מדוע משימת חלל לא יכולה לטוס בכל רגע: מהו חלון שיגור?

מדוע לא ניתן לשגר את החללית בכל עת? מהו משטח שיגור? אתה תלמד על כל זה מהמאמר שלנו.

ארטמיס אני שליחות

חשיבותה של משימת ארטמיס I לאנושות מושווה לעתים קרובות לטיסת אפולו 8 ב-1968, כאשר האדם הצליח להגיע למסלול הירח בפעם הראשונה בהיסטוריה. אבל באותה תקופה, טיסה מוצלחת לירח הייתה אמורה להיות, קודם כל, ניצחון בעימות הפוליטי והטכנולוגי בין ארה"ב לברית המועצות, המדע היה ברקע. כמובן שתוכנית "אפולו" זכתה להצלחה עצומה, מכיוון שאדם שהשאיר את כדור הארץ על סיפון המטוס הראשון רק לפני כמה עשורים, התגבר על כוח המשיכה של כדור הארץ ומצא את עצמו במסלולו של גוף שמימי אחר.

כמעט ולא דיברו אז על המרכיב הכלכלי. אבל שישה עשורים מאוחר יותר, דווקא היתרונות הכלכליים של חקר משאבי הירח הם שמניעים את האדם "לחזור" לירח. אם הסיבה היחידה למשימות כאלה הייתה לשתול את דגל ארצם על פני הירח, שכמובן, בהתחלה אנשים יכלו לתפוס אותו ככזה, אני תוהה אם משאבים כה עצומים יהיו מעורבים כעת. אחרי הכל, יש בעיות חמורות הרבה יותר על כדור הארץ עכשיו. אבל המירוץ לחלל נמשך, והיתרונות כאן יהיו חשובים מאוד, כולל כלכליים.

כלומר, ביטול ההשקה של משימת ארטמיס I ב-29 באוגוסט מביא להפסדים כלכליים ופיננסיים. נראה שהם לא השיקו ב-29, אז הם יכלו להשיק אותו ב-30 או 31 באוגוסט, אבל הם דחו את זה ל-3 בספטמבר. אני בטוח שרבים מכם לא מבינים מדוע נבחר דווקא התאריך הזה. הם מדברים על כמה חלונות התחלה, על תנאים נוחים להשקה. בוא נבין את זה.

קרא גם: משימות חלל מאוישות: מדוע החזרה לכדור הארץ עדיין מהווה בעיה?

דרישות מחמירות לגבי תאריך תחילת המשימה

חלון השיגור המדובר הוא תנאי המוטל על ידי הטבע והמגבלות הטכנולוגיות, תנאי שיש לקחת בחשבון במהלך שיגור כל חפץ חלל. עבור מטוסים, חלון יציאה הוא לרוב אופציונלי, אבל בגלל תנועה אווירית כבדה הם ממריאים גם בשעה מסוימת, כלומר לפי לוח הזמנים. אם לא הייתה מגבלה כזו, המטוס יכול היה להמריא ולנחות מתי שרצה. אבל הטיסות במרחב האווירי חייבות להיות מסודרות. זה חל רק על המרחב האווירי של כדור הארץ, שבו הונחו מסדרונות אוויר מותנים לתעופה אזרחית במשך עשרות שנים.

רקטה הנושאת חללית יכולה תיאורטית לעשות זאת גם כן, אך אספקת הדלק המוגבלת מונעת זאת. אותו אחד שדרכו כן קשה לחזור לכדור הארץ. לעת עתה, נוכל לטוס במסלול מחושב בקפידה רק אם נוכל להתאים את מיקומם של כוכבי הלכת או הירח לכדור הארץ. כל סטייה מצריכה עודפי דלק, אבל בחלל לא ניתן לאסוף אותם כמו בונוסים במשחק ארקייד.

לכן טיסות למאדים עד כה מתקיימות רק במרווחים של שנתיים, כאשר מיקומו בקצה הנתיב של בדיקה או מכשיר אחר יהיה נוח לביצוע המשימות. במקרה של משימות החורגות מגבולות מערכת השמש, מסלולי הטיסה יכולים להיות הרבה יותר מסובכים, כי יש לקחת בחשבון גם את השפעת כוח המשיכה של כוכבי לכת אחרים על נתיב הטיסה המתוכנן. לדוגמה, במהלך הטיסה של וויאג'ר לגבולות מערכת השמש, נלקחה בחשבון התאוצה עקב כוח המשיכה של נוגה, וספינת ניו הורייזנס הושפעה באופן דומה מכוח המשיכה של צדק. כי דלק הוא עדיין משאב נדיר בחלל, וטכנולוגיות המנוע המבוססות על הבעירה שלו עדיין מאוד פרימיטיביות. כן, מישהו יזכיר את לוחות החלל שעוזרים לגשושיות להשתמש ברוח הקוסמית כדי להניע את עצמם, אבל אלה הבדיקות, לא החללית, שזקוקים לדלק כדי להיכנס למסלול ולחזור לכדור הארץ. ואתה צריך הרבה מזה.

