Dawn revista: Repaso a la mecánica orbital

La infatigable nave espacial Dawn se continua consolidando a través del cinturón principal de asteroides, empujando suavemente con su sistema de propulsión iónica . A medida que cambia gradualmente su órbita alrededor del Sol, la distancia al planeta enano Ceres lentamente se encoge. La sonda pertinaz llegará allí en 2015 para explorar el cuerpo más grande entre el Sol y Neptuno que aún no se ha vislumbrado por un visitante de la Tierra. Mientras tanto, Vesta, Dawn el fascinante mundo extraño reveló en 2011 y 2012 , se hace cada vez más distante. El mini-planeta que orbitaba y estudiado en detalle ahora aparece sólo como un puntito de luz 15 veces más lejos que la Luna Dawn es de la Tierra.

Escalada a través del sistema solar sobre una columna de color azul-verde iones de xenón, Dawn tiene mucho de vuelo propulsado por delante a fin de coincidir con las órbitas de Ceres lejanos. Sin embargo, se ha demostrado bastante admirable que es hasta la tarea. La nave ha pasado más tiempo empujando y ha cambiado su órbita por sus propios medios más que cualquier otra nave de la Tierra. Aunque la mayor parte de los próximos dos años se dedicará a empujar aún más, el aventurero ambicioso ya ha logrado mucho más de lo que ha dejado de hacer. Y ahora está pasando un hito interesante en su viaje interplanetario.

Con todo el empuje Dawn ha completado, ahora se ha cambiado su velocidad por 7,74 kilometros por segundo (17.300 millas por hora), y el valor crece a medida que continúa el empuje de iones . Para los entusiastas del espacio de la Tierra, que es una velocidad especial, conocida como "velocidad orbital". Muchos satélites, incluyendo la Estación Espacial Internacional, viajar alrededor de esa velocidad en sus órbitas. ¿Quiere decir que Dawn ha conseguido ahora la velocidad necesaria para orbitar la Tierra? La respuesta corta es no. La respuesta más larga constituye el resto de este registro.

Hemos hablado de algunos de estos principios antes, pero son contra-intuitivo y las preguntas siguen surgiendo. En lugar de enviar a nuestros lectores en una trayectoria a través de la historia de estos registros aún más complicados que el vuelo de Dawn a través del cinturón de asteroides, vamos a revisar algunas de las ideas aquí. (Después de introspección considerable, su corresponsal concedido y se le concedió permiso para reutilizar no sólo texto, sino también más allá de futuro texto.)

Si bien el progreso Dawn marca en términos de su velocidad es una descripción adecuada de la eficacia de su maniobra, no es realmente una medida de la rapidez con que se mueve. Más bien, es una medida de la rapidez con que se mueve bajo circunstancias muy especiales (y realista). Para entender esto, tenemos que mirar a la naturaleza de las órbitas, en general, y la trayectoria de Dawn interplanetario en particular.

La inmensa mayoría de los seres humanos artesanales han enviado al espacio han permanecido en la vecindad de la Tierra, que acompaña a ese planeta en sus revoluciones anuales alrededor del sol. Todos los satélites de la Tierra (incluyendo la luna) permanece vinculado a él por su gravedad. (Del mismo modo, Dawn pasó gran parte de 2011 y 2012 como un satélite del lejano Vesta, encerrado en el agarre gravitatorio del cuerpo masiva.) Tan rápido como los satélites parecen viajar en comparación con los residentes terrestres, desde la perspectiva del sistema solar grande, su incesante círculo de la Tierra significa que sus caminos a través del espacio no son muy diferentes de la propia Tierra de. Considere la trayectoria de un coche de carreras en una pista larga. Si una mosca zumba en el interior del coche, el conductor puede parecer que se mueve rápido, pero si alguien vigilando el coche desde la distancia trazan el camino de la mosca, en promedio, que sería más o menos como el del automóvil.

Todo en el planeta y la órbita que viaja alrededor del Sol a una media de 30 kilómetros por segundo (67.000 mph), completando una órbita solar completo cada año. Para llevar a cabo su viaje interplanetario y viajar en otros lugares del sistema solar, Dawn necesaria para liberarse de las garras de la Tierra, y que se llevó a cabo por el cohete que lleva al espacio de más de cinco años. Dawn y su antigua casa siguió su camino, y el sol se convirtió en la referencia natural para la posición de la nave espacial y la velocidad en su viaje en el espacio profundo.

A pesar de la enorme presión del cohete Delta II entregados (con cariño!) A Dawn, la nave todavía no tenía la energía suficiente para escapar del sol de gran alcance. Así, residente responsable del sistema solar, Dawn se ha mantenido fielmente en órbita alrededor del Sol, igual que la Tierra y el resto de los planetas, asteroides, cometas y otros miembros de la comitiva de la estrella tiene.

