Чому космічна місія не може летіти у будь-який момент: Що таке стартове вікно?

Чому космічний корабель не може бути запущений коли завгодно? Що таке стартове вікно для запуску? Про все це ви дізнаєтесь з нашої статті.

Місія Artemis I

Важливість для людства місії Artemis I часто порівнюють з польотом Apollo 8 у 1968 році, коли людина вперше в історії змогла дістатись орбіти Місяця. Але в той час успішний політ на Місяць мав бути, перш за все, перемогою у політичному та технологічному протистоянні між США та СРСР, наука була на другому плані. Звичайно, програма “Аполлон” була величезним успіхом, адже людина, яка всього кілька десятиліть тому відірвалася від Землі на борту першого літака, подолала земне тяжіння і опинилася на орбіті іншого небесного тіла.

Про економічну складову мова тоді майже не йшла. Але через шість десятиліть саме економічні вигоди від дослідження місячних ресурсів спонукають людину «повернутися» на Місяць. Якби єдиною причиною таких місій було встановлення прапора своєї держави на поверхні Місяця, що, звісно, ​​спочатку люди могли б сприймати саме так, цікаво, чи були б зараз задіяні такі величезні ресурси. Адже на Землі зараз є набагато серйозніші проблеми. Але космічна гонка триває, і переваги тут будуть мати дуже важливе значення, у тому числі економічні.

Тобто, відміна 29 серпня запуску місії Artemis I призводить і до економічних та фінансових збитків. Здавалося б, не запустили 29-го, то могли б 30 чи 31 серпня, але ж відклали аж до 3 вересня. Впевнений, багато хто з вас не розуміє, чому саме така дата вибрана. Говорять про якісь стартові вікна, про сприятливі умови для запуску. Давайте розбиратись.

Читайте також: Космічні пілотовані місії: чому повернення на Землю досі проблема?

Суворі вимоги щодо дати початку місії

Вікно запуску, про яке йде мова, є умовою, яка нав’язана природою та технологічними обмеженнями, умовою, яку необхідно враховувати під час запуску кожного космічного об’єкту. Для літаків злітне вікно, здебільшого, необов’язкове, але через інтенсивний повітряний рух вони також злітають у визначений час, тобто за розкладом. Якби такого обмеження не було, літак міг би злітати і сідати, коли завгодно. Але польоти у повітряному просторі мають бути упорядкованими. Це стосується тільки повітряного простору Землі, де є вже десятиліттями прокладені умовні повітряні коридори для цивільної авіації.

Ракета з космічним кораблем теоретично також могла б зробити це, але обмежений запас палива заважає цьому. Той самий, через який так важко повернутися на Землю. Поки що ми можемо літати за ретельно розрахованою траєкторією, лише якщо вдасться узгодити положення планет або Місяця з Землею. Будь-яке відхилення потребує надлишкових запасів палива, але ж в космосі їх не можна зібрати, як бонуси в аркадній грі.

Тому й польоти на Марс поки що відбуваються тільки з дворічним інтервалом, коли його положення в кінці шляху зонда або іншого апарату буде сприятливим для виконання поставлених задач. У випадку місій, які виходять за межі Сонячної системі, траєкторії польоту можуть бути набагато складнішими, адже доводиться враховувати ще й дію гравітації інших планет на заплановану траєкторію польоту. Наприклад під час польоту «Вояджерів» до меж Сонячної системи враховувалося прискорення від гравітації Венери, а корабель New Horizons зазнав аналогічного впливу гравітації Юпітера. Тому що паливо все ще є дефіцитним ресурсом у космосі, а технології двигунів, засновані на його спалюванні, все ще дуже примітивні. Так, хтось згадає про космічні панелі, які допомагають зондам використовувати космічний вітер для свого руху, але це зонди, а не космічні кораблі, яким потрібне паливо для виходу на орбіту і повернення на Землю. І потрібно його вельми багато.

Також цікаво:

• Чому зірки миготять?
• Чому космічні апарати оснащені процесорами 20 століття

Що таке стартові вікна для запуску?

Уявіть, що ви перебуваєте в центрі легкоатлетичного стадіону і хочете зустріти одного зі спортсменів, які біжать по біговій доріжці. Можна намагатись наздогнати його, але для цього потрібно бігти швидше за нього, і ми витратимо багато енергії. Набагато розумніше розрахувати, коли бігун опиниться в найбільш вигідній позиції, щоб його можна було перехопити і в потрібний момент вирушити йому на зустріч. Розрахунки мають бути точними, щоб ми не прийшли надто рано чи надто пізно. Оптимальний час для початку руху і є наше стартове вікно.