מעניין גם:

• למה הכוכבים מנצנצים?
• מדוע חלליות מצוידות במעבדים מהמאה ה-20

מהם משטחי השקה להפעלה?

תארו לעצמכם שאתם במרכז אצטדיון אתלטיקה ואתם רוצים לפגוש את אחד הספורטאים שרץ על הליכון. אנחנו יכולים לנסות להדביק אותו, אבל בשביל זה אנחנו צריכים לרוץ יותר מהר ממנו, ונבזבז הרבה אנרגיה. הרבה יותר הגיוני לחשב מתי הרץ יהיה בעמדה הכי משתלמת, כדי שאפשר יהיה ליירט אותו וברגע הנכון ללכת לקראתו. החישובים חייבים להיות מדויקים כדי שלא נגיע מוקדם מדי או מאוחר מדי. הזמן האופטימלי להתחיל לזוז הוא חלון ההתחלה שלנו.

כך גם לגבי משימות חלל. חלון שיגור הוא פשוט התקופה שבה חללית יכולה להגיע לנקודה מסוימת בחלל בזמן מוגדר. במקביל, נלקחות בחשבון יכולות הכוח של הרקטה ומסלול עצם החלל איתו על המנגנון להיפגש. לכן, החלונות שונים עבור משימות שונות. לדוגמה, עבור משימה למאדים, חלון השיגור נפתח כל 780 ימים. אבל לצורך ההשקה של "וויאג'ר-2", שמטרתו היא כוכבי לכת כמו צדק, שבתאי, אורנוס ונפטון, הם השתמשו בחלון הזדמנויות שמופיע רק פעם ב-175 שנים. מצד שני, יש לנו את הדוגמה של משימת רוזטה, שבמקור נועדה לחקור את השביט 46P / וירטאנן, אך הזדמנות זו אבדה עקב עיכוב שיגור, ולכן נבחר יעד חדש למשימה, השביט 67P / Churyumova -גרסימנקו.

בקצרה יותר, חלון השיגור הוא מרווח הזמן, המחושב מחישובי מכניקת מסלול, שבמהלכו חללית נתונה יכולה להמריא ולהגיע בהצלחה ליעדה הסופי. כמובן, תוך התחשבות בנתיב הטיסה המתוכנן ובמסה של הדלק הנדרש. לכן, החלון הראשוני מחייב מיקום נוח של גרמי שמיים, שכוח המשיכה שלהם משפיע באופן משמעותי על תנועת הרכב.

מעניין גם:

• 10 הדברים הכי מוזרים שלמדנו על חורים שחורים ב-2021
• מאדים טרפורמר: האם כוכב הלכת האדום יכול להפוך לכדור הארץ חדש?

ארבעה גורמים המשפיעים על חלון השקת האתחול

ישנם ארבעה גורמים המשפיעים על בחירת חלון השיגור לשיגור של כל משימת חלל, כולל ארטמיס I. הם כל כך קשורים זה לזה עד כי אי התאמה באחד הגורמים מבטלת באופן מיידי את ההשפעה של האחרים.

מסלולים ונטיות

לדוגמה, דיסקברי צריך לספק מטען חשוב ל-ISS. ראשית, על המדענים לשקול שני מסלולים שונים: מסלול המעבורת עצמה ותחנת החלל הבינלאומית. על המדענים לוודא ששני המסלולים בהחלט ייפגשו, שכן מטרת המשימה הזו היא לספק את האספקה ​​הדרושה לתחנת החלל. לשם כך הם מחשבים את מישור מסלול התחנה, יריעה דמיונית שחותכת את כדור הארץ ומחזיקה את תחנת החלל בקצה שלה.

כאשר כדור הארץ ותחנת החלל זזים, גם המטוס הקונבנציונלי המחבר ביניהם נע. על המדענים למצוא את הזמן שבו קצה כדור הארץ חוצה את משטח השיגור של מרכז החלל קנדי ​​בפלורידה, שממנו אמורה הספינה להשתגר. הם לא יכולים לפספס יותר מתואר אחד. כדור הארץ מסתובב מעלה אחת בחמש דקות, כך שהשיגור אמור להתבצע בדיוק בתוך חמש הדקות הללו.

