Hvers vegna getur geimferð ekki flogið hvenær sem er: Hvað er skotgluggi?

Af hverju er ekki hægt að skjóta geimskipinu á loft hvenær sem er? Hvað er skotpallur? Þú munt læra um allt þetta í greininni okkar.

Artemis I trúboði

Mikilvægi Artemis I leiðangursins fyrir mannkynið er oft borið saman við Apollo 8 flugið árið 1968, þegar maðurinn gat komist á braut tunglsins í fyrsta skipti í sögunni. En á þeim tíma átti farsælt flug til tunglsins í fyrsta lagi að vera sigur í pólitískum og tæknilegum átökum Bandaríkjanna og Sovétríkjanna, vísindin voru í bakgrunni. „Apollo“-áætlunin heppnaðist auðvitað gríðarlega, því manneskja sem yfirgaf jörðina um borð í fyrstu flugvélinni fyrir örfáum áratugum, sigraði þyngdarafl jarðar og komst á braut um annað himintungl.

Það var nánast ekkert talað um efnahagsþáttinn á þessum tíma. En sex áratugum síðar er það einmitt efnahagslegur ávinningur af því að kanna auðlindir tunglsins sem hvetur manninn til að „snúa aftur“ til tunglsins. Ef eina ástæðan fyrir slíkum ferðum væri að planta fána lands síns á yfirborð tunglsins, sem auðvitað gat fólk í fyrstu skynjað það sem slíkt, velti ég því fyrir mér hvort um svona miklar auðlindir væri að ræða núna. Enda eru miklu alvarlegri vandamál á jörðinni núna. En geimkapphlaupið heldur áfram og kostirnir hér munu skipta miklu máli, þar á meðal efnahagslegir.

Það er að segja að hætta við sjósetningu Artemis I leiðangursins 29. ágúst leiðir til efnahagslegs og fjárhagslegs tjóns. Svo virðist sem þeir hafi ekki farið af stað þann 29., þá hefðu þeir getað sett hann af stað 30. eða 31. ágúst, en þeir frestuðu því til 3. september. Ég er viss um að mörg ykkar skilja ekki hvers vegna þessi tiltekna dagsetning var valin. Þeir eru að tala um nokkra byrjunarglugga, um hagstæð skilyrði fyrir sjósetningu. Við skulum reikna það út.

Lestu líka: Mönnuð geimferðalög: Hvers vegna er aftur til jarðar enn vandamál?

Strangar kröfur um upphafsdegi verkefnisins

Umræddur skotgluggi er skilyrði sem sett er af náttúrunni og tæknilegum takmörkunum, skilyrði sem þarf að taka tillit til við skot hvers geimhluta. Fyrir flugvélar er brottfarargluggi að mestu valfrjáls, en vegna mikillar flugumferðar fara þær einnig í loftið á ákveðnum tíma, það er að segja samkvæmt áætlun. Ef engin slík takmörkun væri fyrir hendi gæti vélin tekið á loft og lent hvenær sem hún vildi. En flug í loftrýminu verður að vera skipulegt. Þetta á aðeins við um loftrými jarðar, þar sem skilyrtir loftgöngur fyrir almenningsflug hafa verið lagðir í áratugi.

Eldflaug sem flytur geimskip gæti fræðilega gert þetta líka, en takmarkað framboð af eldsneyti kemur í veg fyrir það. Sá sami þar sem já það er erfitt að fara aftur til jarðar. Í bili getum við aðeins flogið á vandlega útreiknuðum braut ef við getum samræmt staðsetningu pláneta eða tunglsins við jörðina. Öll frávik krefjast umfram eldsneytisforða, en í geimnum er ekki hægt að safna þeim eins og bónusum í spilakassaleik.

Þess vegna er flug til Mars enn sem komið er aðeins með tveggja ára millibili, þegar staðsetning þess á leiðarenda rannsakanda eða annars tækis mun vera hagstæð fyrir framkvæmd verkefnanna. Þegar um er að ræða leiðangra sem fara út fyrir mörk sólkerfisins geta flugferlar verið mun flóknari, því einnig þarf að taka tillit til áhrifa þyngdarafls annarra reikistjarna á fyrirhugaða flugleið. Sem dæmi má nefna að í flugi Voyager að mörkum sólkerfisins var tekið tillit til hröðunar vegna þyngdarafls Venusar og New Horizons-skipið varð fyrir svipuðum áhrifum af þyngdarafli Júpíters. Vegna þess að eldsneyti er enn af skornum skammti í geimnum og vélatækni sem byggir á bruna þess er enn mjög frumstæð. Já, einhver mun minnast á geimspjöldin sem hjálpa könnunum að nota geimvindinn til að knýja sig áfram, en það eru könnurnar, ekki geimfarið, sem þurfa eldsneyti til að fara á sporbraut og aftur til jarðar. Og þú þarft mikið af því.

