Varför ett rymduppdrag inte kan flyga när som helst: Vad är ett uppskjutningsfönster?

Varför kan rymdskeppet inte skjutas upp när som helst? Vad är en startplatta? Du kommer att lära dig om allt detta från vår artikel.

Artemis I uppdrag

Artemis I-uppdragets betydelse för mänskligheten jämförs ofta med Apollo 8-flygningen 1968, då människan kunde nå månens omloppsbana för första gången i historien. Men på den tiden var en framgångsrik flygning till månen tänkt att först och främst vara en seger i den politiska och tekniska konfrontationen mellan USA och Sovjetunionen, vetenskapen var i bakgrunden. Naturligtvis blev "Apollo"-programmet en stor framgång, eftersom en person som lämnade jorden ombord på det första planet för bara några decennier sedan, övervann jordens gravitation och befann sig i en annan himlakropps omloppsbana.

Det var nästan inget snack om den ekonomiska komponenten på den tiden. Men sex decennier senare är det just de ekonomiska fördelarna med att utforska månens resurser som får människan att "återvända" till månen. Om den enda anledningen till sådana uppdrag var att plantera sitt lands flagga på månens yta, vilket förstås till en början kunde uppfatta det som det, undrar jag om så enorma resurser skulle vara inblandade nu. Det finns trots allt mycket allvarligare problem på jorden nu. Men rymdkapplöpningen fortsätter, och fördelarna här kommer att vara mycket viktiga, även ekonomiska.

Det vill säga att inställningen av lanseringen av Artemis I-uppdraget den 29 augusti leder till ekonomiska och finansiella förluster. Det verkar som att de inte lanserade den 29:e, då kunde de ha lanserat den 30 eller 31 augusti, men de sköt upp det till den 3 september. Jag är säker på att många av er inte förstår varför just detta datum valdes. De pratar om några startfönster, om gynnsamma förutsättningar för lanseringen. Låt oss ta reda på det.

Läs också: Bemannade rymduppdrag: Varför är återvändande till jorden fortfarande ett problem?

Strikta krav på startdatum för uppdraget

Uppskjutningsfönstret i fråga är ett villkor som ställs av naturen och tekniska begränsningar, ett villkor som måste beaktas vid uppskjutningen av varje rymdobjekt. För flygplan är ett avgångsfönster för det mesta valfritt, men på grund av tät flygtrafik lyfter de även vid en viss tid, det vill säga enligt tidtabellen. Om det inte fanns någon sådan begränsning kunde planet lyfta och landa när det ville. Men flygningar i luftrummet måste vara ordnade. Detta gäller bara för jordens luftrum, där villkorade luftkorridorer för civil luftfart har lagts i årtionden.

En raket som bär ett rymdskepp skulle teoretiskt sett också kunna göra detta, men den begränsade tillgången på bränsle förhindrar detta. Samma genom vilken ja det är svårt att återvända till jorden. För närvarande kan vi flyga på en noggrant beräknad bana endast om vi kan matcha planeternas eller månens positioner med jorden. Varje avvikelse kräver överskott av bränslereserver, men i rymden kan de inte samlas in som bonusar i ett arkadspel.

Det är därför flygningar till Mars hittills bara äger rum med två års intervall, när dess position vid slutet av en sond eller annan enhet kommer att vara gynnsam för utförandet av uppgifterna. När det gäller uppdrag som går utanför solsystemets gränser kan flygbanorna vara mycket mer komplicerade, eftersom effekten av andra planeters gravitation på den planerade flygbanan också måste beaktas. Till exempel, under Voyagers flygning till solsystemets gränser, togs hänsyn till accelerationen på grund av Venus gravitation, och New Horizons-skeppet påverkades på liknande sätt av Jupiters gravitation. Eftersom bränsle fortfarande är en knapp resurs i rymden, och motorteknologier baserade på dess förbränning är fortfarande mycket primitiva. Ja, någon kommer att nämna rymdpanelerna som hjälper sonderna att använda den kosmiska vinden för att driva fram sig själva, men det är sonderna, inte rymdfarkosten, som behöver bränsle för att gå i omloppsbana och tillbaka till jorden. Och du behöver mycket av det.

Också intressant:

• Varför blinkar stjärnorna?
• Varför rymdfarkoster är utrustade med 20-talsprocessorer

Vad är startplattor för start?

Föreställ dig att du är mitt på en friidrottsstadion och du vill träffa en av atleterna som springer på ett löpband. Vi kan försöka komma ikapp honom, men för detta måste vi springa snabbare än honom, och vi kommer att spendera mycket energi. Det är mycket rimligare att räkna ut när löparen kommer att vara i den mest fördelaktiga positionen, så att han kan avlyssnas och i rätt ögonblick gå honom till mötes. Beräkningarna ska vara korrekta så att vi inte kommer för tidigt eller för sent. Den optimala tiden att börja röra på sig är vårt startfönster.