בנוסף, השיגור חייב להתרחש כאשר תחנת החלל פונה מדרום לצפון. זאת בשל העובדה שהמעבורת חייבת לעקוף בהצלחה את התחנה ובמקביל להשליך את מיכל הדלק החיצוני שלה בן 15 הקומות מעל האוקיינוס, שם היא אינה מהווה איום על בני אדם. האוקיינוס ​​שוכן בצפון מזרח, ולכן השיגור של דיסקברי חייב להמתין עד שתחנת החלל תנוע צפונה. זה משאיר למעבורת החלל חלון שיגור אחד של חמש דקות ביום.

לגבי משימת Artemis I, זה אפילו יותר מעניין כאן. נאס"א רוצה למקם את אוריון במסלול הרטרוגרדי סביב הירח. זהו מסלול יציב מאוד עם שתי נקודות לגראנז'. במקביל, המנגנון נע סביב כדור הארץ בכיוון ההפוך מהירח. עד כה, מסלול זה שימש רק מכשיר אחד - Chang'e 5 הסיני. כדי להיכנס למסלול זה יש צורך להפעיל את המנועים שיעבירו את המכשיר לירח ברגע ובזמן הנכון. תמרון זה נקרא TLI (Trans-Lunar Injection), והדיוק בביצועו חשוב ביותר. זהו מרכיב אחד שיש לקחת בחשבון בעת ​​חישוב חלון ההשקה.

קרא גם:

• התבוננות בכוכב האדום: היסטוריה של אשליות מאדים
• טלפורטציה מנקודת מבט מדעית ועתידו

"קדנציה" מזיז את החלון

כמו כן, אין לשכוח את תופעת הקדנציה. אתה רואה את הפרצסיה בכל פעם שהילד מתחיל לסובב את החלק העליון של הג'יג. ראשית, ציר הסיבוב שלו יוצר מעגל באוויר בכיוון המנוגד לסיבוב, מטה את החלק העליון תחילה לכיוון אחד, ואז בכיוון השני.

כדור הארץ מבצע גרסה בהילוך איטי של הריקוד הזה כשהוא מקיף את השמש, ולוויינים מעשה ידי אדם עושים את אותו הדבר כפי שהם מקיפים את כדור הארץ.

יש נוסחה שמאפשרת למדענים של נאס"א לחשב כמה הלוויין יתנדנד. הוסף את מספר הסיבובים שהלוויין עושה ביום, גודל ואקסצנטריות של המסלול, והנטייה, וקיבלתם את התנודות. עבור תחנת החלל הבינלאומית, המספרים הללו נותנים ערך של כמעט 5 מעלות ליום, השווה לכ-20 דקות מהסיבוב היומי של כדור הארץ.

זה חל גם על הירח וכוכבי לכת אחרים של מערכת השמש. תנודות אלו דורשות חישוב מדויק, אחרת כל התאמה דורשת צריכת דלק מופרזת ואובדן המסלול הרצוי.

תנאי מזג האוויר בזמן ההשקה

שמענו מדי פעם ששיגור הרקטה בוטל בגלל שהיו תנאי מזג אוויר לא נוחים. כן, הטבע לא צריך לחכות לנו, תמיד יש כמה תופעות מזג אוויר על פני כדור הארץ, כמו סופות, סופות רעמים, סופות חול, סופות שלגים וכו'.

מטאורולוגים של סוכנות החלל מלהטטים כמו אנשי מקצוע שעוקבים אחר כיסוי העננים, כיוון הרוח והמהירות, כמו גם סופות ואירועים שליליים אחרים בשישה מיקומים שונים במשך 13 ימים. הם מאשרים המראה רק אם הרקטה אינה נתפסת בפוטנציה לסופה או סופת חול, למשל.

תנאי תאורה

חלון השיגור אמור לאפשר תאורה טובה לכל המצלמות, כך שצוות בקרת הטיסה יוכל לראות עד כמה כל המערכות וההגדרות של הספינה פועלות, מה שיעזור להבטיח את בטיחות צוות משימת החלל.

לדוגמה, על פי חוקי נאס"א, אוריון לא יכול להיות בצל יותר מ-90 דקות בכל פעם. כי הוא זקוק לאור שמש עבור הפאנלים וכדי לשמור על הטמפרטורה האופטימלית של המכשיר.