Einnig áhugavert:

• Af hverju tindra stjörnurnar?
• Hvers vegna geimför eru búin 20. aldar örgjörvum

Hvað eru ræsistöðvar fyrir gangsetningu?

Ímyndaðu þér að þú sért í miðju frjálsíþróttaleikvangs og viljir hitta einn af íþróttamönnunum hlaupandi á hlaupabretti. Við getum reynt að ná honum, en til þess þurfum við að hlaupa hraðar en hann og við munum eyða mikilli orku. Miklu eðlilegra er að reikna út hvenær hlauparinn verður í hagstæðustu stöðunni, þannig að hægt sé að stöðva hann og á réttu augnabliki fara á móti honum. Útreikningar verða að vera nákvæmir svo við komum ekki of snemma eða of seint. Besti tíminn til að byrja að hreyfa sig er upphafsglugginn okkar.

Sama á við um geimferðir. Skotgluggi er einfaldlega það tímabil sem geimfar getur náð tilteknum stað í geimnum á tilteknum tíma. Jafnframt er tekið tillit til aflgetu eldflaugarinnar og ferils geimhlutarins sem tækið þarf að mæta. Þess vegna eru gluggarnir mismunandi fyrir mismunandi verkefni. Til dæmis, fyrir leiðangur til Mars, opnast skotglugginn á 780 daga fresti. En til að skjóta „Voyager-2“ á loft, en markmiðið er plánetur eins og Júpíter, Satúrnus, Úranus og Neptúnus, notuðu þeir tækifærisglugga sem birtist aðeins einu sinni á 175 ára fresti. Aftur á móti höfum við dæmi um Rosetta leiðangurinn sem upphaflega var ætlað að rannsaka halastjörnuna 46P / Wirtanen, en þetta tækifæri tapaðist vegna seinkun á skoti og því var nýtt skotmark valið í leiðangurinn, halastjörnuna 67P / Churyumova -Gerasimenko.

Í stuttu máli má segja að skotskýrsluglugginn sé tíminn, reiknaður út frá útreikningum brautarvéla, þar sem tiltekið geimfar getur tekið á loft og náð lokaáfangastað sínum. Að sjálfsögðu að teknu tilliti til fyrirhugaðrar flugleiðar og massa nauðsynlegs eldsneytis. Þess vegna krefst upphafsglugginn hagstæða staðsetningu himintungla, þyngdarafl þeirra hefur veruleg áhrif á hreyfingu ökutækisins.

Einnig áhugavert:

• 10 skrítnustu hlutir sem við lærðum um svarthol árið 2021
• Terraforming Mars: Gæti rauða plánetan breyst í nýja jörð?

Fjórir þættir sem hafa áhrif á ræsingargluggann

Það eru fjórir þættir sem hafa áhrif á val á skotglugga fyrir geimskot hvers kyns geimferða, þar á meðal Artemis I. Þeir eru svo náskyldir hver öðrum að misræmi í einum af þáttunum gerir samstundis að engu áhrif hinna.

Hringbraut og halla

Til dæmis þarf Discovery að afhenda mikilvægan farm til ISS. Í fyrsta lagi verða vísindamenn að íhuga tvær mismunandi brautir: braut skutlunnar sjálfrar og alþjóðlegu geimstöðina. Vísindamenn verða að ganga úr skugga um að brautirnar tvær muni örugglega mætast, þar sem tilgangur þessa leiðangurs er að koma nauðsynlegum birgðum til geimstöðvarinnar. Til þess reikna þeir út flugbraut stöðvarinnar, ímyndað blað sem sker í gegnum jörðina og heldur geimstöðinni við jaðar hennar.

Þegar jörðin og geimstöðin hreyfast hreyfist hefðbundin flugvél sem tengir þau líka. Vísindamenn verða að finna tímann þegar jaðar jarðar skerst skotpallinn í Kennedy geimmiðstöðinni í Flórída, þaðan sem skipið á að skjótast út. Þeir mega ekki missa meira en eina gráðu. Jörðin snýst 1 gráðu á fimm mínútum og því ætti skotið að eiga sér stað nákvæmlega innan þessara fimm mínútna.

