Saya Pergi Mencari Probe ExoMars dan Menemukan Kebenaran Tentang Ruang Angkasa

Pesawat ruang angkasa ExoMars dari Badan Antariksa Eropa saat ini sedang menyusuri jalan raya selestial, delapan hari dalam perjalanan tujuh bulan ke Planet Merah. Kita tahu itu akan mendarat di Mars pada 19 Oktober, tetapi di mana itu dalam sebulan? Atau Empat Juli? Lokasinya sepertinya bisa saya perhitungkan. Mengingat waktu akselerasi pesawat ruang angkasa, kecepatan jelajah, dan jarak dari Mars saat peluncuran, saya pikir saya bisa menghitung beberapa angka. Ini - saya tahu sekarang - keangkuhan murni. Ilmu roket adalah batu ujian budaya, bahkan klise, karena suatu alasan.

Saya menemukan ini ketika mencoba untuk menemukan pesawat ruang angkasa.

Jalan raya ruang tidak seperti jalan darat, Michael Khan, Ph.D., seorang ahli mekanika selestial di Kantor Analisis Misi ESA, menjelaskan ketika saya meminta sarannya untuk menemukan ExoMars. Jika ada satu hal yang perlu diingat, katanya, ini dia: Tidak ada garis lurus di luar angkasa. Dalam surel yang ditulis dengan indah, dia menjelaskan mengapa kita semua harus belajar mengemudi di tikungan - dan mengapa masa depan perjalanan ruang angkasa jauh lebih rumit daripada yang kita pikirkan.

Daripada mencoba meringkas penjelasannya, saya akan menempelkannya di bawah karena itu indah.

Saya takut mekanika selestial, yang merupakan ilmu yang mendasari perhitungan lintasan semua orbit di luar angkasa (alami atau buatan manusia), bekerja sedikit berbeda dari apa yang Anda asumsikan.

Transfer antarplanet dari Bumi ke planet lain (dalam hal ini, Mars) bukan masalah terbang pada garis lurus dengan kecepatan jelajah yang diberikan seperti pesawat terbang di Bumi, atau seperti kapal yang berlayar melintasi lautan, dengan beberapa perubahan arah pada titik arah tertentu. Itu bukan cara kerjanya di tata surya. Karena tidak berfungsi seperti ini, saya tidak berpikir itu akan mudah (atau bahkan mungkin) untuk membuat perhitungan yang sederhana, kasar dan siap tentang di mana ExoMars akan berada pada jam berapa.

Pada dasarnya, hukum alam yang mengatur penerbangan suatu benda melalui ruang angkasa adalah oleh Isaac Newton dan Johannes Kepler berabad-abad yang lalu. Saya akan menyederhanakan sedikit saja: Bumi dan Mars bergerak di orbit yang kurang lebih melingkar (untuk Mars, itu tidak sepenuhnya benar, tetapi itu berfungsi sebagai permulaan). Sekarang kita memiliki orbit Bumi, sebuah lingkaran lebar di sekitar Matahari, dan orbit Mars, sebuah lingkaran yang bahkan lebih luas yang juga memiliki Matahari di pusatnya.

Lintasan transfer yang diikuti oleh ExoMars adalah sebuah elips. Di mana elips ini paling dekat dengan Matahari, ia menyerempet orbit Bumi. Di mana ia berada paling jauh dari Sub, itu merumput orbit Mars. Pesawat ruang angkasa terbang dari titik terendah ke titik terjauh. Ia mencapai elips dengan dorongan besar yang diberikan padanya oleh roket proton M yang digunakan untuk meluncurkan ExoMars, melemparkannya begitu tinggi dan cepat sehingga pesawat ruang angkasa benar-benar meninggalkan gravitasi Bumi dengan kecepatan dan arah yang tepat untuk memenuhi elips transfer yang diperlukan ke Mars. Pada titik ini (Bumi lepas), ExoMars sedikit lebih cepat dari Bumi pada orbitnya mengelilingi Matahari.

Pada elips transfer ini, kecepatan ExoMars akan menurun terus menerus. Untuk memahami mengapa demikian, bayangkan pendulum jam, Saat pendulum itu berayun, ia bergerak semakin lambat. Itu karena ada dua jenis energi: energi potensial (= energi tinggi) dan energi kinetik (= energi gerak). Orbit pesawat ruang angkasa memiliki energi total tertentu. Ini diberikan oleh peluncur. Energi ini tidak meningkat. Ini seperti uang jajan atau gaji, kita hanya harus membuatnya bertahan lama.

Jika roket tidak memberinya energi yang cukup, orbit ExoMars tidak akan menjangkau ke orbit Mars. Sebaliknya, jika roket itu memberi terlalu banyak energi, orbit pesawat ruang angkasa akan jauh melampaui orbit Mars. Jadi kami ingin (dan mendapatkan) jumlah energi yang tepat, tidak terlalu sedikit, tetapi tidak terlalu banyak. Ini berbeda dari uang saku atau gaji, di mana terlalu banyak pasti lebih baik daripada terlalu sedikit.

Sekarang, pada transfer elips, pesawat ruang angkasa yang ia panjat menjauh dari Matahari menuju orbit Mars, dan Matahari berpegangan pada pesawat ruang angkasa itu dengan gravitasinya. Jadi saat ExoMars mendaki, energi tingginya meningkat. Karena itu, energi gerak harus berkurang. Total energi tetap sama. Jadi dalam penerbangannya ke Mars, ExoMars terus menerus semakin lambat.

Untuk menghitung transfer, satu hal yang mutlak harus diperhitungkan adalah gaya tarik gravitasi melalui matahari. Ada juga efek lain seperti tekanan cahaya yang sangat kecil pada susunan surya dan gravitasi planet di tata surya, dan tentu saja kita harus memperhitungkan setiap kali kita menggunakan mesin roket di atas kapal ExoMars untuk mengubah orbit.. Tetapi semua ini memiliki efek yang jauh lebih rendah daripada gravitasi matahari.

Pada dasarnya, kami menggunakan komputer untuk menghitung lintasan pesawat ruang angkasa dengan memperhitungkan semua faktor yang mempengaruhi lintasan, dan kami juga dapat mengukur di mana pesawat ruang angkasa itu dan seberapa cepat ia bergerak dari saat sinyal bergerak dari Bumi ke Bumi. pesawat ruang angkasa dan kembali dan dengan cara frekuensi sinyal berubah seiring waktu.

Dalam email kemudian, dia menambahkan:

Hal terpenting yang Anda lihat adalah lintasan ExoMars, seperti semua lintasan di ruang angkasa, memiliki lengkungan yang jelas. Tidak ada garis lurus di luar angkasa. Setelah Anda memiliki tubuh yang memiliki massa, seperti bintang dan planet, Anda memiliki gravitasi, dan di hadapan gravitasi, semuanya akan terbang dengan kurva. Kurva itu alami, garis lurus tidak. Jarak yang ditempuh mengikuti garis merah melengkung dari Bumi ke Mars adalah sekitar 500 juta kilometer, untuk menempatkannya dalam perspektif. Setengah miliar kilometer.