Χυμός: Γιατί παίρνει πολύ καιρό
Στο πλησιέστερο σημείο της τροχιάς τους, η Γη και Ζεύς χωρίζονται από σχεδόν 600 εκατομμύρια χιλιόμετρα (375 εκατομμύρια μίλια). Τη στιγμή της γραφής, πέντε μήνες μετά την εκτόξευση, ο Juice έχει ήδη διανύσει 370 εκατομμύρια χιλιόμετρα (230 εκατομμύρια μίλια), αλλά με τον καιρό είναι μόνο το 5% της διαδρομής μέχρι εκεί. Γιατί διαρκεί τόσο πολύ;
Η απάντηση εξαρτάται από διάφορους παράγοντες που γνωρίζουν καλά οι ειδικοί στη δυναμική πτήσης στο Mission Control της ESA, από την ποσότητα καυσίμου που χρησιμοποιείται μέχρι την ισχύ του πυραύλου, τη μάζα ενός διαστημικού σκάφους και τη γεωμετρία των πλανητών.
Με βάση αυτό, οι ειδικοί δυναμικής πτήσης της ESA σχεδιάζουν μια διαδρομή. Ο κόσμος της τροχιακής μηχανικής είναι ένα αντίθετο μέρος, αλλά με λίγη υπομονή και πολύ προγραμματισμό, μας επιτρέπει να κάνουμε μεγάλη επιστήμη με λίγο καύσιμο, όπως θα εξηγήσουμε.
Διαβάστε επίσης: Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι ο ιαπωνικός χυμός φρούτων ωφελεί την καρδιαγγειακή υγεία, μειώνει την αρτηριακή πίεση
Ευθείες γραμμές στο διάστημα; Τεράστια σπατάλη ενέργειας
Παρακολουθήστε την κίνηση των πλανητών και των φεγγαριών και των αστεριών και των γαλαξιών και θα δείτε ότι είναι πάντα σε κίνηση γύρω από ένα άλλο αντικείμενο. Όταν μια αποστολή εκτοξεύεται, δεν πηδά από μια ακίνητη Γη, αλλά από έναν πλανήτη που ζουμάρει περίπου 30 km/s γύρω από τον Ήλιο.
Ως εκ τούτου, ένα διαστημικό σκάφος που εκτοξεύεται από τη Γη έχει ήδη μεγάλη «τροχιακή ενέργεια» – τη μόνη μονάδα που έχει σημασία όταν προσδιορίζεται το μέγεθος μιας τροχιάς γύρω από ένα κεντρικό σώμα. Αμέσως μετά την εκτόξευση, ένα διαστημόπλοιο βρίσκεται στην ίδια περίπου τροχιά με τον πλανήτη μας γύρω από τον Ήλιο.
Για να ξεφύγουμε από αυτή την τροχιά και να πετάξουμε στη συντομότερη δυνατή ευθεία γραμμή από τη Γη στον Δία, θα χρειαζόταν ένας μεγάλος πύραυλος και πολλά καύσιμα. Αλλά μπορεί να γίνει. Το επόμενο πρόβλημα είναι ότι θα χρειαστείτε ακόμη περισσότερο καύσιμο για να φρενάρετε και να μπείτε σε τροχιά γύρω από τον Δία και να μην τον περάσετε με φερμουάρ.
Στόχευση κενού χώρου
Ο Δίας και η Γη κινούνται πάντα με σεβασμό μεταξύ τους. Στην πιο απομακρυσμένη τους απόσταση, στις απέναντι πλευρές του Ήλιου, τους χωρίζουν 968 εκατομμύρια χιλιόμετρα (601 εκατομμύρια μίλια). Η μικρότερη απόσταση μεταξύ των δύο πλανητών είναι όταν η Γη και ο Δίας βρίσκονται στην ίδια πλευρά του Ήλιου με μόλις 600 εκατομμύρια χιλιόμετρα (375 εκατομμύρια μίλια) μεταξύ τους. Αλλά βρίσκονται σε αυτή τη θέση μόνο για μια στιγμή πριν η απόσταση μεγαλώσει ξανά, χωρίς να παραμένουν ποτέ σε σταθερή απόσταση.
Όλοι οι πλανήτες κινούνται με διαφορετικούς ρυθμούς στις τροχιές τους γύρω από τον Ήλιο. Φανταστείτε να ρίχνετε μια μπάλα σε έναν κινούμενο στόχο από ένα κινούμενο όχημα. Οι μηχανικοί πρέπει να υπολογίσουν τον ιδανικό χρόνο για να κάνουν το άλμα σε μια κυκλική διαδρομή από την τροχιά της Γης μέχρι εκεί που θα βρίσκεται ο Δίας όταν φτάσει το διαστημόπλοιο, όχι εκεί που είναι όταν το διαστημόπλοιο φεύγει από τη Γη.
