Zakaj vesoljska misija ne more poleteti v nobenem trenutku: kaj je izstrelitveno okno?

Zakaj vesoljske ladje ni mogoče izstreliti kadar koli? Kaj je lansirna plošča? O vsem tem boste izvedeli iz našega članka.

Misija Artemida I

Pomen misije Artemis I za človeštvo pogosto primerjajo s poletom Apolla 8 leta 1968, ko je človeku uspelo prvič v zgodovini doseči orbito lune. Toda takrat naj bi bil uspešen polet na Luno najprej zmaga v političnem in tehnološkem spopadu med ZDA in ZSSR, znanost je bila v ozadju. Seveda je bil program "Apollo" velik uspeh, saj je oseba, ki je pred nekaj desetletji zapustila Zemljo na krovu prvega letala, premagala gravitacijo Zemlje in se znašla v orbiti drugega nebesnega telesa.

O ekonomski komponenti takrat skoraj ni bilo govora. Toda šest desetletij kasneje so ravno gospodarske koristi raziskovanja luninih virov tiste, ki so človeka spodbudile k »vrnitvi« na Luno. Če bi bil edini razlog za tovrstne misije vbod zastave svoje države na lunino površino, kar bi ljudje seveda sprva tako lahko razumeli, se sprašujem, ali bi zdaj šlo za tako velika sredstva. Navsezadnje so zdaj na Zemlji veliko resnejši problemi. Toda vesoljska tekma se nadaljuje in prednosti tukaj bodo zelo pomembne, tudi ekonomske.

To pomeni, da odpoved izstrelitve misije Artemis I 29. avgusta povzroči gospodarske in finančne izgube. Zdelo se je, da niso izstrelili 29., potem bi ga lahko izstrelili 30. ali 31. avgusta, a so ga preložili na 3. september. Prepričan sem, da mnogi od vas ne razumejo, zakaj je bil izbran prav ta datum. Govorijo o nekih začetnih oknih, o ugodnih pogojih za zagon. Ugotovimo.

Preberite tudi: Vesoljske misije s posadko: Zakaj je vrnitev na Zemljo še vedno problem?

Stroge zahteve glede datuma začetka misije

Zadevno izstrelitveno okno je pogoj, ki ga postavljajo narava in tehnološke omejitve, pogoj, ki ga je treba upoštevati pri izstrelitvi vsakega vesoljskega objekta. Za letala je odhodno okno večinoma neobvezno, zaradi gostega prometa pa tudi vzletijo ob določeni uri, torej po urniku. Če te omejitve ne bi bilo, bi lahko letalo vzletelo in pristalo, kadar je želelo. Toda leti v zračnem prostoru morajo biti urejeni. To velja le za zemeljski zračni prostor, kjer so že desetletja vzpostavljeni pogojni zračni koridorji za civilno letalstvo.

Raketa, ki nosi vesoljsko ladjo, bi teoretično lahko tudi to storila, a omejena zaloga goriva to preprečuje. Isti tisti, prek katerega da težko se je vrniti na Zemljo. Za zdaj lahko letimo po skrbno izračunani trajektoriji le, če lahko položaje planetov ali Lune uskladimo z Zemljo. Vsako odstopanje zahteva odvečne rezerve goriva, vendar jih v vesolju ni mogoče zbirati kot bonuse v arkadni igri.

Zato dosedanji poleti na Mars potekajo le v dvoletnih intervalih, ko bo njegov položaj na koncu poti sonde ali druge naprave ugoden za opravljanje nalog. Pri misijah, ki presegajo meje Osončja, so lahko trajektorije leta precej bolj zapletene, saj je treba upoštevati tudi vpliv gravitacije drugih planetov na načrtovano pot leta. Na primer, med letom Voyagerja do meja Osončja je bil upoštevan pospešek zaradi gravitacije Venere, na ladjo New Horizons pa je podobno vplivala gravitacija Jupitra. Ker je gorivo v vesolju še vedno redek vir, motorne tehnologije, ki temeljijo na njegovem zgorevanju, pa so še zelo primitivne. Da, nekdo bo omenil vesoljske plošče, ki sondam pomagajo pri uporabi kozmičnega vetra za pogon, vendar so sonde, ne vesoljska plovila, tiste, ki potrebujejo gorivo, da gredo v orbito in nazaj na Zemljo. In potrebujete ga veliko.

