Как се получава така, че спътник като Вояджър 2, който е изстрелян през 1977, посещава четири планети и изминава над 17 милиарда километра за 40 години без почти никакво гориво. Докато Вояджър 2 достига Нептун, той бива завъртян покрай Юпитер, Сатурн и Уран, преминавайки
7 милиарда киломентра с точност на орбита и навигация около 100 километра и всичко това с технология от 70-те години на XX век. Във филмите космическите кораби изглежда сякаш си летят където си искат, но в нашата реална версия, това е малко по-сложно и отнема доста повече време, за да се случи
можете ли да си представите Спок да каже на Кърк "току що минахме покрай Плутон на път към вкъщи, остават ни само 9 години", в случай, че сте изпуснали, че е отнело 9 години за "Нови Хоризонти", за да стигне от Земята до Плутон, разстояние около 5 милиарда километра и това един от най-бързите ни космически кораби. Може да изглежда
като невъзможна задача, но когато знаеш как работят космоса и физиката се превръща в поредица от процедури и научни факти, вместо научна фантастика и ключ е да знаеш как работи гравитацията, и не само как влияе на мен и на нас но и всичко във вселената. Германският математик Йоханес Кеплер първи
осъзнава законите на движението на планетите преди 400 години. Тогава Исак Нютон ги използва като основа за принципите на Нютон за движение и механика. Чрез които можем да предвидим движението на всички тела в Слънчевата система и отвъд, включително планети, комети,астероиди и космически кораби с невероятна точност. Първият принцип на механиката на Нютон твърди, че обект
който е неподвижен или се движи праволинейно и равномерно, докато не бъде изведен от това състояние. Например камъкът няма да помръдне, освен ако някой не го вземе или го тласне. Ако същият камък беше в космоса и се движеше в права линия, няма да промени своята скорост или посока, освен ако друга сила не действа върху него. В космоса винаги има действаща сила
върху телата и тази сила е гравитационната- от Слънцето, от друга планета или от друг камък. Всичко с маса упражнява гравитационна сила, колкото по- голяма е масата, толкова по-голяма е силата. Другият компонент на движещ се обект е неговата скорост. Вторият закон на Нютон твърди, че скоростта на обект ще се промени, когато
се упражни върху него сила. Също е вярно, че сила се генерира, когато скоростта се променя. Това е причината, заради която астероид движещ се с 17 km/s, удряйки Земята ще бъде опустошително, ще се освободи голямо количество кинетична енергия с внезапна промяна
в нейната скорост. Ако изстреляте снаряд на Земята, паралелно на земната повърхност, той в някакъв момент ще падне под въздействието на гравитацията обратно на земята. Ако се изстреля достатъчно бързо и
поддържа тази скорост, докато се движи в права линия, действайки му гравитационната сила, и когато траекторията на обекта съвпада с тази на Земята, тогава се намира в
земната орбита. С други думи, силата на движещия се снаряд е равна гравитационната. По този начин сателити и космически станции остават в орбита, въпреки че им въздейства
и малкото съпротивление на атмосферата високо над Земята. Така биват забавяни и силата,поддържаща ги в орбита, намалява, накрая гравитационната сила надделява
и Земята ги привлича и атмосферното налягане се увеличава и скоростта намалява още повече и без периодично увеличение на скоростта,
за да се уголеми тяхната орбита, те се връщат на Земята. Ако космическият кораб увеличи своята скорост, орбитата му ще стане по-голяма и по елипсовидна, но винаги ще се върне до момента, в които скоростта
е била увеличена. Ако тя е достатъчно увеличена, космическият кораб ще преодолее земната гравитация и ще навлезе в орбита на Слънцето.