בנוסף, ישנם גורמים נוספים הקשורים לתהליך הנחיתה, שבמהלכו על אוריון להיכנס לשכבות העליונות של האטמוספירה של כדור הארץ, ואז לעזוב אותן לרגע, ושוב, כבר סופית, לצלול לאטמוספירה. עם זאת, לשם כך, על המכשיר להגיע בזמן למסלול המתאים ביחס לכדור הארץ. ההיבט האחרון שיש לקחת בחשבון הוא זמן הנחיתה. אוריון אמורה לנחות באוקיינוס ​​במהלך היום כדי להקל על צוותי ההמתנה למצוא ולהחזיר את הקפסולה.

מעניין גם:

• למה הכוכבים מנצנצים?
• מדוע חלליות מצוידות במעבדים מהמאה ה-20

השיגור אינו מתבצע משטח שיגור נייח. גם המטרה נמצאת בתנועה מתמדת

בואו נדבר ביתר פירוט על כמה מהפרטים שצריך לקחת בחשבון לקראת השקת משימת ארטמיס I, שעשויה להשיק כבר הערב.

הירח קרוב לכדור הארץ וכנראה שלא אמורות להיות כאן בעיות גדולות. ובכן, למרבה הצער, יש, בין היתר, את התנועה של כוכב הלכת שלנו והירח. הלוויין שלנו לא רק מסתובב על צירו במהירות של כ-0,5 ק"מ לשנייה בקו המשווה, הוא גם מסתובב סביב השמש במסלול כמעט מעגלי במהירות של 30 ק"מ לשנייה. כמו כן, יש לקחת בחשבון שמהירות התנועה של כדור הארץ מתווספת למהירות ההתחלה של הרכב עצמו.

בנוסף, מיקומם של השמש והירח ביחס למסלול כדור הארץ משתנה כל הזמן, יש לקחת גם זאת בחשבון. לפיכך, עם אותה צריכת אנרגיה/דלק, שיגור מכדור הארץ לירח עשוי להוביל לתוצאה שונה בהתאם לתזמון של אותו שיגור.

בתיאוריה, אנחנו יכולים לבנות חללית כזו שתהיה חזקה מספיק כדי לטוס לירח כל יום. ואולי זה יהיה כך בעתיד. עם זאת, לעת עתה, הצלחת משימת ארטמיס I דורשת בחירה קפדנית של זמן השיגור מכדור הארץ, מה שיאפשר לאוריון לנוע לירח ואז להיכנס למסלול המתוכנן סביב הלוויין שלנו. גם אם ההשקה עומדת בלוח הזמנים, עיכוב של מספר ימים עלול לגרום לשינויים משמעותיים במהלך המשימה.

נכון לעכשיו, בהתאם לזמן ההשקה, משימת Artemis I יכולה להימשך בין 26 ל-28 ימים או 38 ל-42 ימים. אנו צופים כי המשימה הזו תהיה ארוכה יותר כאשר אוריון ישלים 1,5 סיבובים סביב הירח במסלול הרחוק שלו. אם תישקל האפשרות הקצרה יותר, והיציאה למסלול הירח תתבצע בזמן אחר, אוריון יעשה רק סיבוב אחד סביב הירח לפני תחילת חזרתו לכדור הארץ.

קרא גם: טלסקופ החלל ג'יימס ווב: 10 מטרות לצפייה

תאריכי השקה עתידיים של Artemis I אפשריים

חלון השיגור הנוכחי של רקטת ה-SLS והמטען שלה, העומד בקריטריונים של המשימה, יהיה 2-6 בספטמבר. כבר ידוע שנאס"א בחרה בתאריך הקרוב ביותר לשיגור משימת ארטמיס I - 3 בספטמבר 2022 בין 21:17 ל-23:17 שעון קייב. לכל יום שלאחר מכן יש גם זמן מסוים שבו ההתחלה אפשרית. אם לא תצליח להמריא תוך זמן זה, יופיעו חלונות ההשקה הבאים:

• מה-20 בספטמבר עד ה-28 בספטמבר
• מה-30 בספטמבר עד ה-4 באוקטובר
• בין ה-17 ל-23 באוקטובר
• 27 באוקטובר
• בין ה-29 ל-31 באוקטובר
• וכן הלאה…

לנו נותר רק לחכות ולקוות שההשקה המוצלחת של משימת ארטמיס I ההיסטורית תתקיים בקרוב.

קרא גם:

• 100 שנים של פיזיקה קוונטית: מתאוריות של שנות ה-1920 ועד למחשבים
• 5 משימות חלל עתידיות למחשבה

עם זאת, אל תשכח שקיימת מלחמה באוקראינה. אם אתה רוצה לעזור לאוקראינה להילחם בכובשים הרוסים, הדרך הטובה ביותר לעשות זאת היא לתרום לכוחות המזוינים של אוקראינה באמצעות הצלת חיים או דרך העמוד הרשמי NBU.