Zanimivo tudi:

• Zakaj zvezde utripajo?
• Zakaj so vesoljska plovila opremljena s procesorji iz 20. stoletja

Kaj so lansirne ploščice za zagon?

Predstavljajte si, da ste v središču atletskega stadiona in želite spoznati enega izmed atletov, ki tečejo na tekalni stezi. Lahko ga poskušamo dohiteti, a za to moramo teči hitreje od njega in porabili bomo veliko energije. Veliko bolj razumno je izračunati, kdaj bo tekač v najugodnejšem položaju, da ga lahko prestrežemo in mu v pravem trenutku gremo nasproti. Izračuni morajo biti natančni, da ne pridemo prezgodaj ali prepozno. Optimalni čas za začetek gibanja je naše začetno okno.

Enako velja za vesoljske misije. Izstrelitveno okno je preprosto obdobje, v katerem lahko vesoljsko plovilo doseže določeno točko v vesolju ob določenem času. Hkrati se upoštevajo močne zmogljivosti rakete in trajektorija vesoljskega predmeta, s katerim se mora aparat srečati. Zato so okna različna za različne misije. Na primer, za misijo na Mars se okno za izstrelitev odpre vsakih 780 dni. Toda za izstrelitev "Voyager-2", katerega cilj so planeti, kot so Jupiter, Saturn, Uran in Neptun, so uporabili okno priložnosti, ki se pojavi le enkrat na 175 let. Na drugi strani imamo primer misije Rosetta, ki je bila prvotno namenjena preučevanju kometa 46P / Wirtanen, vendar je bila ta priložnost izgubljena zaradi zamude pri izstrelitvi, zato je bila za misijo izbrana nova tarča, komet 67P / Churyumova. -Gerasimenko.

Na kratko, izstrelitveno izstrelitveno okno je časovni interval, izračunan iz izračunov orbitalne mehanike, v katerem lahko dano vesoljsko plovilo vzleti in uspešno doseže svoj končni cilj. Seveda ob upoštevanju načrtovane poti leta in mase potrebnega goriva. Zato začetno okno zahteva ugodno lokacijo nebesnih teles, katerih gravitacija bistveno vpliva na gibanje vozila.

Zanimivo tudi:

• 10 najbolj nenavadnih stvari, ki smo se jih naučili o črnih luknjah leta 2021
• Teraformiranje Marsa: Ali se lahko Rdeči planet spremeni v novo Zemljo?

Štirje dejavniki, ki vplivajo na okno zagona ob zagonu

Obstajajo štirje dejavniki, ki vplivajo na izbiro izstrelitvenega okna za izstrelitev katere koli vesoljske misije, vključno z Artemisom I. Med seboj so tako tesno povezani, da neskladje v enem od dejavnikov takoj izniči učinek drugih.

Orbite in nagibi

Discovery mora na primer dostaviti pomemben tovor na ISS. Najprej morajo znanstveniki upoštevati dve različni poti: pot samega raketoplana in Mednarodno vesoljsko postajo. Znanstveniki morajo zagotoviti, da se orbiti zagotovo srečata, saj je namen te misije dostaviti potrebne zaloge na vesoljsko postajo. Da bi to naredili, izračunajo ravnino orbite postaje, namišljeno ploščo, ki prereže Zemljo in drži vesoljsko postajo na robu.

Ko se Zemlja in vesoljska postaja premikata, se premika tudi običajna ravnina, ki ju povezuje. Znanstveniki morajo ugotoviti čas, ko rob Zemlje seka lansirno ploščad vesoljskega centra Kennedy na Floridi, s katere naj bi ladja izstrelila. Ne morejo zgrešiti več kot ene stopnje. Zemlja se zavrti za 1 stopinjo v petih minutah, zato bi morala biti izstrelitev točno v teh petih minutah.

