Trajektorijos į kosmosą

trajektorijos ir erdvėlaivių bei tyriklių lėkiai

2018 vasario 6, startuoja Falcon Heavy raketa. SpaceX nuotrauka

Erdvėlaivis startuoja vertikaliai (taip racionalu įveikt atmosferos sluoksnius) veikiamas varytuvų stūmos ir Žemės gravitacijos. Atsiskyręs nuo startūno pradeda pasyvią inercinio judėjimo trajektoriją, kurią lemia įsigreitinimas ir gravitaciniai laukai, kosminės spinduliuotės ir vėjai. Priartėjęs prie kito objekto atitinkamu greičiu, erdvėlaivis gali tapti jo satu, o lėkdamas greičiau – pralėkt pro šalį paraboliškai ar hiperboliškai. Pvz dar 1959 metais sovietinis AMS (Avtomatičeskaja Mežplanetnaja Stancija) 6,5 Mm nuotoliu pralėkdama Mėnulį nufotografavo nematomą pusę ir gravitaciškai išlenkė trajektoriją link Žemės, kurion iš 4,7 Mm atstumo perdavė vaizdus.

Pirmasis kosminio judėjimo dėsnius 1609-19-ais suformulavo J. Kepler, 1687-ais patobulino I. Newton. 1897-ais K. Ciolkovskij aprašė kylančio startūno greitį: v=v_dsln m₀/m (v_ds – dujų srauto iš tūtos greitis, m₀/m – startinės ir galutinės masių santykis), ir vėliau buvo įvertinti pirmasis kosminis 8 km/s greitis (erdvėlaiviui orbituoti aplink Žemę), antrasis 11,2 km/s (į Saulės sistemos objektus) bei trečiasis 16,7 km/s (tolesniems lėkiams iš Saulės sistemos). Pvz, lėkio Mėnulin startūno Saturn V 1-ji pakopa įgreitino iki 2,4 km/s, 2-ji pridėjo 4,2 km/s ir 3-ji – dar 4 km/s, tad Apollo erdvėlaivis pasiekė 10,6 km/s greitį. 1919-jų ir 1929-jų metų veikaluose tarpplanetinio judėjimo tema A. Šargej-Kondratiuk apskaičiavo lėkio į Mėnulį ir atgal trajektoriją, kurią vėliau NASA pritaikė Apollo programai pavadinimu „Kondratiuko trasa“ (Astronautikos šlovės muziejus Alamogorde). Planuojant lėkius jau išmokta atsižvelgti į starto vietovės padėtį Žemėje, pajudėjimo laiko momentą, aerodinaminius trikdžius, gravitacinius ir kt laukus, net kompiuterinio valdymo patikimumą bei numatyti trajektorijos koregavimą.

Elipsinės ir parabolinės trajektorijos

Dar 1925 metais W. Hohmann apskaičiavo, kad energiniu atžvilgiu racionaliau lėkti ne tiesia trajektorija o elipsine (ar jos segmentu). Pralekiant pro planetą (ar kitą masyvų objektą) gravitaciniame lauke galima pasigreitinti ar pasilėtinti. 1974-ais pirmą tokį gravitacinį manevrą įvykdė Mariner-10 pralėkdamas Venerą link Merkurijaus. 2006-ais startavęs New Horizons ties Jupiteriu pasigreitino ir pakrypo 2,5^o ekliptikos plokštumon, ko dėka pasiekė Plutoną jau 2015-ais. Beje, nuo startūno New Horizons atsiskyrė 35 km/s greičiu, Jupiterį pasiekė 10 km/s, vėl pagreitėjo iki 27 km/s; prie Saturno atlėkė 16 km/s, ten pasigreitino iki 32 km/s; Uraną pasiekė 18 km/s, Neptūną – 19 km/s ir nulėkė tolyn 17 km/s.

Efektyviausią manevrą įvykdė 1979-ais Voyager-2 ties Jupiteriu (720 Mm atstumu) ir pralėkdamas arti Saturno (161 Mm), Urano (107 Mm) bei Neptūno (29 Mm). Ši patirtis ypač padėjo Cassini sėkmingai nutupdyti Huygens (0,35 t o1,3 m) tyriklį į Titaną. Huygens titanėjimas vyko 2005-ais (praėjus 350 metų po šio Saturno mėnulio atradimo) – 2,3 Mm aukštyje sprogmeniniu būdu atsiskyrė nuo erdvėlaivio ir titanėjo net 21 parą. Pabaigoj išskleidė parašiutus ir po 2,5 val pasiekė Xanadu vietovės paviršių 4,4 m/s greičiu.

Titano paviršius

Titanas – o5,15 Mm didumo Saturno satas, orbituojantis 1,2 Gm atstumu per 16 parų (ir apie savo ašį, kaip ir mūsų Mėnulis), vienintelis turi gan tankią atmosferą ir didžiulių metano ežerų. Paviršiuje Huygens -179 ^oC ir 146 kPa sąlygomis fotografavo (350 vaizdų) ir veikė 1,5 val: HASI (Huygens Atmospheric Structure Instrument) atmosferinių ir magnetinių savybių matuokliu; DWE (Doppler Wind Experiment) vėjų matavimo prietaisu; DISR (Descent Imager Spectral Radiometer) titanėjimo vaizduokliu ir apšviestumo matuokliu; GC/MS (Gas Chromatograph/ Mass Spectrometer) atmosferos analizatoriumi.

Crew Dragon trajektorijos

Įdomiai vyko Crew Dragon žemėjimo trajektorija 2020 metais. Astronautai R. Benken ir D. Hurley uždarė liuką, apsivilko avarinius skafandrus ir po 2 val atsiskyrė nuo TKS keturiais impulsais. Taikant į numatytą tūpimo vietą Meksikos įlankoje, žemėjimo trajektorija truko 19 val. Įsitikinę saugumu astronautai nusivilko skafandrus ir pamiegojo, tad televizija rodė valdymo centrą Teksase, kur budėjo ir SpaceX vadovai E.Musk bei G.Schotwell. Artėjant prie Žemės atmosferos suveikė stabdymo varytuvai, užsivėrė priekinis gaubtas, o Dragon korpusas pradėjo kaisti iki 2000 oC. 21-ją žemėjimo valandą išsiskleidė 4 parašiutai, sklandžiai nutupdę erdvėlaivį vandenin, kur jau laukė „GO Navigator“ ir kt laivai. Akvalangistai prikabino lynus, ir Dragon buvo pakeltas į „Navigator“ denį. Liuką atidarė tik po 72 min, nes dujų analizatorius parodė azoto tetraoksido nuotėkį iš varytuvų – apnuodijimo pavojų. Teko prapūtinėti aplinką ir laukti nepavojingos koncentracijos.

Erdvėlaiviui Europa Clipper po starto Falcon Heavy planuoja trajektoriją su 4 gravitaciniais manevrais – ties Venera ir dar 3 ties Žeme, kad nulėktų iki Jupiterio per 3 metus.