Busqué la sonda ExoMars y encontré la verdad sobre las autopistas espaciales

La nave espacial ExoMars de la Agencia Espacial Europea está actualmente navegando por una carretera celeste, ocho días después de su viaje de siete meses al Planeta Rojo. Sabemos que aterrizará en Marte el 19 de octubre, pero ¿dónde estará en un mes? ¿O el cuatro de julio? Su ubicación me pareció calculable.Dado el tiempo de aceleración de la nave, la velocidad de crucero y la distancia desde Marte en el lanzamiento, pensé que podría hacer algunos cálculos. Esto era, ahora lo sé, pura arrogancia. La ciencia de los cohetes es una piedra de toque cultural, incluso un cliché, por una razón.

Descubrí esto mientras trataba de encontrar una nave espacial.

Las carreteras espaciales no son como las carreteras terrestres, explicó Michael Khan, Ph.D., experto en mecánica celeste de la Oficina de Análisis de la Misión de la ESA, cuando le pedí su consejo para localizar ExoMars. Si hay algo que hay que tener en cuenta, dice, es esto: no hay líneas rectas en el espacio. En un correo electrónico bellamente escrito, explicó por qué todos debemos aprender a conducir en una curva, y por qué el futuro del viaje espacial es infinitamente más complicado de lo que creemos.

En lugar de intentar resumir su explicación, la pegaré a continuación porque es hermosa.

Me temo que la mecánica celeste, que es la ciencia que subyace en el cálculo de las trayectorias de todas las órbitas en el espacio (naturales o hechas por el hombre), funciona de manera un poco diferente de lo que parece estar asumiendo.

Una transferencia interplanetaria de la Tierra a otro planeta (en este caso, Marte) no es una cuestión de volar en línea recta con una velocidad de crucero dada como lo haría un avión en la Tierra, o como un barco que navega a través del océano, con Algunos cambios de dirección en determinados puntos de referencia. Esa no es la forma en que funciona en el sistema solar. Debido a que no funciona de esta manera, no creo que sea sencillo (ni siquiera posible) realizar cálculos simples, aproximados y listos sobre dónde estará ExoMars a qué hora.

Básicamente, las leyes de la naturaleza que gobiernan el vuelo de un objeto a través del espacio fueron establecidas por Isaac Newton y Johannes Kepler hace siglos. Simplificaré un poco: la Tierra y Marte se mueven en órbitas que son más o menos circulares (para Marte, eso no es del todo cierto, pero funciona para empezar). Ahora tenemos la órbita de la Tierra, un círculo amplio alrededor del Sol y la órbita de Marte, un círculo aún más amplio que también tiene al Sol en su centro.

La trayectoria de transferencia seguida por ExoMars es una elipse. Donde esta elipse está más cerca del Sol, roza la órbita de la Tierra. Donde está más lejos de la Sub, que roza la órbita de Marte. La nave espacial vuela desde este punto más bajo hasta el punto más lejano. Alcanzó la elipse gracias al enorme impulso que le confirió el cohete protón M que se utilizó para lanzar ExoMars, lanzándolo tan alto y rápido que la nave espacial realmente abandona la gravedad de la Tierra con la velocidad y dirección adecuadas para cumplir con la elipse de transferencia requerida. a Marte. En este punto (Escape de la Tierra), ExoMars era bastante más rápido que la Tierra en su órbita alrededor del Sol.

En esta elipse de transferencia, la velocidad de ExoMars disminuirá continuamente. Para comprender por qué esto es así, imagine un péndulo de reloj. Cuando el péndulo se mueve hacia arriba, se mueve más y más lento. Esto se debe a que hay dos tipos de energía: energía potencial (= energía de altura) y energía cinética (= energía de movimiento). La órbita de la nave espacial tiene una cierta energía total. Esto fue impartido por el lanzador. Esta energía no aumenta. Es como dinero de bolsillo o un salario, solo tenemos que hacerlo durar.

Si el cohete no le hubiera dado suficiente energía, la órbita de ExoMars no habría alcanzado la órbita de Marte. A la inversa, si el cohete hubiera impartido demasiada energía, la órbita de la nave espacial habría ido más allá de la órbita de Marte. Así que queríamos (y obtuvimos) exactamente la cantidad correcta de energía, no muy poca, pero no demasiado. Esto es diferente del dinero de bolsillo o un salario, donde demasiado definitivamente es mejor que demasiado poco.

Ahora, en la transferencia elíptica, la nave espacial se aleja del Sol hacia la órbita de Marte, y el Sol se aferra a la nave espacial con su gravedad. Entonces, a medida que ExoMars está escalando, su energía de altura aumenta. Por lo tanto, la energía de movimiento debe disminuir. La energía total se mantiene igual. Así que en su vuelo a Marte, ExoMars se vuelve cada vez más lento.

Para calcular la transferencia, lo único que hay que tener en cuenta es la atracción gravitatoria a través del sol. También hay otros efectos, como la muy pequeña presión de la luz sobre los paneles solares y la gravedad de los planetas en el sistema solar, y, por supuesto, debemos tener en cuenta cada vez que usamos los motores de cohetes a bordo de ExoMars para cambiar la órbita.. Pero todo esto tiene un efecto mucho menor que la gravedad solar.

Esencialmente, usamos una computadora para calcular la trayectoria de la nave espacial teniendo en cuenta todos los factores que afectan la trayectoria, y también podemos medir dónde está la nave espacial y qué tan rápido viaja desde el tiempo que tardan las señales en viajar desde la Tierra hasta la Tierra. Nave espacial y viceversa y por la forma en que la frecuencia de la señal cambia con el tiempo.

En un correo electrónico posterior, agregó:

Lo más importante que ve es que la trayectoria de ExoMars, como todas las trayectorias en el espacio, es claramente curva. No hay líneas rectas en el espacio. Una vez que tienes cuerpos que tienen masa, como estrellas y planetas, tienes gravedad y, en presencia de la gravedad, todo volará en curvas. Las curvas son naturales, las rectas no lo son. La distancia recorrida siguiendo la línea roja curva desde la Tierra hasta Marte es de unos 500 millones de kilómetros, para poner eso en perspectiva. Medio billón de kilómetros.