Poleg tega se mora izstrelitev zgoditi, ko se vesoljska postaja usmeri od juga proti severu. To je posledica dejstva, da mora raketoplan uspešno prehiteti postajo in hkrati odvreči svoj 15-nadstropni zunanji rezervoar za gorivo nad ocean, kjer ne predstavlja nevarnosti za ljudi. Ocean leži na severovzhodu, zato mora izstrelitev Discoveryja počakati, da se vesoljska postaja premakne proti severu. Tako ima vesoljski raketoplan eno petminutno izstrelitveno okno na dan.

Kar zadeva misijo Artemis I, je tukaj še bolj zanimiva. NASA želi Orion postaviti v daljno retrogradno orbito okoli Lune. To je zelo stabilna orbita z dvema Lagrangeovim točkama. Hkrati se naprava giblje okoli Zemlje v nasprotni smeri od Lune. To orbito je doslej uporabljala le ena naprava - kitajski Chang'e 5. Za vstop v to orbito je treba zagnati motorje, ki bodo napravo v pravem trenutku in času pripeljali na Luno. Ta manever se imenuje TLI (Trans-Lunar Injection), natančnost njegove izvedbe pa je izjemno pomembna. To je en element, ki ga je treba upoštevati pri izračunu zagonskega okna.

Preberite tudi:

• Opazovanje rdečega planeta: zgodovina marsovskih iluzij
• Teleportacija z znanstvenega vidika in njena prihodnost

"Precesija" premakne okno

Prav tako ne smemo pozabiti na pojav precesije. Precesijo vidite vsakič, ko otrok začne obračati vrh šablone. Najprej njegova vrtilna os naredi krog v zraku v smeri, ki je nasprotna vrtenju, pri čemer vrh nagne najprej v eno smer, nato v drugo.

Zemlja izvaja počasno različico tega plesa, ko kroži okoli Sonca, sateliti, ki jih je izdelal človek, pa počnejo enako, ko krožijo okoli Zemlje.

Obstaja formula, ki Nasinim znanstvenikom omogoča, da izračunajo, koliko bo satelit zanihal. Dodajte število vrtljajev, ki jih satelit naredi na dan, velikost in ekscentričnost orbite ter naklon in dobili boste nihanja. Za Mednarodno vesoljsko postajo te številke dajejo vrednost skoraj 5 stopinj na dan, kar je enako približno 20 minutam dnevne rotacije Zemlje.

To velja tudi za luno in druge planete sončnega sistema. Ta nihanja zahtevajo natančen izračun, sicer pa morebitna prilagoditev zahteva preveliko porabo goriva in izgubo želene trajektorije.

Vremenske razmere ob izstrelitvi

Občasno smo slišali, da so izstrelitev rakete odpovedali zaradi neugodnih vremenskih razmer. Da, naravi ni treba čakati na nas, na površju Zemlje so vedno kakšni vremenski pojavi, kot so nevihte, nevihte, peščeni viharji, snežni viharji itd.

Meteorologi vesoljske agencije žonglirajo kot profesionalci in spremljajo oblačnost, smer in hitrost vetra ter nevihte in druge neugodne dogodke na šestih različnih lokacijah v 13 dneh. Vzlet odobrijo le, če rakete potencialno ne ujame na primer nevihta ali peščeni vihar.

Svetlobni pogoji

Izstrelitveno okno bi moralo omogočati dobro osvetlitev za vse kamere, tako da lahko ekipa za nadzor letenja vidi, kako dobro delujejo vsi sistemi in nastavitve ladje, kar pomaga zagotoviti varnost posadke vesoljske misije.

Na primer, po pravilih Nase Orion ne sme biti v senci več kot 90 minut naenkrat. Ker potrebuje sončno svetlobo za plošče in za vzdrževanje optimalne temperature naprave.