Auk þess verður skotið að eiga sér stað þegar geimstöðin stefnir frá suðri til norðurs. Þetta er vegna þess að skutlan þarf að fara fram úr stöðinni og um leið henda 15 hæða ytri eldsneytistanki sínum yfir hafið, þar sem mönnum stafar ekki ógn af henni. Hafið liggur í norðausturhlutanum og því verður skot Discovery að bíða þar til geimstöðin færist til norðurs. Þetta skilar geimferjunni eftir með einn fimm mínútna skotglugga á dag.

Hvað Artemis I trúboðið varðar, þá er það enn áhugaverðara hér. NASA vill staðsetja Óríon á langt afturkróknum sporbraut um tunglið. Þetta er mjög stöðug braut með tveimur Lagrange punktum. Á sama tíma hreyfist tækið um jörðina í gagnstæða átt frá tunglinu. Hingað til hefur þessi braut verið notuð af aðeins einu tæki - kínverska Chang'e 5. Til að komast inn í þessa braut er nauðsynlegt að ræsa vélarnar sem flytja tækið til tunglsins á réttu augnabliki og tíma. Þessi aðgerð er kölluð TLI (Trans-Lunar Injection), og nákvæmni framkvæmd hennar er afar mikilvæg. Þetta er einn þáttur sem þarf að hafa í huga þegar ræsingarglugginn er reiknaður út.

Lestu líka:

• Athugun á rauðu plánetunni: Saga blekkinga Mars
• Fjarflutningur frá vísindalegu sjónarhorni og framtíð þess

„Precession“ færir gluggann

Einnig má ekki gleyma fyrirbærinu precession. Þú sérð forganginn í hvert sinn sem barnið byrjar að snúa efst á keppunni. Í fyrsta lagi myndar snúningsás hans hring í loftinu í andstæða átt við snúninginn og hallar toppnum fyrst í eina átt, síðan í hina áttina.

Jörðin framkvæmir hægfara útgáfu af þessum dansi á braut um sólina og gervitungl af mannavöldum gera það sama og þeir fara á braut um jörðina.

Það er til formúla sem gerir NASA vísindamönnum kleift að reikna út hversu mikið gervihnötturinn mun vagga. Bættu við fjölda snúninga sem gervihnötturinn gerir á dag, stærð og sérvitring brautarinnar og halla, og þú hefur sveiflurnar. Fyrir Alþjóðlegu geimstöðina gefa þessar tölur tæplega 5 gráður á dag, sem jafngildir um 20 mínútum af daglegum snúningi jarðar.

Þetta á einnig við um tunglið og aðrar plánetur sólkerfisins. Þessar sveiflur krefjast nákvæmrar útreiknings, annars krefst hvers kyns aðlögun of mikillar eldsneytisnotkunar og taps á æskilegri braut.

Veðurskilyrði við sjósetningu

Við heyrðum af og til að hætt væri við að skjóta eldflauginni af vegna óhagstæðra veðurskilyrða. Já, náttúran þarf ekki að bíða eftir okkur, það eru alltaf einhver veðurfyrirbæri á yfirborði jarðar eins og stormur, þrumuveður, sandstormur, snjóstormur o.fl.

Veðurfræðingar geimferðastofnana leika sér eins og fagmenn að fylgjast með skýjahulu, vindátt og vindhraða, sem og stormum og öðrum óhagstæðum atburðum á sex mismunandi stöðum á 13 dögum. Þeir samþykkja flugtak aðeins ef eldflaugin er ekki hugsanlega lent í stormi eða sandstormi, til dæmis.

Birtuskilyrði

Sjósetningarglugginn ætti að leyfa góða lýsingu fyrir allar myndavélar þannig að flugstjórnarteymið geti séð hversu vel öll kerfi og stillingar skipsins virka, sem hjálpar til við að tryggja öryggi geimferðaáhafnar.

Til dæmis, samkvæmt reglum NASA, getur Orion ekki verið í skugga lengur en 90 mínútur í einu. Vegna þess að það þarf sólarljós fyrir spjöldin og til að viðhalda besta hitastigi tækisins.

