastavenia lode, čo pomáha zaistiť bezpečnosť posádky vesmírnej misie.

Napríklad podľa pravidiel NASA nemôže byť Orion v tieni dlhšie ako 90 minút v kuse. Pretože potrebuje slnečné svetlo na panely a na udržanie optimálnej teploty zariadenia.

Okrem toho existujú ďalšie faktory súvisiace s procesom pristátia, počas ktorého musí Orion vstúpiť do horných vrstiev zemskej atmosféry, potom ich na chvíľu opustiť a opäť, už konečne, sa ponoriť do atmosféry. Na to však musí zariadenie včas dosiahnuť príslušnú trajektóriu vzhľadom na Zem. Posledným aspektom, ktorý treba zvážiť, je čas pristátia. Orion má počas dňa pristáť v oceáne, aby uľahčil čakajúcim tímom nájsť a získať kapsulu.

Tiež zaujímavé:

• Prečo hviezdy blikajú?
• Prečo sú kozmické lode vybavené procesormi 20. storočia

Štart sa neuskutočňuje zo stacionárnej štartovacej rampy. Cieľ je tiež v neustálom pohybe

Povedzme si podrobnejšie o niektorých detailoch, ktoré je potrebné zvážiť pri štarte misie Artemis I, ktorá môže odštartovať už dnes večer.

Mesiac je blízko Zeme a pravdepodobne by tu nemali byť žiadne veľké problémy. No, bohužiaľ, je tam okrem iného aj pohyb našej planéty a Mesiaca. Náš satelit sa na rovníku nielen otáča okolo svojej osi rýchlosťou asi 0,5 km/s, ale aj obieha okolo Slnka po takmer kruhovej dráhe rýchlosťou 30 km/s. Treba tiež vziať do úvahy, že rýchlosť pohybu Zeme sa pripočítava k vlastnej štartovacej rýchlosti vozidla.

Navyše, poloha Slnka a Mesiaca vzhľadom na obežnú dráhu Zeme sa neustále mení, aj to treba brať do úvahy. Pri rovnakej spotrebe energie/paliva môže teda štart zo Zeme na Mesiac viesť k odlišnému výsledku v závislosti od načasovania tohto štartu.

Teoreticky môžeme postaviť takú vesmírnu loď, ktorá bude dostatočne výkonná na to, aby lietala na Mesiac každý deň. A možno to tak bude aj v budúcnosti. Nateraz si však úspech misie Artemis I vyžaduje starostlivý výber času štartu zo Zeme, čo umožní Orionu presunúť sa na Mesiac a následne vstúpiť na plánovanú obežnú dráhu okolo nášho satelitu. Aj keď je štart podľa plánu, oneskorenie niekoľkých dní môže spôsobiť výrazné zmeny v trvaní misie.

V súčasnosti, v závislosti od času štartu, môže misia Artemis I trvať 26 až 28 dní alebo 38 až 42 dní. Očakávame, že táto misia bude dlhšia, keďže Orion dokončí 1,5 otáčky okolo Mesiaca na svojej ďaleko retrográdnej dráhe. Ak sa zváži kratšia možnosť a výstup na obežnú dráhu Mesiaca sa uskutoční v inom čase, Orion vykoná iba 1 otáčku okolo Mesiaca pred začiatkom návratu na Zem.

Prečítajte si tiež: Vesmírny teleskop Jamesa Webba: 10 cieľov na pozorovanie

Budúce dátumy spustenia Artemis I sú možné

Aktuálne štartovacie okno pre raketu SLS a jej náklad, ktorý spĺňa kritériá misie, bude 2. až 6. septembra. Už je známe, že NASA zvolila najbližší termín štartu misie Artemis I – 3. septembra 2022 medzi 21:17 a 23:17 kyjevského času. Každý nasledujúci deň má tiež určitý čas, kedy je možný štart. Ak sa vám nepodarí vzlietnuť v tomto čase, objavia sa nasledujúce štartovacie okná:

• od 20. septembra do 28. septembra
• od 30. septembra do 4. októbra
• od 17. do 23. októbra
• 27. októbra
• od 29. do 31. októbra
• a tak ďalej…

Ostáva nám len čakať a dúfať, že k úspešnému spusteniu historickej misie Artemis I dôjde už čoskoro.

Prečítajte si tiež:

• 100 rokov kvantovej fyziky: Od teórií 1920. rokov k počítačom
• 5 budúcich vesmírnych misií na zamyslenie

Nezabúdajte však, že na Ukrajine prebieha vojna. Ak chcete pomôcť Ukrajine v boji proti ruským okupantom, najlepší spôsob, ako to urobiť, je darovať Ozbrojeným silám Ukrajiny prostredníctvom Zachrániť život alebo cez oficiálnu stránku NBU.