Колкото по- голяма е скоростта, толкова по - голяма е орбитата. Ако увеличим скоростта в точния момент заедно с приближаваща планета, наричано "възможност", можем да пресечем орбита на космическия кораб с този на планетата и този метод е познат като смяна на орбитата на Хофман, който е
един от най- честите начини да се стигне от едно движещо се тяло до друго, въпреки че вече има по- ефикасни, но по- дълги, методи като пренос на тягата или междупланетен мрежов транспорт. След като стигнат, нашият космически кораб може или да влезе в орбита на планета, или може да използва гравитацията на планетите да
се отблъсне или да подпомогне както е известно, за да се ускори скоростта. Гравитацията подпомага работата, използвайки планетната гравитация, за да привлича космическия кораб, докато той се приближава и може да бъде използвана да се увеличи или да се намали скоростта му и като такава
може да смали или уголеми орбитата и да промени посоката на пътуване. Ако нашият кораб се движи в посока на движение на планетите, тогава скоростта ще се увеличи. Ако се движи в обратна посока, скоростта ще намалее
в зависимост от това, колко се приближава до курса на планетата, толкова по- драстично може да се промени и дори да обърне своята посока. Но няма безплатен обяд и за да са в сила законите за запазване на енергията, колкото енергия нашият кораб погълне от планетата,
толкова тя ще загуби. Когато пътуващите използват Юпитер да ускорят своята скорост, за да стигнат до Сатурн, Орбитата на Юпитер се смалява, но само с един фут на трилион години. Можем да използваме гравитационния метод да се придвижваме от планета до планета все по- далеч и по- далеч, увеличавайки скоростта на кораба, докато не достигне
до точката, при която, ако пътуваме достатъчно бързо, можем да преодолеем Слънцето и да напуснем Слънчевата система, точно както Пътник 1 направи. Но гравитацията на Слънцето няма да престане да действа и да забавя космическия кораб. Всъщност гравитацията на Слънцето действа до около 2, 5 светлинни години.
Ще отнеме на Пътник 1, пътуващ с 60000 km/h , 40 000 години да достигне моментът, в който гравитацията на Слънцето ще спре да доминира. Третият принцип на класическата механиката на Нютон е, че всяко действие има равно по сила и обратно по посока противодействие.
Всъщност натискът на двигателя назад, движи корабът напред. Някой хора смятат, че натискът на ракетата срещу Земята или срещу атмосферата, но това е невъзможно, за да работят в космоса. Това не е
случаят с нашите ракети, защото те не спират да работят след като са в космоса и няма върху какво да упражняват натиск. Ние използваме натиска, за да намалим или увеличим скоростта, защото това ще промени орбита на космическия кораб и за да го премести от Х в У, за да ориентират своята антена със Земята
или да насочат камери срещу мишена. Веднъж щом разберем как гравитацията повлиява нашия кораб, можем да го използваме, за да го местим от планета до планета. Следващото нещо, което трябва е точен модел на Слънчевата система. Това ще покаже къде са планетите спрямо Слънцето, както и спрямо една друга и
други предмети като комети и астероиди. Този модел е създаден от планетарни еферимиди, които са като разписание за всички важни тела в Слънчевата система и дават позицията спрямо Слънцето по всяко време и в минало, и в бъдеще. Тази информация е била събирана през вековете, където първата е била от Вавилонците през 1200г Пр.Хр.
Използвайки небесна механика е възможно да се изчисли ефемеридата за няколко века напред. Заради това,че мисиите в космоса продължават с години или дори десетилетия, като например Пътник, те биха били невъзможни за планиране без да се знае къде ще са планетите през следващите години.
Въпреки че тези ефемериди не са перфектно заради гравитационния ефект на непознати астероиди и са познати като Планета Х далеч отвъд Плутон. НАСА обновява техните ефемериди почти всяка година за последните 20 години като нова информация се появява. Така, знаейки как космическия кораб се движи в космоса
и позициите на планетите в бъдеще, позволяват на навигаторите да създадат курс за нашия космически кораб с невероятна точност.Това може да бъде видяно с мисията на Пътник, където те използват планетарни ефемериди, за да разберат подреждането за 175 години на Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Това
е било открито от Гари Фландро през 1964г., докато работи в JPL и позволява да се създаде Великата обиколка. Това ще позволи на космически кораб да посети всичките 4 планети като използва гравитационен натиск и да съкрати мисията от 40 години на по - малко от 10, ако е изстреляна през 1977г. Оригиналната обиколка е трябвало да включва
Плутон, но заради ограниченото финансиране, е бил посетен от новата сонда Хоризонти през 2015. Вояджър 2 е отпътувал през 1977г. за обиколка на други 4 планети и евентуално е пътувал на равнището на Слънчевата система. Същата технология
на гравитационно подпомагане е било използвано на Галилео, Касини и Нови хоризонти в техните мисии. Вояджър 2 на неговия път за Юпитер и Сатурн както и да посети луната на Сатурн, Титан. Но това ще го постави в траектория
на едно равнище със Слънчевата система към междузвездно пространство. По време на неговото излизане се е завъртял, така че камерите му да са насочени към Земята и да заснеме последни снимки. Те са най- далечните снимки на Слънчевата система някога заснемани и дори на една е заснето мястото на Земята. Заемаща само 0,12 пиксела
в средата на лещата е "Бледа синя точка", както е наречена от Карл Сейгън, е била заснета на 6,4 милиарда километра под 32 градусов ъгъл. В момента имаме план, но все още ни трябва нещо,което да навигира космическия кораб по време на неговото пътуване.
