Proč vesmírná mise nemůže každou chvíli letět: Co je to startovací okno?

Proč nemůže být vesmírná loď vypuštěna kdykoli? Co je odpalovací rampa? To vše se dozvíte z našeho článku.

Mise Artemis I

Význam mise Artemis I pro lidstvo bývá přirovnáván k letu Apolla 8 v roce 1968, kdy se člověku poprvé v historii podařilo dosáhnout oběžné dráhy Měsíce. Jenže úspěšný let na Měsíc měl být v té době především vítězstvím v politické a technologické konfrontaci mezi USA a SSSR, věda byla v pozadí. Program „Apollo“ měl samozřejmě obrovský úspěch, protože člověk, který před pár desítkami let opustil Zemi na palubě prvního letadla, překonal zemskou gravitaci a ocitl se na oběžné dráze jiného nebeského tělesa.

O ekonomické složce se tehdy skoro nemluvilo. Ale o šest desetiletí později jsou to právě ekonomické výhody průzkumu lunárních zdrojů, které přimějí člověka k „návratu“ na Měsíc. Pokud by jediným důvodem pro takové mise bylo zasadit vlajku své země na povrch Měsíce, což by to samozřejmě lidé zprvu tak mohli vnímat, zajímalo by mě, jestli by se teď zapojovaly tak obrovské prostředky. Na Zemi jsou teď totiž mnohem vážnější problémy. Vesmírný závod ale pokračuje a výhody zde budou velmi důležité, včetně těch ekonomických.

To znamená, že zrušení startu mise Artemis I 29. srpna vede k ekonomickým a finančním ztrátám. Zdálo by se, že nestartovali 29., pak to mohli spustit 30. nebo 31. srpna, ale odložili to na 3. září. Jsem si jist, že mnoho z vás nechápe, proč bylo vybráno právě toto datum. Mluví se o nějakých startovacích oknech, o výhodných podmínkách pro start. Pojďme na to přijít.

Přečtěte si také: Vesmírné mise s lidskou posádkou: Proč je návrat na Zemi stále problémem?

Přísné požadavky na datum zahájení mise

Uvažované startovací okno je podmínkou daná přírodou a technologickými omezeními, podmínkou, která musí být zohledněna při startu každého vesmírného objektu. U letadel je odletové okno většinou nepovinné, ale kvůli hustému leteckému provozu startují i ​​v určitou dobu, tedy podle letového řádu. Pokud by takové omezení nebylo, mohlo by letadlo vzlétnout a přistát, kdy chtělo. Lety ve vzdušném prostoru ale musí být spořádané. To platí pouze pro vzdušný prostor Země, kde jsou již desítky let položeny podmíněné vzdušné koridory pro civilní letectví.

Raketa nesoucí vesmírnou loď by to teoreticky mohla dělat také, ale brání tomu omezená zásoba paliva. Ten samý, přes který ano je těžké vrátit se na Zemi. Prozatím můžeme letět po pečlivě vypočítané trajektorii pouze v případě, že dokážeme porovnat polohy planet nebo Měsíce se Zemí. Jakákoli odchylka vyžaduje nadměrné zásoby paliva, ale ve vesmíru je nelze sbírat jako bonusy v arkádové hře.

Lety na Mars proto zatím probíhají pouze ve dvouletých intervalech, kdy jeho poloha na konci dráhy sondy či jiného zařízení bude pro plnění úkolů příznivá. V případě misí, které jdou za hranice Sluneční soustavy, mohou být trajektorie letů mnohem komplikovanější, protože je třeba počítat i s vlivem gravitace jiných planet na plánovanou dráhu letu. Například při letu Voyageru k hranicím Sluneční soustavy se počítalo se zrychlením vlivem gravitace Venuše a podobně na tom byla i loď New Horizons s gravitací Jupiteru. Protože palivo je ve vesmíru stále vzácným zdrojem a technologie motorů založené na jeho spalování jsou stále velmi primitivní. Ano, někdo se zmíní o vesmírných panelech, které pomáhají sondám využívat kosmický vítr k vlastnímu pohonu, ale jsou to sondy, nikoli kosmické lodě, které potřebují palivo, aby se dostaly na oběžnou dráhu a zpět na Zemi. A potřebujete toho hodně.

Zajímavé také:

• Proč se hvězdy třpytí?
• Proč jsou kosmické lodě vybaveny procesory 20. století

Co jsou launchpady pro spuštění?

Představte si, že jste v centru atletického stadionu a chcete se setkat s jedním ze sportovců běžících na běžícím pásu. Můžeme se ho pokusit dohnat, ale k tomu musíme běžet rychleji než on a utratíme spoustu energie. Mnohem rozumnější je spočítat si, kdy bude běžec v nejvýhodnější pozici, aby byl zachycen a v pravou chvíli mu vyšel naproti. Výpočty musí být přesné, abychom nepřijeli příliš brzy nebo příliš pozdě. Optimální čas začít se hýbat je naše startovací okno.

