Odvažna gravitacija pomaže u manevrima prošlih svemirskih misija

Uz sjajnu znanost dolazi i veliki inženjering

Gravitacijski asistenti snažna su tehnika koja može pomoći u produženju trajanja svemirske misije i umanjiti njezine ukupne troškove. Ovaj članak će se osvrnuti na neke od najneuroznijih tehnika pomoći gravitacije koji su korišteni u prošlim svemirskim misijama. Ako niste upoznati s konceptom gravitacijske pomoći, evo jednostavnog objašnjavača.

Proučavanje Sunca odozgo

1990. pokrenuta je zajednička misija NASA-ESA pod nazivom Ulysses da bi prvi put proučavala polove Sunca. Da bi proučavao solarne stupove, svemirski brod morao bi napustiti orbitalnu ravninu Sunčevog sustava i postići orbitu visokog nagiba.

Umjetnikov dojam o svemirskom brodu Ulysses. Izvor: NASA JPL

Jedini problem? Nijedna raketa nije postojala (i nije) sposobna za to. Rješenje se nalazilo na najvećem planetu Sunčevog sustava - moćnom Jupiteru.

Krađa iz velikog planeta bila je učinkovit i uspostavljen način za postizanje velikih brzina potrebnih za postizanje ciljeva misije. Voyager misija prethodno je koristila ovu tehniku ​​kako bi napustila Sunčev sustav.

Kao što se promjena brzine može postići izvođenjem gravitacione pomoći oko planeta, također je moguća promjena nagiba. Godine 1992. Ulysses je izveo letenje asistirajući oko Jupitera čija je intenzivna gravitacija savijala putanju svemirske letjelice prema jugu. To je svemirsku letjelicu postavilo u konačnu orbitu oko Sunca koja će je provesti pored Sunčevog sjevernog i južnog pola na nagibu od 80 ° (wr. Orbitalnoj ravnini planeta).

Vizualno prikazuje orbitalnu ravninu planeta Sunčevog sustava. Svemirska letjelica Ulysses morala je postići „prvu takvu vrstu“ polarnu orbitu oko Sunca. Izvor: tes predavati

Svemirska letjelica Ulysses nastavila je nevjerojatno uspješnu i dugotrajnu 18-godišnju misiju. Među raznim otkrivanjima o solarnim polovima, najviše se isticao otkriće da je južni pol Sunca hladniji od njegovog sjevernog pola!

Umjetnikov dojam da Ulysses prolazi kroz rep kometa Hyakutake u svibnju 1996. Izvor: NASA JPL

Osim proučavanja solarnih stupova, iz misije je izašlo puno zanimljivih znanosti poput prvih izravnih mjerenja međuzvjezdanih čestica prašine i međuzvjezdanih atoma helija u Sunčevom sustavu. S vremena na vrijeme, Ulysses se također neočekivano našao u repovima kometa, postižući bona znanstvene bodove.

Kockanje sonde za milijardu eura

Svemirska letjelica Rosetta - prvo koja je stala u orbiti oko komete - strogo je proučavala komet 67P. Rosetta je pratila komet dok se približavala najbližoj točki Suncu i postala aktivna. Pogledajte elegantnu kometu s dva režnja.

Rana aktivnost kometa 67P kako je snimila svemirska letjelica Rosetta između 31. siječnja i 25. ožujka 2015. Izvor: ESA Flickr

Dolazak do komete u prvom redu ipak je bio muka. Da bi se upoznao s kometom, Rosetta je morala odgovarati brzini kometa. To je postignuto pomoću gravitacijske asistencije oko više objekata u unutarnjem Sunčevom sustavu.

Rosettino desetogodišnje putovanje kroz Sunčev sustav uključivalo je više letova, uključujući i jednu oko Marsa. Izvor: ESA

Kao dio misije, Rosetta je morala izvršiti letjenje Marsa na malim visinama 2007. godine kako bi ispravila njenu putanju. Bio je to rizičan manevar s obzirom da je procijenjena nadmorska visina leta bila svega 250 km. Za vrijeme manevra Rosetta bi bila u Marsovoj sjeni i nije bilo moguće koristiti solarne ploče. Bilo bi to vrijeme kada bi se svemirski brod suočio s kritičnim nedostatkom snage.

Svemirski brod je stavljen u stanje pripravnosti, a komunikacije su isključene radi uštede energije. Baterije su tijekom manevra morale napajati svemirsku letjelicu, ali rizik je bio da baterije nisu bile predviđene za zadatak.

Konačno, Mars je manevrirao uspješno, a svemirska letjelica je odletjela dalje prema svom neuhvatljivom cilju. Ovaj je manevar razbijanja znoja postao popularno poznat i kao "kockanje u iznosu od milijardu eura". I dobili smo lijepu sliku Mars + Rosetta.