Те саме стосується космічних місій. Вікно запуску – це просто період, протягом якого космічний корабель може досягти визначеної точки в космосі в заданий час. При цьому враховуються силові можливості ракети і траєкторія руху космічного об’єкта, з яким має зустрітися апарат. Тому для різних місій вікна різні. Наприклад, для місії на Марс вікно запуску відкривається кожні 780 днів. А ось для запуску «Вояджер-2», метою якого є такі планети, як Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун, скористались вікном можливостей, яке з’являється лише раз на 175 років. З іншого боку, ми маємо приклад місії Rosetta, яка спочатку була призначена для вивчення комети 46P / Wirtanen, але ця можливість була втрачена через відкладення запуску, тому для місії була обрана нова мета, комета 67P / Чурюмова-Герасименко.

Якщо більш коротко, то стартове вікно запуску – це часовий інтервал, обчислений за результатами розрахунків орбітальної механіки, протягом якого даний космічний корабель може злетіти та успішно досягти своєї кінцевої мети. Звичайно ж, з урахуванням запланованої траєкторії польоту та маси необхідного палива. Отже, початкове вікно вимагає сприятливого розташування небесних тіл, гравітація яких істотно впливає на рух транспортного засобу.

Також цікаво:

• 10 найдивніших речей, які ми дізналися про чорні діри у 2021
• Тераформування Марса: чи може Червона планета перетворитися на нову Землю?

Чотири фактори, які впливають на стартове вікно запуску

Є чотири фактори, які впливають на вибір вікна запуску для старту будь-якої космічної місії, в тому числі і Artemis I. Вони настільки тісно пов’язані один з одним, що невідповідність одного з факторів миттєво нівелює й дію інших.

Орбіти і нахили

Наприклад, кораблю Discovery потрібно доставити важливий вантаж на МКС. По-перше, вчені повинні розглянути дві різні траєкторії: траєкторію самого шаттла та Міжнародної космічної станції. Вчені повинні переконатися, що обидві орбіти неодмінно зустрінуться, оскільки мета цієї місії – доставити необхідні запаси на космічну станцію. Для цього вони розраховують площину орбіти станції, уявний аркуш, який розрізає Землю та утримує космічну станцію на її краю.

Коли Земля і космічна станція рухаються, рухається і умовна площина, що з’єднує їх. Вчені повинні знайти час, коли край Землі перерізає стартовий майданчик Космічного центру Кеннеді у Флориді, з якого повинен стартувати корабель. Вони не можуть промахнутися більше ніж на один градус. Земля обертається на 1 градус за п’ять хвилин, тому запуск має відбутися саме протягом цих п’яти хвилин.

Крім того, запуск повинен відбуватися, коли космічна станція прямує з півдня на північ. Це пов’язано з тим, що шаттл повинен успішно наздогнати станцію і при цьому відкинути свій 15-поверховий зовнішній паливний бак над океаном, де він не становить загрози для людей. Океан лежить на північному сході, тому запуск Discovery має дочекатися, поки космічна станція переміститься на північ. Це залишає космічний човник з одним п’ятихвилинним стартовим вікном на день.

Що стосується місії Artemis I, то тут ще цікавіше. NASA хоче розмістити Оріон на далекій ретроградній орбіті Місяця. Це дуже стабільна орбіта з двома точками Лагранжа. Апарат при цьому рухається навколо Землі у протилежному напрямку від Місяця. Поки що цю орбіту використовував лише один апарат — китайський Chang’e 5. Щоб вийти на цю орбіту, необхідно в потрібний момент і час запустити двигуни, які доставлять апарат на Місяць. Цей маневр називається TLI (Trans-Lunar Injection), і точність його виконання надзвичайно важлива. Це один з елементів, який слід враховувати при розрахунку вікна запуску.

Читайте також:

• Спостереження за Червоною планетою: Історія марсіанських ілюзій
• Телепортація з наукової точки зору та її майбутнє

«Прецесія» зсуває вікно

Також не слід забувати ще про явище прецесії. Ви бачите прецесію кожного разу, коли дитина починає крутити верхівку дзиґи. Спочатку її вісь обертання робить коло в повітрі в напрямку, протилежному обертанню, нахиляючи верхівку спочатку в один бік, потім в інший.

Земля виконує уповільнену версію цього танцю, обертаючись навколо Сонця, і створені людиною супутники роблять те ж саме, обертаючись навколо Землі.

Існує формула, яка дає можливість вченим NASA розрахувати, наскільки великим буде коливання супутника. Додайте кількість обертів, які супутник робить за день, розмір і ексцентриситет орбіти та нахил, і ви отримаєте коливання. Для Міжнародної космічної станції ці цифри дають значення майже 5 градусів на день, що дорівнює приблизно 20 хвилинам добового обертання Землі.

Це також стосується Місяця та інших планет Сонячної системи. Ці коливання вимагають точного розрахунку, інакше будь-яке коригування потребує зайвої витрати палива і втрати потрібної траєкторії.