Detsamma gäller rymduppdrag. Ett uppskjutningsfönster är helt enkelt den period under vilken en rymdfarkost kan nå en angiven punkt i rymden vid en viss tidpunkt. Samtidigt beaktas raketens kraftförmåga och bana för rymdobjektet som apparaten måste mötas med. Därför är fönstren olika för olika uppdrag. Till exempel, för ett uppdrag till Mars, öppnas uppskjutningsfönstret var 780:e dag. Men för lanseringen av "Voyager-2", vars mål är sådana planeter som Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus, använde de ett möjlighetsfönster som bara dyker upp en gång vart 175:e år. Å andra sidan har vi exemplet med Rosetta-uppdraget, som ursprungligen var tänkt att studera kometen 46P / Wirtanen, men denna möjlighet gick förlorad på grund av en uppskjutningsförsening, så ett nytt mål valdes för uppdraget, kometen 67P / Churyumova -Gerasimenko.

Mer kortfattat är uppskjutningsfönstret det tidsintervall, beräknat från orbitalmekaniska beräkningar, under vilket en given rymdfarkost kan lyfta och framgångsrikt nå sin slutdestination. Naturligtvis med hänsyn till den planerade flygvägen och massan av det nödvändiga bränslet. Därför kräver det initiala fönstret en gynnsam placering av himlakroppar, vars gravitation avsevärt påverkar fordonets rörelse.

Också intressant:

• 10 konstigaste saker vi lärde oss om svarta hål 2021
• Terraforming Mars: Kan den röda planeten förvandlas till en ny jord?

Fyra faktorer som påverkar startfönstret

Det finns fyra faktorer som påverkar valet av uppskjutningsfönster för uppskjutningen av alla rymduppdrag, inklusive Artemis I. De är så nära besläktade med varandra att en diskrepans i en av faktorerna omedelbart upphäver effekten av de andra.

Banor och lutningar

Till exempel måste Discovery leverera en viktig last till ISS. Först måste forskare överväga två olika banor: banan för själva skytteln och den internationella rymdstationen. Forskare måste se till att de två banorna definitivt kommer att mötas, eftersom syftet med detta uppdrag är att leverera de nödvändiga förnödenheterna till rymdstationen. För att göra detta beräknar de planet för stationens omloppsbana, ett imaginärt ark som skär genom jorden och håller rymdstationen vid sin kant.

När jorden och rymdstationen rör sig rör sig också det konventionella planet som förbinder dem. Forskare måste hitta tidpunkten när jordens kant skär uppskjutningsrampen för Kennedy Space Center i Florida, varifrån fartyget är tänkt att starta. De kan inte missa mer än en examen. Jorden roterar 1 grad på fem minuter, så uppskjutningen bör ske exakt inom dessa fem minuter.

Dessutom måste uppskjutningen ske när rymdstationen är på väg från söder till norr. Detta beror på det faktum att skytteln framgångsrikt måste köra om stationen och samtidigt kasta sin 15 våningar höga externa bränsletank över havet, där den inte utgör ett hot mot människor. Havet ligger i nordost, så uppskjutningen av Discovery måste vänta tills rymdstationen flyttar norrut. Detta lämnar rymdfärjan med ett fem minuters uppskjutningsfönster per dag.

När det gäller Artemis I-uppdraget är det ännu mer intressant här. NASA vill placera Orion i en långt retrograd bana runt månen. Detta är en mycket stabil bana med två Lagrangepunkter. Samtidigt rör sig apparaten runt jorden i motsatt riktning från månen. Hittills har denna omloppsbana endast använts av en enhet - den kinesiska Chang'e 5. För att komma in i denna omloppsbana är det nödvändigt att starta motorerna som kommer att leverera enheten till Månen vid rätt ögonblick och tid. Denna manöver kallas TLI (Trans-Lunar Injection), och noggrannheten i dess utförande är extremt viktig. Detta är ett element att tänka på när du beräknar startfönstret.

Läs också:

• Att observera den röda planeten: A History of Martian Illusions
• Teleportering ur vetenskaplig synvinkel och dess framtid

"Precession" flyttar fönstret

Man bör inte heller glömma fenomenet precession. Du ser precessionen varje gång barnet börjar vända toppen av jiggen. Först gör dess rotationsaxel en cirkel i luften i motsatt riktning mot rotationen, lutar toppen först i en riktning och sedan i den andra.

Jorden utför en slowmotion-version av denna dans när den kretsar runt solen, och konstgjorda satelliter gör samma sak som de kretsar runt jorden.

Det finns en formel som gör det möjligt för NASA-forskare att beräkna hur mycket satelliten kommer att vingla. Lägg till antalet varv satelliten gör per dag, omloppsbanans storlek och excentricitet och lutningen så har du svängningarna. För den internationella rymdstationen ger dessa siffror ett värde på nästan 5 grader per dag, vilket är lika med cirka 20 minuter av jordens dagliga rotation.

Detta gäller även månen och andra planeter i solsystemet. Dessa fluktuationer kräver noggrann beräkning, annars kräver varje justering överdriven bränsleförbrukning och förlust av önskad bana.