Totéž platí pro vesmírné mise. Startovací okno je jednoduše období, během kterého může kosmická loď dosáhnout určitého bodu ve vesmíru ve stanovený čas. Přitom se zohledňují výkonové možnosti rakety a trajektorie vesmírného tělesa, se kterou se musí aparatura setkat. Proto jsou okna pro různé mise různá. Například u mise na Mars se startovací okno otevírá každých 780 dní. Ale pro start „Voyageru-2“, jehož cílem jsou takové planety jako Jupiter, Saturn, Uran a Neptun, využili příležitost, která se objeví jen jednou za 175 let. Na druhou stranu máme příklad mise Rosetta, která měla původně studovat kometu 46P / Wirtanen, ale tato příležitost byla ztracena kvůli zpoždění startu, takže byl pro misi vybrán nový cíl, kometa 67P / Churyumova -Gerasimenko.

Stručně řečeno, startovací okno je časový interval vypočítaný z výpočtů orbitální mechaniky, během kterého může daná kosmická loď vzlétnout a úspěšně dosáhnout svého konečného cíle. Samozřejmě s přihlédnutím k plánované dráze letu a hmotnosti požadovaného paliva. Proto počáteční okno vyžaduje výhodné umístění nebeských těles, jejichž gravitace výrazně ovlivňuje pohyb vozidla.

Zajímavé také:

• 10 nejpodivnějších věcí, které jsme se dozvěděli o černých dírách v roce 2021
• Terraforming Mars: Mohla by se rudá planeta proměnit v novou Zemi?

Čtyři faktory, které ovlivňují spouštěcí okno při spuštění

Existují čtyři faktory, které ovlivňují výběr startovacího okna pro start jakékoli vesmírné mise, včetně Artemis I. Jsou spolu tak úzce spjaty, že rozpor v jednom z faktorů okamžitě anuluje účinek ostatních.

Dráhy a sklony

Discovery například potřebuje dopravit důležitý náklad na ISS. Nejprve musí vědci zvážit dvě různé trajektorie: trajektorii samotného raketoplánu a Mezinárodní vesmírnou stanici. Vědci se musí ujistit, že se obě oběžné dráhy definitivně setkají, protože účelem této mise je dopravit na vesmírnou stanici potřebné zásoby. K tomu vypočítají rovinu oběžné dráhy stanice, pomyslný list, který protíná Zemi a drží vesmírnou stanici na jejím okraji.

Když se Země a vesmírná stanice pohybují, pohybuje se i konvenční rovina, která je spojuje. Vědci musí najít čas, kdy okraj Země protne startovací rampu Kennedyho vesmírného střediska na Floridě, odkud má loď startovat. Nemohou minout více než jeden stupeň. Země se otočí o 1 stupeň za pět minut, takže start by měl proběhnout přesně do těchto pěti minut.

Ke startu navíc musí dojít, když vesmírná stanice míří z jihu na sever. Je to dáno tím, že raketoplán musí úspěšně předjet stanici a zároveň odhodit svou 15patrovou externí palivovou nádrž nad oceánem, kde nepředstavuje hrozbu pro člověka. Oceán leží na severovýchodě, takže start Discovery musí počkat, až se vesmírná stanice přesune na sever. Raketoplán tak má jedno pětiminutové startovací okno denně.

Co se týče mise Artemis I, ta je zde ještě zajímavější. NASA chce umístit Orion na daleko retrográdní oběžnou dráhu kolem Měsíce. Jedná se o velmi stabilní dráhu se dvěma Lagrangeovými body. Aparát se přitom pohybuje kolem Země v opačném směru než Měsíc. Doposud tuto dráhu využívalo pouze jedno zařízení – čínské Chang'e 5. Pro vstup na tuto dráhu je nutné nastartovat motory, které dopraví zařízení na Měsíc ve správný okamžik a čas. Tento manévr se nazývá TLI (Trans-Lunar Injection) a přesnost jeho provedení je nesmírně důležitá. Toto je jeden prvek, který je třeba vzít v úvahu při výpočtu spouštěcího okna.

Přečtěte si také:

• Pozorování rudé planety: Historie marťanských iluzí
• Teleportace z vědeckého hlediska a její budoucnost

"Precese" přesune okno

Také bychom neměli zapomínat na fenomén precese. Precesi vidíte pokaždé, když dítě začne otáčet horní částí přípravku. Za prvé, jeho osa rotace vytvoří kruh ve vzduchu ve směru opačném k rotaci, přičemž nakloní vršek nejprve jedním směrem a poté druhým.

Země předvádí zpomalenou verzi tohoto tance, když obíhá kolem Slunce, a člověkem vyrobené satelity dělají totéž, když obíhají Zemi.

Existuje vzorec, který umožňuje vědcům NASA vypočítat, jak moc se bude satelit kývat. Přidejte počet otáček, které satelit udělá za den, velikost a excentricitu oběžné dráhy a sklon, a máte oscilace. Pro Mezinárodní vesmírnou stanici tato čísla udávají hodnotu téměř 5 stupňů za den, což se rovná asi 20 minutám denní rotace Země.

To platí i pro Měsíc a další planety sluneční soustavy. Tyto výkyvy vyžadují přesný výpočet, jinak jakákoli úprava vyžaduje nadměrnou spotřebu paliva a ztrátu požadované trajektorie.

