Γιατί οι διαστημικές αποστολές ταξιδεύουν για τόσο μεγάλο χρονικό διάστημα; Μέρος B

Πρωτότυπο άρθρο: https://www.esa.int/Enabling_Support/Operations/Juice_why_s_it_taking_sooo_long 

Μετάφραση και διασκευή: Δημήτριος Μήλλας

Στο προηγούμενο μέρος του άρθρου αναφέραμε εν συντομία τα βασικά στοιχεία που λαμβάνονται υπόψη στον σχεδιασμό της τροχιάς μιας διαστημικής αποστολής: το ωφέλιμο φορτίο, τα καύσιμα και η σχετική θέση των πλανητών.

Σχεδιασμός της τροχιάς

Αρχικά ο πύραυλος με τον οποίο γίνεται η εκτόξευση βρίσκεται πάνω στη Γη, άρα για να ξεφύγει από την τροχιά της και να ταξιδέψει προς το σώμα-στόχο σε ευθεία γραμμή απαιτείται τεράστια ποσότητα καυσίμων. Ακόμα και αν είχαμε έναν τόσο ισχυρό πύραυλο ώστε αυτό να ήταν εφικτό, η επιλογή αυτή θα ήταν προβληματική. Ο λόγος είναι ότι θα πρέπει να δαπανηθεί μια  επίσης μεγάλη ποσότητα καυσίμων ώστε το διαστημόπλοιο να επιβραδυνθεί καθώς πλησιάζει στο στόχο, ώστε να τεθεί σε τροχιά χωρίς να τον προσπεράσει. 

Είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι όλα τα σώματα του Ηλιακού μας συστήματος βρίσκονται σε διαρκή κίνηση και επομένως η εικόνα της εκτόξευσης από μια στατική Γη προς ένα άλλο στατικό σώμα (π.χ. Δία) είναι λανθασμένη. Στην πραγματικότητα τόσο η αφετηρία όσο και η τελική θέση είναι σε σχετική κίνηση. Η επιθυμητή τροχιά έχει ως στόχο μια μελλοντική θέση του διαστημόπλοιου και όχι αυτή στην οποία βρίσκεται κατά την εκτόξευση. 

Ας κάνουμε τα πράγματα ακόμα δυσκολότερα κοιτάζοντας κάποια παλαιότερα παραδείγματα! Οι αποστολές Voyager και Pioneer έφτασαν στο Δία σε λιγότερο από δύο χρόνια, ενώ το ρεκόρ (μέχρι στιγμής) κατέχει η αποστολή New Horizons, με διάρκεια ταξιδιού λίγο παραπάνω από ένα έτος. Τι ήταν διαφορετικό σε αυτές;

Η απάντηση είναι ότι οι αποστολές αυτές πραγματοποίησαν διελεύσεις (flybys) των διάφορων πλανητών αλλά δεν τέθηκαν ποτέ σε τροχιά γύρω από αυτούς. Αν θέλουμε το διαστημόπλοιο να μπει σε τροχιά, τότε είναι απαραίτητη η επιβράδυνσή του, όπως αναφέραμε και παραπάνω, αλλά χωρίς να θυσιάσουμε ωφέλιμο φορτίο για καύσιμα. Η εναλλακτική είναι το διαστημόπλοιο να ακολουθήσει μια μεγαλύτερη διαδρομή, χρησιμοποιώντας τους άλλους πλανήτες και συγκεκριμένα το βαρυτικό τους πεδίο με κατάλληλο τρόπο. Η τεχνική αυτή είναι γνωστή ως gravity assist. Ένα παράδειγμα δίνεται στην Εικόνα 1 για την αποστολή Cassini της NASA.

Ας χωρίσουμε το ταξίδι της διαστημοσυσκευής μας σε στάδια. Για να υπερνικήσουμε τη βαρυτική έλξη της Γης, απαιτείται να επιτύχουμε τη λεγόμενη ταχύτητα διαφυγής, η οποία για εκτόξευση από την επιφάνεια της θάλασσας ισούται με περίπου 11,2 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Στη συνέχεια, για να μπει η συσκευή μας σε τροχιά γύρω από ένα άλλο σώμα, πρέπει να έχει ίση γωνιακή ταχύτητα με αυτό ως προς την κίνηση γύρω από τον Ήλιο. Αυτό σημαίνει ότι αν θέλουμε να βάλουμε τη συσκευή μας σε τροχιά γύρω από πλανήτες που βρίσκονται πιο κοντά στον Ήλιο (Ερμή, Αφροδίτη) τότε πρέπει να την επιβραδύνουμε. Αν όμως έχουμε ως στόχο κάποιον πλανήτη πιο μακριά από την τροχιά της Γης (π.χ. Δία), πρέπει να την επιταχύνουμε. Αναλόγως λοιπόν επιλέγουμε τροχιά η οποία επιτρέπει στη διαστημοσυσκευή να παίρνει ή να χάνει ενέργεια πετώντας κοντά σε άλλους πλανήτες του Ηλιακού συστήματος με κατάλληλη διεύθυνση.

Μπορείτε πλέον να φανταστείτε την ακρίβεια που απαιτείται για ένα τέτοιο ταξίδι. Ένα μικρό σφάλμα στην ταχύτητα, στη γωνία εισόδου στο σύστημα ή στο χρόνο εκτέλεσης ενός ελιγμού μπορεί να προκαλέσει μεγάλα προβλήματα. Το χειρότερο σενάριο είναι φυσικά να χαθεί η διαστημοσυσκευή. Ακόμα όμως και η ανάγκη εκτέλεσης επιπλέον διορθωτικών ελιγμών μπορεί να έχει συνέπειες για τα επόμενα στάδια της αποστολής, αν χαθεί σημαντική ποσότητα καυσίμων.

Το JUICE θα πραγματοποιήσει flybys της Γης, του συστήματος Γης-Σελήνης (για πρώτη φορά σε διαστημική αποστολή) και της Αφροδίτης ώστε να αποκτήσει κατάλληλη τροχιά, η οποία θα το οδηγήσει στο σύστημα του Δία τον Ιούλιο του 2031. Ο πιο δύσκολος ελιγμός που θα πραγματοποιηθεί είναι αυτός της επιβράδυνσης κατά 1km/s, μόλις 13 ώρες μετά από ένα gravity assist από τον Γανυμήδη, ώστε το JUICE να τεθεί σε τροχιά γύρω από τον Δία.

Μπορείτε να δείτε μια καλλιτεχνική απεικόνιση της τροχιάς του στο βίντεο της ESA: https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Videos/2017/03/Juice_s_journey_to_Jupiter.

1.  Σύμφωνα με τον 3ο νόμο του Νεύτωνα, η αλληλεπίδραση αυτή της διαστημοσυσκευής με τον πλανήτη επηρεάζει και την τροχιά του εκάστοτε πλανήτη. Ωστόσο, η αλλαγή αυτή στην τροχιά του πλανήτη είναι εξαιρετικά μικρή, αν σκεφτείτε τη διαφορά στις μάζες!