У найближчій точці орбіти Землю та Юпітер поділяють майже 600 мільйонів кілометрів. Через п'ять місяців після запуску, Juice (Jupiter Icy Moons Explorer) вже промчав 370 мільйонів кілометрів, проте за часом це лише 5% шляху. Розберемося, чому це займає багато часу.
Відповідь залежить від безлічі факторів: від кількості палива до потужності ракети, маси космічного корабля і геометрії планет. На підставі цього експерти ЄКА з динаміки польоту розробляють маршрут. Світ орбітальної механіки — суперечливе місце, але, виявивши трохи терпіння та ретельного планування, він дозволяє робити великі наукові відкриття з мінімальними витратами палива.
Прямі лінії у просторі — величезна витрата енергії
Відслідковуючи рух планет, місяців, зірок та галактик, можна помітити, що вони завжди рухаються навколо іншого об'єкта. Коли місія запускається із Землі, вона злітає не з нерухомої планети, а з сонця, що рухається навколо, зі швидкістю близько 30 км/с.
Таким чином, космічний корабель, запущений із Землі, вже має велику кількість «орбітальної енергії» — єдиної одиниці, яка має значення при визначенні розміру орбіти навколо центрального тіла. Відразу після запуску космічний корабель знаходиться приблизно на тій самій орбіті, що й наша планета навколо Сонця.
Щоб вирватися з цієї орбіти і пролетіти найкоротшою прямою від Землі до Юпітера, знадобиться велика ракета і багато палива. І хоча це можна здійснити, є наступна проблема, яка полягає в тому, що знадобиться ще більше палива, щоб загальмувати і вийти на орбіту навколо Юпітера, і не пролетіти повз нього.
Орієнтація в порожньому просторі
Юпітер і Земля завжди рухаються щодо один одного. У найдальшому один від одного місці, на протилежних сторонах Сонця, їх поділяє 968 мільйонів кілометрів. Найкоротша відстань між двома планетами — коли Земля і Юпітер перебувають у одному боці Сонця, а відстань між ними становить трохи менше 600 мільйонів кілометрів. Але вони знаходяться в такому положенні лише мить, перш ніж відстань знову збільшується, ніколи не залишаючись на постійній відстані.
Усі планети рухаються своїми орбітами навколо Сонця з різною швидкістю. Інженери повинні розрахувати ідеальний час для стрибка круговою траєкторією від орбіти Землі туди, де буде Юпітер, коли прибуде космічний корабель, а не туди, де він буде, коли космічний корабель покине Землю.
Ранні космічні місії, такі як зонди «Вояджер» та «Піонер», здійснили подорож менш ніж за два роки, а найшвидшою з усіх об'єктів, що дійшли до Юпітера, була місія «Нові горизонти». Запущений 19 січня 2006 року апарат «Нові горизонти» максимально наблизився до Юпітера 28 лютого 2007 року, і для досягнення планети знадобилося трохи більше року. Всі ці місії продовжувалися й надалі, будучи прекрасними прикладами для визначення того, скільки часу потрібно, щоб пролетіти повз Юпітер кудись ще.
Чим довше перебування, тим повільніше наближається
Щоб вийти на орбіту навколо величезної планети, вивчити її з усіх боків і з часом, можливо, навіть вийти на орбіту однією з її місяців, доведеться витратити частину енергії. Це «уповільнення» вимагатиме багато палива для великого маневру з виведення на орбіту. Але якщо немає можливості запускати місію з величезною кількістю палива, доводиться вибирати мальовничий маршрут із тривалістю перельоту 2,5 року.
Саме тут маса космічного корабля розглядається як вирішальний фактор, що визначає час, необхідний для досягнення мети. Інженерам необхідно контролювати масу космічного корабля, балансуючи кількість палива з інструментами, які необхідні для виконання своєї місії. Чим більша маса космічного корабля, тим більше палива йому необхідно нести, що збільшує його вагу та ускладнює його запуск.
І саме тут на перший план виходять характеристики ракети-носія. Космічний корабель необхідно запустити з достатньою швидкістю, щоб подолати гравітацію Землі та вирушити на шляху до зовнішньої частини Сонячної системи. Чим кращий поштовх, тим легша подорож.