Povětrnostní podmínky při startu

Čas od času jsme slyšeli, že start rakety byl zrušen kvůli nepříznivým povětrnostním podmínkám. Ano, příroda na nás nemusí čekat, na zemském povrchu se vždy vyskytují nějaké povětrnostní jevy, jako jsou bouřky, bouřky, písečné bouře, sněhové bouře atd.

Meteorologové vesmírné agentury žonglují jako profesionálové se sledováním oblačnosti, směru a rychlosti větru, jakož i bouří a dalších nepříznivých událostí na šesti různých místech během 13 dnů. Schvalují vzlet pouze v případě, že raketu potenciálně nezastihne například bouře nebo písečná bouře.

Světelné podmínky

Startovací okno by mělo umožnit dobré osvětlení všech kamer, aby tým řízení letu mohl vidět, jak dobře fungují všechny systémy a nastavení lodi, což pomáhá zajistit bezpečnost posádky vesmírné mise.

Například podle pravidel NASA nemůže být Orion ve stínu déle než 90 minut v kuse. Protože potřebuje sluneční světlo pro panely a pro udržení optimální teploty zařízení.

Kromě toho existují další faktory související s procesem přistání, během kterého musí Orion vstoupit do horních vrstev zemské atmosféry, pak je na chvíli opustit a znovu se již konečně ponořit do atmosféry. K tomu však musí zařízení včas dosáhnout příslušné trajektorie vzhledem k Zemi. Posledním aspektem, který je třeba zvážit, je čas přistání. Orion má během dne přistát v oceánu, aby usnadnil čekajícím týmům najít a získat kapsli.

Zajímavé také:

• Proč se hvězdy třpytí?
• Proč jsou kosmické lodě vybaveny procesory 20. století

Start neprobíhá ze stacionární odpalovací rampy. Cíl je také v neustálém pohybu

Promluvme si podrobněji o některých detailech, které je třeba vzít v úvahu pro start mise Artemis I, která může odstartovat již dnes večer.

Měsíc je blízko Země a pravděpodobně by zde neměly být žádné velké problémy. No, bohužel je tam mimo jiné i pohyb naší planety a Měsíce. Náš satelit se nejen otáčí kolem své osy rychlostí asi 0,5 km/s na rovníku, ale také obíhá kolem Slunce po téměř kruhové dráze rychlostí 30 km/s. Je třeba také vzít v úvahu, že rychlost pohybu Země se přičítá k vlastní startovací rychlosti vozidla.

Navíc poloha Slunce a Měsíce vůči oběžné dráze Země se neustále mění, s tím je třeba také počítat. Při stejné spotřebě energie/paliva tedy může start ze Země na Měsíc vést k odlišnému výsledku v závislosti na načasování tohoto startu.

Teoreticky můžeme postavit takovou kosmickou loď, která bude dostatečně výkonná na to, aby létala na Měsíc každý den. A možná to tak bude i v budoucnu. Prozatím však úspěch mise Artemis I vyžaduje pečlivý výběr času startu ze Země, který umožní Orionu přesunout se na Měsíc a poté vstoupit na plánovanou oběžnou dráhu kolem našeho satelitu. I když je start podle plánu, zpoždění o několik dní může způsobit významné změny v trvání mise.

V současné době, v závislosti na době startu, může mise Artemis I trvat 26 až 28 dní nebo 38 až 42 dní. Očekáváme, že tato mise bude delší, protože Orion dokončí 1,5 otáčky kolem Měsíce na své vzdálené retrográdní oběžné dráze. Pokud vezmeme v úvahu kratší variantu a výstup na lunární oběžnou dráhu se uskuteční v jinou dobu, Orion provede pouze 1 otáčku kolem Měsíce, než se začne vrátit na Zemi.

Přečtěte si také: Vesmírný dalekohled Jamese Webba: 10 cílů k pozorování

Budoucí data spuštění Artemis I jsou možná

Aktuální startovací okno pro raketu SLS a její náklad, který splňuje kritéria mise, bude 2. až 6. září. Již se ví, že NASA zvolila nejbližší termín pro start mise Artemis I – 3. září 2022 mezi 21:17 a 23:17 kyjevského času. Každý následující den má také určitý čas, kdy je start možný. Pokud se vám nepodaří vzlétnout během této doby, objeví se následující spouštěcí okna:

• od 20. září do 28. září
• od 30. září do 4. října
• od 17. do 23. října
• 27. října
• od 29. do 31. října
• a tak dále…

Nezbývá než čekat a doufat, že k úspěšnému startu historické mise Artemis I brzy dojde.

Přečtěte si také:

• 100 let kvantové fyziky: Od teorií 1920. let k počítačům
• 5 budoucích vesmírných misí k zamyšlení

Nezapomínejte však, že na Ukrajině probíhá válka. Pokud chcete pomoci Ukrajině v boji proti ruským okupantům, nejlepší způsob, jak to udělat, je darovat Ozbrojeným silám Ukrajiny prostřednictvím Zachraňte život nebo přes oficiální stránku NBÚ.