Väderförhållanden vid lansering

Vi hörde då och då att uppskjutningen av raketen ställdes in på grund av ogynnsamma väderförhållanden. Ja, naturen behöver inte vänta på oss, det finns alltid några väderfenomen på jordens yta, som stormar, åskväder, sandstormar, snöstormar osv.

Rymdorganisationens meteorologer jonglerar som proffs och spårar molntäcke, vindriktning och hastighet, såväl som stormar och andra negativa händelser på sex olika platser under 13 dagar. De godkänner start endast om raketen inte potentiellt fångas av till exempel en storm eller sandstorm.

Ljusförhållanden

Uppskjutningsfönstret bör möjliggöra bra belysning för alla kameror så att flygkontrollteamet kan se hur väl alla fartygets system och inställningar fungerar, vilket hjälper till att garantera säkerheten för rymduppdragsbesättningen.

Till exempel, enligt NASA:s regler kan Orion inte vara i skuggan i mer än 90 minuter åt gången. Eftersom den behöver solljus för panelerna och för att hålla enhetens optimala temperatur.

Dessutom finns det andra faktorer relaterade till landningsprocessen, under vilken Orion måste komma in i de övre lagren av jordens atmosfär, sedan lämna dem för ett ögonblick och igen, redan äntligen, kasta sig in i atmosfären. Men för detta måste enheten nå lämplig bana i förhållande till jorden i tid. Den sista aspekten att tänka på är landningstiden. Orion är planerad att landa i havet under dagen för att göra det lättare för väntande team att hitta och hämta kapseln.

Också intressant:

• Varför blinkar stjärnorna?
• Varför rymdfarkoster är utrustade med 20-talsprocessorer

Uppskjutningen sker inte från en stationär uppskjutningsramp. Målet är också i konstant rörelse

Låt oss prata mer i detalj om några av detaljerna som måste beaktas för lanseringen av Artemis I-uppdraget, som kan starta redan i kväll.

Månen är nära jorden och det borde nog inte vara några större problem här. Tja, tyvärr finns det bland annat vår planets och Månens rörelse. Vår satellit roterar inte bara runt sin axel med en hastighet av cirka 0,5 km/s vid ekvatorn, den kretsar också runt solen i en nästan cirkulär bana med en hastighet av 30 km/s. Det bör också beaktas att hastigheten på jordens rörelse läggs till fordonets egen starthastighet.

Dessutom förändras solens och månens position i förhållande till jordens bana ständigt, detta måste också beaktas. Med samma energi-/bränsleförbrukning kan alltså en uppskjutning från jorden till månen leda till ett annat resultat beroende på tidpunkten för den uppskjutningen.

I teorin kan vi bygga en sådan rymdfarkost som kommer att vara kraftfull nog att flyga till månen varje dag. Och kanske blir det så i framtiden. Men för närvarande kräver framgången med Artemis I-uppdraget noggrant val av uppskjutningstiden från jorden, vilket gör att Orion kan flytta till månen och sedan gå in i den planerade omloppsbanan runt vår satellit. Även om uppskjutningen är enligt schemat kan en försening på flera dagar orsaka betydande förändringar i uppdragets varaktighet.

För närvarande, beroende på lanseringstiden, kan Artemis I-uppdraget pågå mellan 26 till 28 dagar eller 38 till 42 dagar. Vi räknar med att det här uppdraget kommer att vara längre eftersom Orion gör 1,5 varv runt månen i sin långt retrograda bana. Om det kortare alternativet övervägs, och utgången till månbanan kommer att ske vid en annan tidpunkt, kommer Orion bara att göra ett varv runt månen innan den börjar återvända till jorden.

Läs också: James Webb rymdteleskop: 10 mål att observera

Framtida lanseringsdatum för Artemis I är möjliga

Det nuvarande uppskjutningsfönstret för SLS-raketen och dess nyttolast, som uppfyller uppdragskriterierna, kommer att vara 2-6 september. Det är redan känt att NASA har valt det närmaste datumet för lanseringen av Artemis I-uppdraget - 3 september 2022 mellan 21:17 och 23:17 Kiev-tid. Varje efterföljande dag har också en viss tidpunkt då start är möjlig. Om du inte lyckas lyfta inom denna tid, kommer följande startfönster att visas:

• från 20 september till 28 september
• från 30 september till 4 oktober
• från 17 till 23 oktober
• 27 oktober
• från 29 till 31 oktober
• och så vidare…

Vi kan bara vänta och hoppas att den framgångsrika lanseringen av det historiska Artemis I-uppdraget kommer att äga rum snart.

Läs också:

• 100 år av kvantfysik: Från 1920-talets teorier till datorer
• 5 framtida rymduppdrag att tänka på

Glöm dock inte att det pågår ett krig i Ukraina. Om du vill hjälpa Ukraina att bekämpa de ryska ockupanterna är det bästa sättet att göra det att donera till Ukrainas väpnade styrkor genom Rädda liv eller via den officiella sidan NBU.