Poleg tega obstajajo še drugi dejavniki, povezani s postopkom pristanka, med katerim mora Orion vstopiti v zgornje plasti Zemljine atmosfere, jih nato za trenutek zapustiti in se spet, že končno, potopiti v ozračje. Za to pa mora naprava pravočasno doseči ustrezno trajektorijo glede na Zemljo. Zadnji vidik, ki ga je treba upoštevati, je čas pristanka. Orion naj bi čez dan pristal v oceanu, da bi čakajočim ekipam olajšali iskanje in prevzem kapsule.

Zanimivo tudi:

• Zakaj zvezde utripajo?
• Zakaj so vesoljska plovila opremljena s procesorji iz 20. stoletja

Izstrelitev ne poteka s stacionarne izstrelitvene ploščadi. Tarča je tudi v stalnem gibanju

Pogovorimo se podrobneje o nekaterih podrobnostih, ki jih je treba upoštevati pri izstrelitvi misije Artemis I, ki se bo morda začela že nocoj.

Luna je blizu Zemlje in tukaj verjetno ne bi smelo biti večjih težav. No, na žalost je med drugim tudi gibanje našega planeta in Lune. Naš satelit se ne vrti le okoli svoje osi s hitrostjo okoli 0,5 km/s na ekvatorju, ampak tudi kroži okoli Sonca v skoraj krožni orbiti s hitrostjo 30 km/s. Upoštevati je treba tudi, da se hitrost gibanja Zemlje prišteje lastni začetni hitrosti vozila.

Poleg tega se položaj Sonca in Lune glede na Zemljino orbito nenehno spreminja, tudi to je treba upoštevati. Tako lahko ob enaki porabi energije/goriva izstrelitev z Zemlje na Luno povzroči drugačen rezultat, odvisno od časa te izstrelitve.

V teoriji lahko zgradimo takšno vesoljsko plovilo, ki bo dovolj zmogljivo, da bo vsak dan poletelo na Luno. In morda bo tako tudi v prihodnje. Vendar pa zaenkrat uspeh misije Artemis I zahteva skrbno izbiro časa izstrelitve z Zemlje, ki bo omogočil Orionu, da se premakne na Luno in nato vstopi v načrtovano orbito okoli našega satelita. Tudi če je izstrelitev po urniku, lahko večdnevna zamuda povzroči pomembne spremembe v trajanju misije.

Trenutno lahko misija Artemis I traja od 26 do 28 dni ali 38 do 42 dni, odvisno od časa izstrelitve. Predvidevamo, da bo ta misija daljša, saj Orion opravi 1,5 obrata okoli Lune v svoji oddaljeni retrogradni orbiti. Če se upošteva krajša možnost in se bo izhod v lunino orbito zgodil ob drugem času, bo Orion naredil le 1 obrat okoli Lune, preden se bo vrnil na Zemljo.

Preberite tudi: Vesoljski teleskop James Webb: 10 ciljev za opazovanje

Prihodnji datumi izstrelitve Artemisa I so možni

Trenutno izstrelitveno okno za raketo SLS in njen tovor, ki izpolnjuje merila misije, bo od 2. do 6. septembra. Znano je že, da je NASA izbrala najbližji datum za izstrelitev misije Artemis I – 3. september 2022 med 21 in 17 po kijevskem času. Vsak naslednji dan ima tudi določeno uro, ko je možen start. Če v tem času ne uspete vzleteti, se prikažejo naslednja zagonska okna:

• od 20. septembra do 28. septembra
• od 30. septembra do 4. oktobra
• od 17. do 23. oktobra
• 27. oktober
• od 29. do 31. oktobra
• in tako naprej…

Lahko samo čakamo in upamo, da bo kmalu uspešna izstrelitev zgodovinske misije Artemis I.

Preberite tudi:

• 100 let kvantne fizike: od teorij dvajsetih let prejšnjega stoletja do računalnikov
• 5 prihodnjih vesoljskih misij, o katerih morate razmišljati

Vendar ne pozabite, da v Ukrajini poteka vojna. Če želite pomagati Ukrajini v boju proti ruskim okupatorjem, je najboljši način za to, da donirate oboroženim silam Ukrajine prek Savelife ali preko uradne strani NBU.