Επομένως, αν υποθέσουμε ότι έχουμε τον πιο ισχυρό διαθέσιμο εκτοξευτή και εκτοξευτούμε στη συντομότερη τροχιά τη σωστή στιγμή όταν οι πλανήτες είναι σωστά ευθυγραμμισμένοι, πόσο χρόνο θα πάρει;
Οι πρώτες διαστημικές αποστολές, όπως οι ανιχνευτές Voyager και Pioneer, έκαναν το ταξίδι σε λιγότερο από δύο χρόνια και το ταχύτερο αντικείμενο που έχει ταξιδέψει στον Δία ήταν η αποστολή New Horizons. Το New Horizons, που ξεκίνησε στις 19 Ιανουαρίου 2006, έκανε την πλησιέστερη προσέγγισή του στον Δία στις 28 Φεβρουαρίου 2007, και χρειάστηκε λίγο περισσότερο από ένα χρόνο για να φτάσει στον πλανήτη. Όλες αυτές οι αποστολές συνεχίστηκαν και μετά, εξαιρετικά παραδείγματα για τον καθορισμό του χρόνου που χρειάζεται για να περάσει ένας Δίας στο δρόμο για κάπου αλλού.
Όσο περισσότερο η παραμονή, τόσο πιο αργή η προσέγγιση
Για να μπείτε σε τροχιά γύρω από τον τεράστιο πλανήτη για να τον μελετήσετε από όλες τις πλευρές και με την πάροδο του χρόνου, ίσως ακόμη και να μπείτε σε τροχιά γύρω από ένα από τα φεγγάρια του – ένα «πρώτα» του Juice– θα χρειαστεί να χάσετε λίγη ενέργεια. Αυτή η «επιβράδυνση» θα απαιτήσει πολύ καύσιμο για έναν ελιγμό εισαγωγής μεγάλης τροχιάς. Εάν δεν θέλετε να εκτοξευτείτε με τεράστιες ποσότητες καυσίμου, ακολουθείτε τη γραφική διαδρομή, με διάρκεια μεταφοράς 2,5 ετών.
Εδώ βλέπουμε τη μάζα του διαστημικού σκάφους ως κρίσιμο παράγοντα για τον καθορισμό του χρόνου που χρειάζεται για να φτάσουμε οπουδήποτε. Οι μηχανικοί πρέπει να ελέγχουν τη μάζα του διαστημικού σκάφους, εξισορροπώντας την ποσότητα του καυσίμου με τα όργανα που χρειάζεται να φέρει για να ολοκληρώσει την αποστολή του. Όσο μεγαλύτερη μάζα έχει το διαστημόπλοιο, τόσο περισσότερα καύσιμα χρειάζεται για να μεταφέρει, γεγονός που αυξάνει το βάρος του και καθιστά πιο δύσκολη την εκτόξευση.
Και εδώ έρχεται η απόδοση του εκτοξευόμενου πυραύλου. Το διαστημόπλοιο πρέπει να εκτοξευτεί με επαρκή ταχύτητα για να ξεφύγει από τη βαρύτητα της Γης και να πεταχτεί στο δρόμο του προς το εξωτερικό Ηλιακό Σύστημα. Όσο καλύτερη είναι η ώθηση, τόσο πιο εύκολο είναι το ταξίδι.
Το Juice είναι ένας από τους βαρύτερους διαπλανητικούς ανιχνευτές που εκτοξεύτηκαν ποτέ, με βάρος λίγο πάνω από 6000 κιλά, με τη μεγαλύτερη σουίτα επιστημονικών οργάνων που έχει πετάξει ποτέ στον Δία. Ακόμη και η τεράστια ώθηση από τον πύραυλο βαριάς ανύψωσης Ariane 5 δεν ήταν αρκετή για να στείλει τον Juice απευθείας εκεί σε μερικά χρόνια.
Ως εκ τούτου, αποστολές όπως το Juice και το Europa Clipper, ή όπως το Galileo και το Juno στο παρελθόν, πρέπει να κάνουν χρήση ελιγμών «βαρύτητας-υποβοήθησης» ή «flyby» για να πάρουν επιπλέον ταχύτητα. Όσο πιο ισχυρός είναι ο πύραυλος, τόσο πιο σύντομη είναι η μεταφορά.
Εμπορία Ενέργειας με το Ηλιακό Σύστημα
Πλούτων, στην άκρη του Ηλιακού Συστήματος, ταξιδεύει σε πολύ μεγαλύτερη τροχιά από τον Ερμή, τον πιο εσωτερικό πλανήτη. Αν και ο Πλούτωνας κινείται πιο αργά σε σχέση με τον Ήλιο, η τροχιακή του ενέργεια είναι πολύ, πολύ μεγαλύτερη από αυτή του Ερμή.
Για να φέρουμε ένα διαστημόπλοιο σε τροχιά γύρω από έναν άλλο πλανήτη, πρέπει να ταιριάξουμε την τροχιακή του ενέργεια. Όταν εκτοξεύτηκε το BepiColombo, η τροχιακή του ενέργεια ήταν ίδια με αυτή της Γης. Έπρεπε να χάσει ενέργεια για να πέσει πιο κοντά στο κέντρο του Ηλιακού Συστήματος και το έκανε αποβάλλοντας την περίσσεια της τροχιακής ενέργειας πετώντας κοντά σε γειτονικούς πλανήτες.