Að auki eru aðrir þættir sem tengjast lendingarferlinu, þar sem Óríon verður að komast inn í efri lög lofthjúps jarðar, yfirgefa þau í smá stund og aftur, þegar loksins, sökkva sér út í lofthjúpinn. Hins vegar, fyrir þetta, verður tækið að ná viðeigandi braut miðað við jörðina í tíma. Síðasti þátturinn sem þarf að huga að er lendingartíminn. Áætlað er að Orion lendi í sjónum á daginn til að auðvelda biðliðum að finna og ná hylkinu.

Einnig áhugavert:

• Af hverju tindra stjörnurnar?
• Hvers vegna geimför eru búin 20. aldar örgjörvum

Skotið fer ekki fram frá kyrrstæðum skotpalli. Markið er líka á stöðugri hreyfingu

Við skulum tala nánar um sum smáatriðin sem þarf að huga að fyrir sjósetningu Artemis I leiðangursins, sem gæti skotið af stað strax í kvöld.

Tunglið er nálægt jörðinni og ættu líklega ekki að vera nein stór vandamál hér. Jæja, því miður, það er meðal annars hreyfing plánetunnar okkar og tunglsins. Gervihnötturinn okkar snýst ekki aðeins um ásinn á um 0,5 km/s hraða við miðbaug, hann snýst líka um sólina á næstum hringbraut á 30 km/s hraða. Einnig skal tekið tillit til þess að hraði hreyfingar jarðar bætist við upphafshraða ökutækisins sjálfs.

Þar að auki er staða sólar og tungls miðað við braut jarðar stöðugt að breytast, það þarf líka að taka tillit til þess. Þannig, með sömu orku/eldsneytisnotkun, getur skot frá jörðu til tunglsins leitt til annarrar niðurstöðu eftir tímasetningu þess skots.

Fræðilega séð getum við smíðað slíkt geimfar sem verður nógu öflugt til að fljúga til tunglsins á hverjum degi. Og kannski verður það þannig í framtíðinni. Hins vegar, í bili, krefst árangur Artemis I leiðangursins vandlega val á skottíma frá jörðu, sem gerir Óríon kleift að fara til tunglsins og fara síðan inn á fyrirhugaða braut um gervihnöttinn okkar. Jafnvel þótt sjósetja sé á áætlun, getur seinkun um nokkra daga valdið verulegum breytingum á lengd leiðangursins.

Eins og er, fer eftir sjósetningartíma, Artemis I verkefnið getur varað á milli 26 til 28 daga eða 38 til 42 daga. Við gerum ráð fyrir að þetta leiðangur verði lengur þar sem Óríon lýkur 1,5 snúningum í kringum tunglið á langt afturkróknum sporbraut sinni. Ef styttri kosturinn er skoðaður, og brottför á tunglbrautina mun eiga sér stað á öðrum tíma, mun Óríon aðeins gera 1 snúning í kringum tunglið áður en hann byrjar að snúa aftur til jarðar.

Lestu líka: James Webb geimsjónauki: 10 skotmörk til að fylgjast með

Framtíðardagsetningar Artemis I eru mögulegar

Núverandi skotgluggi fyrir SLS eldflaugina og farm hennar, sem uppfyllir verkefnisskilyrðin, verður 2.-6. september. Nú þegar er vitað að NASA hefur valið næstu dagsetningu fyrir sjósetningu Artemis I leiðangursins - 3. september 2022 á milli 21:17 og 23:17 Kyiv tíma. Hver síðari dagur hefur einnig ákveðinn tíma þegar hægt er að byrja. Ef þér tekst ekki að taka á loft innan þessa tíma munu eftirfarandi ræsingargluggar birtast:

• frá 20. september til 28. september
• frá 30. september til 4. október
• frá 17. til 23. október
• 27. október
• frá 29. til 31. október
• og svo framvegis…

Við getum aðeins beðið og vonað að árangursríkt sjósetja sögulega Artemis I leiðangursins muni eiga sér stað fljótlega.

Lestu líka:

• 100 ára skammtaeðlisfræði: Frá kenningum 1920 til tölvur
• 5 framtíðar geimferðir til að hugsa um

Hins vegar má ekki gleyma því að það er stríð í gangi í Úkraínu. Ef þú vilt hjálpa Úkraínu að berjast við rússneska hernámsliðið er besta leiðin til að gera það að gefa til hersins í Úkraínu í gegnum Bjarga lífi eða í gegnum opinberu síðuna NBU.