Tanto si se trata de una nave espacial o de la luna orbitando un planeta, un planeta o amanecer en órbita alrededor del sol, el sol órbita alrededor de la galaxia de la Vía Láctea, o la galaxia de la Vía Láctea en órbita alrededor del supercúmulo de Virgo (el hogar de una parte considerable de nuestros lectores), cualquier órbita es el equilibrio perfecto entre el tirón hacia dentro de la gravedad y la tendencia inexorable de objetos que viajan en línea recta. Si conecta un peso en una cadena y girar a su alrededor en un círculo, la fuerza que se utiliza para tirar de la cadena imita la fuerza gravitacional que ejerce el sol en los cuerpos que orbitan la misma. El esfuerzo que gasta en mantener el peso dando vueltas constantemente sirve para redirigir su camino, y si se suelta la cuerda, el movimiento natural del peso de la llevaría lejos en una línea recta (ignorando el efecto de la gravedad de la Tierra).

La fuerza de la gravedad disminuye con la distancia, por lo que la atracción del Sol sobre un cuerpo cercano es mayor que en otra más distante. Por lo tanto, para permanecer en órbita, para equilibrar el tirón implacable de la gravedad, el objeto más cercano debe viajar más rápido, luchando contra la atracción más fuerte. El mismo efecto se aplica en la Tierra. Los satélites que orbitan muy cerca (incluyendo, por ejemplo, la Estación Espacial Internacional, a unos 400 kilómetros, o 250 millas, desde la superficie) debe racha alrededor del planeta a unos 7,7 kilómetros por segundo (17.000 millas por hora) para evitar ser derribado. La luna, que orbita a casi 1000 veces más arriba, sólo tiene que viajar a unos 1,0 kilómetros por segundo (menos de 2300 millas por hora) para equilibrar más débil retención de la Tierra a esa distancia.

Tenga en cuenta que esto significa que para que un astronauta en viajar desde la superficie de la Tierra a la Estación Espacial Internacional, sería necesario acelerar a una velocidad bastante alta para encontrarse con la instalación orbital. Pero una vez en órbita, para viajar a la luna mucho más remoto, la velocidad del astronauta eventualmente tendría que disminuir drásticamente. Quizás velocidad cuenta una historia incompleta en la descripción de los viajes de la nave espacial, al igual que lo hace con otro ejemplo de lucha contra la gravedad.

Una persona que lanza una bola no es tan diferente de un cohete de lanzamiento de un satélite (aunque el primero es por lo general un poco menos caro e implica a menudo menos productos químicos tóxicos). Ambos representan las luchas contra la atracción gravitatoria de la Tierra.Para lanzar una bola más alta, usted tiene que darle un empujón más fuerte, impartir más energía para hacerlo subir de distancia de la Tierra, pero en cuanto se sale de su mano, comienza desacelerando. Para lanzar más fuerte (más rápido), se necesitará más tiempo para que la gravedad de la Tierra para detener el balón y llevarlo de vuelta, por lo que viajar más. Pero desde el momento en que sale de su mano hasta que llega a la cima de su arco, su velocidad constante mengua, ya que poco a poco cede al tirón de la Tierra. El viaje del astronauta de la estación espacial a la luna se lograría a partir de una velocidad alta "tirar" de la órbita baja de partida, y luego disminuyendo hasta llegar a la luna.

El cohete que puso en marcha el amanecer tiró bastante difícil escapar de la Tierra, enviándolo más allá de la Estación Espacial Internacional y hasta la luna. Velocidad máxima de Dawn con respecto a la Tierra el día del lanzamiento fue tan alto que la Tierra no podía tirar de ella. Como vimos en la explicación del perfil de lanzamiento , Dawn fue impulsado a 11,46 kilometros por segundo (25,640 mph), muy por encima del espacio velocidad orbital de la estación dado tres párrafos anteriores. Sin embargo, ha permanecido bajo el control del sol.

Ahora podemos pensar en el problema general de volar en otro lugar en el espacio, similar a subir una colina. Para los excursionistas terrestres, las recompensas de ascenso venir sólo después de hacer el trabajo de empujar en contra de la gravedad terrestre para llegar a una mayor altura. Del mismo modo, Dawn está subiendo una colina sistema solar con el sol en el fondo. Comenzó a medio camino encima de la colina en la Tierra, y sus primeros frutos fueron encontrados en una elevación más alta, donde Vesta, viajando alrededor del Sol a sólo unos dos tercios de la velocidad de la Tierra, revela sus secretos fascinantes para visitar el barco. El empuje ion ahora está impulsando aún más arriba en la colina hacia Ceres, que se mueve más lentamente para equilibrar la atracción aún más débil del sol.

Si Dawn había estado en gravedad cero y no se ha obligado a obedecer las leyes del movimiento orbital, la empuja hasta la fecha se han acelerado por los 7,74 kilometros por segundo (17.300 mph) cerca del mencionado principio. En lugar de hacer que la nave vaya más rápido, sin embargo, que el trabajo fue diseñado para subir a la colina del sistema solar. Si Dawn se había dirigido a un destino más cerca del Sol que la Tierra, la misma cantidad de empuje que han ayudado a acelerar el descenso de la colina, dejándose caer en una órbita más baja solar, donde debería de recorrer el maestro de gravedad de la sistema solar más rápido que la Tierra.