За това се използват инерционна навигационна система, която е всъщност прецизна система от жироскопи, акселерометри и други сензори, които могат да засекат движението на кораба в космоса. Използвайки тази информация, навигаторът може да разбере дали апаратът се движи според курса.
Въпреки това навигационната система се състои от механични устройства, които могат да предизвикат интерграционно отклонение заради малки грешки в жироскопите и сензорите. Това се случва, защото те изчисляват своята позиция, докато се движат от последната изчислена позиция, следователно те колкото повече
изчисляват, толкова повече грешки има. Грешка в добра система е по - малко от 1,1 километра в час, следователно ако до Марс пътуването трябва да продължи 8 месеца, което е 5760 часа, тогава грешката ще е около 6300 км в момента на достигане на Марс, твърде много, когато
трябва да е следва орбита с отклонение няколко километра. За да се компенсира интеграцията, друга поправена система е нужна и това са звездите. Точно като навигаторите на подводници, които използват секстант, за да разберат тяхната позиция, апаратът използва оптични сензори и камери да определи
позицията и да рестартира навигационните системи. На мисията Аполо екипажът е използвал космически секстант на борда, за да поправи отклонението на навигационната система. На сондата Пътник са били използвани звезден тракер, които може да търси звезди , като в случая е звездата е била Канопус.
Също така имало и Слънчев детектор, които се използвал в съчетание с радио сигнал от Земята. По новите апарати имат по-сложни системи, които използват камери да търсят познати предмети като планети и дори комети и астероиди както и себе си. Дори и с най- добрия планиран курс нещата могат да варират по пътя.
Други сили също могат да повлияят на космическия кораб в космоса. Слънчевият вятър например, поток от заредени частици от Слънцето може с времето драстично да промени курса и трябва да бъде коригиран на време. Нашият космически кораб трябва да пристигна на определени места в космоса
по време на пътуването в много малък диапазон от време. Пътувайки с 30 km/s и приближавайки се до планета, за да се използва нейната гравитация да се отблъсне или да се промени курса, ако се престой с няколко минути повече, гравитацията може да привлече до планетата или да промени курса.
За да се комуникира и да се пресмята дистанцията и скоростта,НАСА използва Deep Space Network. Това е мрежа от радио телескопи по света, така че поне един ще е в контакт с космическия кораб по всяко време. Чрез изпращане и получаване на радио сигнал от и до кораба,
използвайки Доплеровия ефект и много точен атомен часовник с минимална разлика между двата сигнала, може да се изчисли дистанцията от Земята с точност 3 метра и скоростта с до 180 милиметра в час. Обединявайки тази информация, можем да изпращаме космически сонди в невероятна точност до толкова, че да се приземи на комета, както направихме със сондата Розета
и със спускаемия апарат Филе, който направи от близо снимки на Плутон за 2 часа, 9 години след изстрелването му и 5 милиарда километра, когато имахме само една трета от орбитата на Плутон. Пет космически кораба са постигнали скоростта на бягство, използвайки тези методи, за които говорихме, и са сега
най - далечните предмети, създадени от човека. Пионер 10, 11, Вояджър 1 и 2 и Нови хоризонти. Невъзможно е да се смята, че всичко е базирано на теории, които са създадени стотици години само чрез наблюдаване и желанието да се разбере как работи небето, много преди дори да помислим, че
е възможно да се навлезе в космоса, позволявайки на гравитацията да е основен двигател. Възможността да се пресметне орбита на планета е ключово за планирането на каквато и да е мисия в космоса, изпълнима в обозримото бъдеще и е нещо, което можеш да направиш сам с помощта на момчетата
от brilliant.org. Brilliant е сайт, който ти позволява да научиш чрез решаването на истински случаи в дълбокия космос. Те имат цял раздел посветен на гравитационната физика, покриваща не само гравитацията на Нютон, но и също орбитите на Кеплер, където можеш да пресметнеш как да
създадеш курс до Марс,използвайки методът на прехвърляне на Хофман, чрез който е възможно да изпратиш свой апарат да изследва Слънчевата система, можеш също да тестваш своите познания за класическата механика, раздел, който Нютон помага да се създаде, да укрепиш познанията си за предсказване на действията на обект
Технологичният прогрес, който постигаме като цивилизация е отвъд най-смелите мечти на най-големите мечтатели, живяли някога.
Всичко, което постигаме в космическите технологии е резултат от глобален подход и усилия. Curious Droid, разглежда един от най-важните аспекти на космическите технологии, това как нашите апарати реално се придвижват в това огромно пространство.
Приятно гледане!