Juice — один із найважчих міжпланетних зондів, що коли-небудь запускалися, його маса трохи більше 6000 кг, з найбільшим набором наукових інструментів, які колись літали на Юпітер. Навіть потужного розгону важкої ракети «Аріан-5» виявилося замало, щоб відправити зонд Juice за кілька років.
Тому такі місії, як Juice та Europa Clipper або подібні до Galileo та Juno у минулому, повинні використовувати маневри «гравітації» або «обльоту», щоб набрати додаткову швидкість. Чим потужніша ракета, тим коротший переліт.
Запозичення енергії у Сонячної системи
Плутон, що знаходиться на краю Сонячної системи, рухається набагато більшою орбітою, ніж Меркурій, сама внутрішня планета. Хоча Плутон рухається повільніше щодо Сонця, його орбітальна енергія набагато більша, ніж у Меркурія.
Щоб вивести космічний корабель на орбіту навколо іншої планети, необхідно відповідати його орбітальній енергії. Коли BepiColombo був запущений, його орбітальна енергія була такою самою, як у Землі. Йому довелося втратити енергію, щоб наблизитись до центру Сонячної системи, і він зробив це за рахунок втрати надмірної орбітальної енергії, пролітаючи близько до сусідніх планет.
Те саме відбувається і в зворотному порядку з подорожжю за межі Сонячної системи. Щоб вийти на велику орбіту, далі від Сонця, Juice йде шляхом, який дозволить йому запозичити орбітальну енергію у Землі, Венери та Марса.
Залежно від відносного напрямку руху планети та космічного корабля гравітаційна допомога може прискорювати, уповільнювати чи змінювати напрямок місії. До речі, космічний корабель теж відхиляє планету, але настільки незначною мірою, що це стає незначним. Проте третій закон руху Ньютона не припинив свою дію: «кожній дії є однакова та протилежна протидія».
Juice використовуватиме серію обльотів Землі, системи Земля-Луна та Венери, щоб виставити курс на зустріч у липні 2031 року в системі Юпітера.
Орбіта на вістрі ножа
Найскладніша частина управління польотом ЄКА настане для команди, коли Juice нарешті прибуде до Юпітера в 2031 році і під час своєї подорожі планетарною системою Юпітера.
Складна траєкторія Juice включає численні гравітаційні маневри на шляху до Юпітера, включаючи перший в історії обліт Місяця і Землі, а також вражаючі 35 обльотів його галілеєвих супутників: Європи, Ганімеда і Каллісто. Наприкінці польоту пильну увагу буде зосереджено на Ганімеді, що зробить Juice першим космічним кораблем, що коли-небудь обертався навколо іншого місяця, крім нашого.
Найбільш важливим маневром, за яким спостерігатимуть команди управління польотами ЄКА в Німеччині, буде уповільнення зонда Juice приблизно на 1 км/с лише через 13 годин після гравітаційної допомоги Ганімеда та «виходу», щоб увійти до системи Юпітера, вивівши космічний. корабель на орбіту навколо газового гіганта.
Вийти на орбіту іншого небесного тіла складно. Космічний корабель повинен наближатися з ідеальною швидкістю під точним кутом, а потім виконувати життєво важливий маневр у потрібний момент, у певному напрямку та потрібного розміру.
Наближаючись надто швидко чи повільно, надто дрібно чи круто, або маневруючи у невідповідний час, з неправильною відстанню чи в неправильному напрямку, можна загубитися у просторі чи відхилитися настільки далеко від маршруту, що для виправлення шляху потрібно багато – можливо, навіть занадто багато – палива.
Juice наблизиться до супутників Юпітера, обмінюючись з ними енергією, щоб дослідити це довкілля, як ніколи раніше. Чи може бути життя під замерзлими океанами Ганімеда, Каллісто чи Європи? Що можна дізнатися про формування планет та супутників у Всесвіті? Завдяки чуду динаміки польоту та обміну енергією з Всесвітом ми скоро (вже) це дізнаємося.