Погодні умови під час запуску

Ми час від часу чули, що запуск ракети скасувався, бо були несприятливі погодні умови. Так, природа не має на нас чекати, на поверхні Землі завжди відбуваються якісь погодні явища, як то шторми, грози, піщані бурі, снігові бурани тощо.

Метеорологи космічних агентств жонглюють як професіонали, відстежуючи хмарний покрив, напрямок і швидкість вітру, а також шторми та інші несприятливі явища в шести різних місцях протягом 13 днів. Вони схвалюють зліт, лише якщо ракета потенційно не потрапить, наприклад, у шторм або піщану бурю.

Умови освітлення

Стартове вікно має враховувати хороше освітлення для всіх камер, щоб команда управління польотом могла бачити, наскільки добре працюють усі системи і налаштування корабля, що допомагає забезпечити безпеку екіпажа космічної місії.

Наприклад, згідно з правилами NASA, Оріон не може перебувати в тіні більше 90 хвилин за раз. Оскільки йому потрібне сонячне світло для панелей і для підтримки оптимальної температури апарату.

Крім того, є ще фактори, які стосуються процесу посадки, під час якої Оріон повинен увійти у верхні шари земної атмосфери, потім на мить залишити їх, і знову, вже остаточно, зануритися в атмосферу. Однак для цього апарат повинен вчасно вийти на відповідну траєкторію щодо Землі. Останній аспект, який треба враховувати – час посадки. Оріон має приземлитися в океані вдень, щоб командам, які очікують, було легше знайти та забрати капсулу.

Також цікаво:

• Чому зірки миготять?
• Чому космічні апарати оснащені процесорами 20 століття

Запуск не відбувається зі стаціонарного стартового майданчика. Ціль також знаходиться в постійному русі

Давайте більш детально поговоримо ще про деякі деталі, які потрібно враховувати при запуску місії Artemis I, яка, можливо, стартує вже сьогодні вночі.

Місяць знаходиться близько до Землі і тут, мабуть, великих проблем не мало б бути. Ну, на жаль, є, в тому числі, рух нашої планети і Місяця. Наш супутник не тільки обертається навколо своєї осі зі швидкістю приблизно 0,5 км/с на екваторі, він також обертається навколо Сонця по майже круговій орбіті зі швидкістю 30 км/с. Треба також враховувати, що до власної стартової швидкості апарату додається ще й швидкість руху Землі.

Крім того, положення Сонця і Місяця відносно орбіти Землі постійно змінюється, це також потрібно враховувати. Таким чином, при однакових витратах енергії/палива запуск з Землі до Місяця може призвести до різного результату залежно від моменту цього запуску.

Теоретично ми можемо побудувати такий космічний апарат, який буде достатньо потужним, щоб літати на Місяць щодня. І, можливо, так і буде у майбутньому. Однак, поки що для успіху місії Artemis I треба дуже ретельно вибрати час старту з Землі, який дасть змогу кораблю Orion рухатися до Місяця, а потім вийти на заплановану орбіту навколо нашого супутника. Навіть якщо запуск відбудеться протягом встановленого терміну, затримка у кілька днів може призвести до істотних змін у тривалості місії.

Наразі, залежно від часу запуску, місія Artemis I може тривати від 26 до 28 днів або від 38 до 42 днів. Ми припускаємо, що ця місія буде довшою, оскільки корабель Orion на своїй дальній ретроградній орбіті робить 1,5 оберти навколо Місяця. Якщо розглядати більш короткий варіант, і вихід на місячну орбіту відбудеться в інший час, Оріон зробить лише 1 оберт навколо Місяця, перш ніж почне своє повернення на Землю.

Читайте також: Космічний телескоп Джеймса Вебба: 10 цілей для спостереження

Можливі майбутні дати запуску Artemis I

Поточне вікно запуску ракети SLS та її корисного навантаження, яке відповідає критеріям місії, буде з 2 по 6 вересня. Вже відомо, що NASA вибрало найближчу дату запуску місії Artemis I – 3 вересня 2022 року між 21:17 і 23:17 за київським часом. У кожен наступний день також є певний час, коли старт можливий. Якщо не вдасться злетіти протягом цього часу, з’являться наступні вікна запуску:

• з 20 вересня по 28 вересня
• з 30 вересня по 4 жовтня
• з 17 по 23 жовтня
• 27 жовтня
• з 29 по 31 жовтня
• і так далі…

Нам лише залишається чекати і сподіватись, що успішний запуск історичної місії Artemis I невдовзі відбудеться.

Читайте також:

• 100 років квантовій фізиці: Від теорій 1920 років до комп’ютерів
• 5 майбутніх космічних місій, про які варто замислитись

Однак, не забувайте, що в Україні триває війна. Якщо ви хочете допомогти Україні боротися з російськими окупантами, найкращий спосіб зробити це – пожертвувати кошти Збройним Силам України через Savelife або через офіційну сторінку НБУ.