Para orbitar un cuerpo que se mueve en órbita alrededor del Sol, una nave espacial tiene que coincidir con la órbita solar de su objetivo. Excepto en la ciencia ficción, ninguna nave espacial en la historia que no sea Dawn ha sido diseñada para orbitar dos destinos diferentes alrededor del sol. Sin su sistema de propulsión iónica, esta misión sería absolutamente imposible. Órbitas más estrictos requieren una mayor velocidad con el fin de contrarrestar el tirón más fuerte de la gravedad. Mercurio y Venus orbitan al Sol más rápido que la Tierra. Marte se mueve alrededor del Sol más lentamente que la Tierra, y todos los residentes en el cinturón de asteroides más distante principal (incluyendo Dawn) giran a un ritmo más pausado.

Puesto que el viento hasta naves espaciales a velocidades diferentes en relación con el sol, su velocidad final no es tan importante en su diseño y operación, es la cantidad por la que cambiarsu velocidad después de haber sido dado de alta del cohete. Debido a esta complejidad, los científicos de cohetes en general poner todas las naves espaciales en igualdad de condiciones (o, en este caso, un campo de gravedad cero libre de las complicaciones de la física de las órbitas) mediante el cambio de la velocidad como una medida de la nave espacial maniobra capacidad.

Dawn se ha ralentizado enormemente desde que partió la Tierra, pero lo que es digno de mención es la cantidad por la que ha cambiado propulsively su velocidad. Si hubiera comenzado en una línea que comienza con todo otra nave espacial en ese campo simplificada de juego, ya que podría estar corriendo a lo largo de 7,74 kilometros por segundo (17.300 millas por hora), mucho más rápido que cualquier otra nave espacial. Al final de su misión, iban a volar en un extraordinario 11 kilómetros por segundo (24.600 mph).

La mayoría de los satélites en órbita baja de la Tierra apenas cambiar su velocidad en absoluto, sino que confía en el impulso impartido a ellos por los cohetes que los llevaron al espacio.Como se puede ver mediante la comparación de los números de arriba, un cohete a la órbita de la Tierra ofrece la misma velocidad que Dawn ha conseguido ya, y el cohete que lanzó la sonda en su trayectoria interplanetaria proporciona aproximadamente la misma velocidad que Dawn alcanzará en los próximos años . (Por supuesto, el amanecer y el cohete tienen objetivos diferentes. Por ejemplo, nuestra nave espacial no tenía que arar a través de la atmósfera terrestre bajo su poder atronador propio. Rockets hacer. Sin embargo, el amanecer más pequeña es graciosamente el cumplimiento de su misión espacial única, sin la carga de enormes tanques de combustible y etapas múltiples.)

Después de haber cambiado su velocidad en la misma cantidad tenía que ir desde la superficie de la Tierra a la órbita de la Tierra es sólo una coincidencia. Cohete de Dawn le dio un impulso aún mayor. Pero para maniobrar después de su lanzamiento, esta nave espacial está en una clase por sí mismo.

Cada nave está diseñada para una misión específica. Como ninguna otra nave espacial ha intentado una misión como la de Dawn, ninguna otra nave espacial ha necesitado tan excepcional capacidad de cambiar su propio ritmo. (Algunos otros han utilizado refuerzos gravitacionales de los planetas a cambiar su velocidad en más de Dawn. Eso no es un reflejo de la capacidad de la nave, sin embargo, sino más bien la trayectoria particular que sigue.) En conjunto, toda la humanidad sondas ha enviado en los viajes interplanetarios han contribuido a proporcionarnos nuevas perspectivas y nuevas perspectivas sobre la naturaleza del sistema solar, como su origen y evolución. Y la gente que está interesada en ellos, no puede dejar de estar en el temor de los enormes desafíos, la ingeniería notable, las grandes distancias, las aventuras inspiradoras, las vistas emocionantes, y el nuevo conocimiento increíble. Con su extraordinario sistema de propulsión iónica, Dawn está haciendo contribuciones interesantes a este esfuerzo de cola. Ya se ha llevado a cabo una exploración rica en detalles de un mundo exótico y, como se mete con su sistema de propulsión iónica para subir a la colina del sistema solar a otro, se espera que más tesoros en su ambiciosa expedición.

Dawn es de 5,8 millones de kilómetros (3,600,000 millas) de Vesta y 56 millones de kilómetros (35 millones de millas) de Ceres. También es 2,28 AU (341 millones de kilómetros o millas 212 millones) de la Tierra, o 910 veces en cuanto a la luna y 2,30 veces hasta el sol de hoy. Las señales de radio, viajando en el límite universal de la velocidad de la luz, tardan 38 minutos para hacer el viaje redondo.