Juice: Proč to trvá tak dlouho?

Přímky v prostoru? Obrovské plýtvání energií

Sledujte pohyb planet, měsíců, hvězd a galaxií a uvidíte, že se vždy pohybují kolem jiného objektu. Když je mise vypuštěna, neskočí ze stacionární Země, ale z planety obíhající rychlostí asi 30 km/s kolem Slunce.

Jako taková má kosmická loď vypuštěná ze Země již značné množství „orbitální energie“ – jediné jednotky, která je důležitá při určování velikosti oběžné dráhy kolem centrálního tělesa. Ihned po startu je sonda přibližně na stejné oběžné dráze jako naše planeta kolem Slunce.

Vymanit se z této oběžné dráhy a letět co nejkratší přímkou ​​ze Země k Jupiteru by vyžadovalo velkou raketu a hodně paliva. Ale dá se to. Dalším problémem je, že byste pak potřebovali více paliva, abyste zabrzdili a dostali se na oběžnou dráhu kolem Jupiteru a neprošli přímo kolem ní.

Cíl prázdné místo

Jupiter a Země se vůči sobě neustále pohybují. V jejich největší vzdálenosti, na opačných stranách Slunce, je dělí 968 milionů kilometrů. Nejkratší vzdálenost mezi oběma planetami je, když jsou Země a Jupiter na stejné straně Slunce se vzdáleností necelých 600 milionů kilometrů. Ale zůstávají v této poloze jen chvíli, než se vzdálenost znovu zvětší, a nikdy nezůstanou v konstantní vzdálenosti.

Všechny planety se na svých drahách kolem Slunce pohybují různou rychlostí. Představte si, že házíte míčem na pohybující se cíl z jedoucího vozidla. Inženýři musí vypočítat ideální čas k uskutečnění skoku po kruhové dráze z oběžné dráhy Země do místa, kde bude Jupiter, když kosmická loď dorazí, a ne tam, kde bude, až sonda opustí Zemi.

Takže za předpokladu, že máme k dispozici nejvýkonnější odpalovací zařízení a odstartujeme nejkratší cestou ve správný čas, když jsou planety ve správném uspořádání, jak dlouho by to trvalo?

První vesmírné mise, jako jsou sondy Voyager a Pioneer, uskutečnily cestu za méně než dva roky a nejrychlejším objektem, který cestoval k Jupiteru, byla mise New Horizons. New Horizons byla vypuštěna 19. ledna 2006 a svého největšího přiblížení k Jupiteru dosáhla 28. února 2007. Cesta k planetě trvala něco málo přes rok. Všechny tyto mise trvaly a jsou vynikajícími příklady toho, jak dlouho trvá let kolem Jupiteru na cestě někam jinam.

Čím delší pobyt, tím pomalejší přístup

Abyste se dostali na oběžnou dráhu kolem masivní planety, abyste ji mohli studovat ze všech stran a v průběhu času, a možná dokonce vstoupit na oběžnou dráhu kolem jednoho z jejích měsíců – Joss „nejprve“ – budete muset ztratit nějakou energii. Toto „zpomalení“ by vyžadovalo hodně paliva pro velký manévr vložení na orbitu. Nechcete-li vystříknout obrovské množství paliva, vydejte se po scénické trase s dobou přepravy 2,5 roku.

Zde vidíme, že hmotnost kosmické lodi je kritickým faktorem při určování času, který trvá, než se kamkoli dostat. Inženýři musí kontrolovat hmotnost kosmické lodi a vyvažovat množství paliva s nástroji, které potřebuje k dokončení své mise. Čím větší hmotnost má kosmická loď, tím více paliva potřebuje nést, což zvyšuje její hmotnost a ztěžuje start.

Zde vstupuje do hry výkon odpalovací střely. Kosmická loď musí být vypuštěna dostatečně rychle, aby unikla zemské gravitaci a vrhla se do vnější sluneční soustavy. Čím lepší platba, tím jednodušší cesta.

S hmotností něco málo přes 6 000 kilogramů je Juice jednou z nejtěžších meziplanetárních sond, jaké kdy byly vypuštěny, s největší sadou vědeckých přístrojů, která byla kdy vyslána k Jupiteru. Ani masivní posila z rakety Ariane 5 Heavy nestačila k tomu, aby tam Goss poslal přímo do dvou let.