Το ίδιο λειτουργεί αντίστροφα με το ταξίδι προς το εξωτερικό Ηλιακό Σύστημα. Για να μπει σε μια μεγαλύτερη τροχιά, πιο μακριά από τον Ήλιο, ο Juice βρίσκεται σε μια διαδρομή που θα τον αφήσει να κλέψει την τροχιακή ενέργεια από τη Γη, Αφροδίτηκαι Άρης.
Ανάλογα με τη σχετική κατεύθυνση κίνησης του πλανήτη και του διαστημικού σκάφους, μια υποβοήθηση βαρύτητας μπορεί είτε να επιταχύνει, είτε να επιβραδύνει ή να αλλάξει την κατεύθυνση της αποστολής. (Το διαστημικό σκάφος εκτρέπει επίσης τον πλανήτη, αλλά σε τόσο μικροσκοπικό ποσό που είναι ασήμαντο. Ωστόσο, ο τρίτος νόμος κίνησης του Νεύτωνα έχει διατηρηθεί: «Σε κάθε δράση, υπάρχει μια ίση και αντίθετη αντίδραση».)
Ο Juice θα χρησιμοποιήσει μια σειρά από πτήσεις της Γης, του συστήματος Γης-Σελήνης και της Αφροδίτης για να το βάλει στην πορεία για το ραντεβού του Ιουλίου 2031 στο σύστημα Jovian.
Τροχιά στην κόψη ενός μαχαιριού
Το πιο δύσκολο κομμάτι για την ομάδα ελέγχου πτήσης της ESA έρχεται όταν ο Juice φτάνει τελικά στον Δία το 2031 και κατά τη διάρκεια της περιήγησής του στο πλανητικό σύστημα του Δία.
Η προκλητική τροχιά του Juice περιλαμβάνει πολλαπλές υποβοηθήσεις βαρύτητας στο δρόμο προς τον Δία – συμπεριλαμβανομένης της πρώτης πτήσης από τη Σελήνη-Γη – και, μόλις φτάσει εκεί, εντυπωσιακές 35 πτήσεις των φεγγαριών του Γαλιλαίου Ευρώπη, Γανυμήδης και Καλλιστώ. Η τελική εστίαση θα είναι στον Γανυμήδη, καθιστώντας τον Τζουίς το πρώτο διαστημικό σκάφος που μπήκε ποτέ σε τροχιά γύρω από ένα φεγγάρι διαφορετικό από το δικό μας.
Ο μοναδικός πιο σημαντικός ελιγμός που θα επιβλέπουν οι ομάδες στον έλεγχο της αποστολής της ESA στη Γερμανία, θα είναι η επιβράδυνση του Juice κατά περίπου 1 km/s μόνο 13 ώρες μετά από μια υποβοήθηση βαρύτητας Ganymede και η «έξοδος» για είσοδο στο σύστημα του Δία. εισάγοντας το διαστημόπλοιο σε τροχιά γύρω από τον γίγαντα του αερίου.
Το να μπεις σε τροχιά γύρω από ένα άλλο ουράνιο σώμα είναι δύσκολο. Ένα διαστημόπλοιο πρέπει να πλησιάσει με την τέλεια ταχύτητα, από μια ακριβή γωνία, και στη συνέχεια να εκτελέσει έναν ζωτικό, μεγάλο ελιγμό ακριβώς την κατάλληλη στιγμή, σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση και με το σωστό μέγεθος.
Πλησιάζοντας πολύ γρήγορα ή αργά, πολύ ρηχά ή απότομα, ή κάνετε ελιγμούς τη λάθος στιγμή, με λάθος ποσότητα ή κατεύθυνση, και χάνεστε στο διάστημα. Ή είστε αρκετά μακριά από την τροχιά που θα χρειαστεί πολύ – ίσως πάρα πολύ – καύσιμα για να διορθώσετε την πορεία σας.
Ο Juice θα πλησιάσει τα φεγγάρια του Δία, ανταλλάσσοντας ενέργεια με αυτά που έχουν κρατήσει για δισεκατομμύρια χρόνια, για να αποκτήσει μια άποψη αυτών των περιβαλλόντων όπως ποτέ πριν. Θα μπορούσε να υπάρχει ζωή κάτω από τους παγωμένους ωκεανούς του Γανυμήδη, της Καλλιστού ή της Ευρώπης; Τι μπορούμε να μάθουμε για το σχηματισμό πλανητών και φεγγαριών σε όλο το Σύμπαν; Μέσα από το θαύμα της δυναμικής πτήσης, ανταλλάσσοντας ενέργεια με το Σύμπαν, θα το μάθουμε σύντομα.
Διαβάστε επίσης:
Συνεχίζονται οι εργασίες για την ανάπτυξη της κεραίας Juice RIME
Η έξυπνη λύση της ESA για την αποτυχία ανάπτυξης της κεραίας RIME