Zapanjujuća slika svemirske letjelice Rosetta iznad Marsa, snimljena kamionskom kamerom Philae na brodu Rosetta. Izvor: ESA
Sporedna napomena: Stručnjak za sustave kontrole misije u TeamIndusu - Mohini Parameswaran - dio je Rosetta tima. Radila je s ISRO-om i ESOC-om (Europskim svemirskim operacijskim centrima) na brojnim svemirskim misijama, a mi smo imali privilegiju da radimo s nama na misiji na Mjesec.

Korištenjem zračenja od Sunca za izvršavanje leta

NASA-in MESSENGER svemirski brod bio je prvi iz orbite Merkur. Nije prošlo bez svojih izazova.

Umjetnikov dojam da je MESSENGER bio u orbiti oko Merkura. Izvor: Wikipedia

Budući da se Merkur nalazi duboko u Sunčevom gravitacijskom bunaru, Sunce će neprestano ubrzavati izravnu putanju svemirskog broda od Zemlje do Merkura. Svemirska letjelica MESSENGER dosegnula bi Merkur brzinom koja je previsoka da bi se postigla orbita bez pretjerane upotrebe goriva, koja je na brodu ograničena. Merkuru također nedostaje značajna atmosfera poput Venere / Zemlje, tako da se aerobraking ne može upotrijebiti niti za usporavanje svemirskog broda.

Gravitne asistencije na ovaj su se način uvelike koristile za usporavanje MESSENGER-a dovoljno da omoguće orbitalno hvatanje Merkura. Leteće gravitacijske pomoći uključuju jednu koja koristi Zemlju, dvije koje koriste Veneru i tri koje koriste Merkur za usporavanje svemirskog broda.

Putanja svemirskog broda MESSENGER od lansiranja do umetanja u orbitu oko Merkura. Izvor: Laboratorij primijenjene fizike na Sveučilištu John Hopkins

Ključni element MESSENGER-ove uspješne putanje bilo je postizanje odgovarajuće gravitacijske pomoći svakog planetarnog leta. Bilo je presudno postići visoku preciznost pri svakom preletanju, inače umetanje u orbitu ne može uspjeti ili će zahtijevati promjene putanje koje povećavaju složenost, troškove i rizik misije.

Tri letjelice Merkura odvele bi svemirsku letjelicu do ~ 200 kilometara planete. Letenje prenisko moglo bi srušiti svemirsku letjelicu na planetu, a previsoko letenje svemirski brod troši višak goriva. Bilo kako bilo, silazak sa cilja može utjecati na misiju na kritične načine.

Rješenje? Za kretanje u svemirskoj letjelici aka solarna plovidba koristite zračni pritisak Sunca!

Umjetnikov dojam o japanskoj svemirskoj letjelici IKAROS. Ubrzava se pomoću Sunčevog tlaka zračenja. Izvor: Wikipedia

Tlak sunčevog zračenja (SRP) oko Zemlje nije dovoljno intenzivan da bi se kretao svemirskim brodom na značajan način. Međutim, Merkur leži mnogo bliže Suncu i tlak zračenja raste za kvadrat udaljenosti bliži Suncu. Dakle, SRP oko Merkura je ~ 10x više nego oko Zemlje. To čini korištenje SRP-a za navigaciju do MESSENGER-a održivom opcijom.

MESSENGER-ovi solarni paneli bili su nagnuti na način da SRP može pogoditi svemirski brod i usporiti ga tek toliko da postigne precizno usmjerene letve Merkura. Korištenjem solarne plovidbe, tim MESSENGER-a uspio je eliminirati upotrebu goriva u svim letjelicama Merkura bez žrtvovanja točnosti. To je ujedno povećalo životni vijek misije!

MESSENGER-ova slika s letača Merkura koji prikazuje kratere natopljene lavom i velika prostranstva glatkih vulkanskih ravnica na planeti. Izvor: Wikipedia

Ovo je bio prvi put da je svemirski brod uspješno koristio solarno jedrenje kao metodu upravljanja putanjem bez propulzije za planetarne letjelice. Da smo živjeli u eri Star Trek-a, ekipa MESSENGER bili bi zgodniji momci s kojima bismo se družili.

Za one koji su zainteresirani za glupe detalje, tim je objavio članak o tome kako je postignuto letenje pomoću SRP-a:

SolarSailingAPL2011.Final.doc - OShaughnessy.LCPMC.2011.pdf

Zaključak

Ovi ludi manevari pokazuju domišljatost ljudske znanosti, inženjerstva i kreativnosti. Iako postoji mnogo više misija s ludim orbitama (NASA-in Juno pada na pamet), ovdje su istaknute neke manje popularne u pogledu njihovih manevara. Znate li za još ovakvih intrigantnih orbitalnih manevara? Komentirajte u nastavku i javite nam se!