Proto mise jako Juice a Europa Clipper nebo jako v minulosti Galileo a Juno musí využívat manévry „gravitační asistence“ nebo „visení“, aby získaly extra rychlost. Čím silnější střela, tím kratší přenos.

Obchodujte s energií se sluneční soustavou

Pluto, které leží na okraji sluneční soustavy, se pohybuje po mnohem větší dráze než Merkur, nejvnitřnější planeta. Přestože se Pluto pohybuje vůči Slunci pomaleji, jeho orbitální energie je mnohem větší než energie Merkuru.

Aby kosmická loď vstoupila na oběžnou dráhu kolem jiné planety, musíme vyrovnat její orbitální energii. Když byl BepiColombo vypuštěn, jeho orbitální energie byla podobná energii Země. Musel ztratit energii, aby se dostal blíže ke středu sluneční soustavy, a to tak, že odhodil přebytečnou orbitální energii letem blízko sousedních planet.

Totéž funguje obráceně pro cestu do vnější sluneční soustavy. Aby dosáhl větší oběžné dráhy, dále od Slunce, je Gus na cestě, která mu umožní ukrást orbitální energii ze Země, Venuše a Marsu.

V závislosti na relativním směru pohybu planety a kosmické lodi může gravitační asistence buď zrychlit, zpomalit nebo změnit směr mise. (Kosmická loď planetu také vychyluje, ale tak málo, že na tom nezáleží. Je však zachován třetí Newtonův pohybový zákon: „Na každou akci existuje stejná a opačná reakce.“)

Goss použije sérii průletů kolem Země a soustavy Země-Měsíc-Venuše, aby ji nasměroval k jejímu setkání v červenci 2031 v systému Jupiter.

Orbit na ostří nože

Nejnáročnější část pro tým řízení letu ESA přichází, když Joss konečně dosáhne Jupiteru v roce 2031 a během své prohlídky systému Jupiter.

Gossova náročná cesta zahrnuje několik gravitačních asistencí na cestě k Jupiteru – včetně vůbec prvních průletů kolem Měsíce a Země – a poté působivých 35 průletů kolem jeho galileovských měsíců Europa, Ganymede a Callisto. Konečný důraz bude kladen na Ganymede, díky čemuž se Juice stane první kosmickou lodí, která kdy obíhala jiný než náš Měsíc.

Nejdůležitějším manévrem, na který budou dohlížet řídící týmy mise ESA v Německu, bude zpomalit Goss asi o 1 km/s po pouhých 13 hodinách gravitační pomoci Ganymedu a „vyjet“ a vstoupit do systému Jupiter. Uvedení kosmické lodi na oběžnou dráhu kolem plynného obra.

Je obtížné vstoupit na oběžnou dráhu kolem jiného nebeského tělesa. Kosmická loď se musí přiblížit ideální rychlostí, z přesného úhlu a poté provést velký manévr ve správný okamžik, v přesném směru a ve správné velikosti.

Přibližujete-li se příliš rychle nebo příliš pomalu, příliš mělce nebo příliš strmě nebo manévrujete ve špatný čas, ve špatném množství nebo směru, ztratíte se v prostoru. Nebo jste dostatečně daleko od kurzu, že ke korekci vašeho kurzu bude potřeba hodně – možná až příliš – paliva.

JUSE se přiblíží k Jupiterovým měsícům a vymění si s nimi energii, kterou držely miliardy let, aby získal pohled na tato prostředí jako nikdy předtím. Mohl by existovat život pod zamrzlými oceány jako Ganymede, Callisto nebo Europa? Co se můžeme dozvědět o vzniku planet a měsíců v celém vesmíru? Díky zázrakům dynamiky letu a výměně energie s vesmírem to brzy zjistíme.

Sleduje @ESAJuiceBar Na Twitteru/X najdete aktualizace o postupu Juice k Jupiteru, @ESA_Juice Chcete-li získat nejnovější informace o úkolu, a @esaoperations Pro novinky z mise ESA.