La velocidad con la que llegamos a Marte - Rocket Science

(ACTUALIZADO 1.04) Desplácese hasta la parte inferior de la publicación para ver la revisión final de las respuestas.

(ACTUALIZADO 24.03) Recibimos una consulta a principios de esta semana a través de Facebook de un participante anterior (¡gracias, Massimiliano!) En uno de nuestros eventos de SocialSpace (el Tweetup de Astro Luca en 2014).

Su pregunta estaba relacionada con ExoMars y, tenemos que admitirlo, ¡fue un poco tonta! Pero incluso si nosotros en el equipo de SocMed de la ESA no sabíamos la respuesta, sabíamos quién lo haría: ¡los asistentes de dinámica de vuelo de ESOC!

Ningún satélite de la ESA llega a su destino sin los 'navegantes de naves espaciales', los expertos en dinámica de vuelo que predicen y determinan trayectorias, preparan maniobras orbitales y determinan las actitudes y apuntes de los satélites (leer más).

Así que le pasamos la consulta a Frank Budnik, que es parte del equipo de 'FDyn' que apoya a ExoMars, y le pedimos que responda, lo que ha hecho.

VIDEO

Ahora, ANTES de publicar la respuesta, primero lea la pregunta y vea si puede responderla sin leer la respuesta de Frank. 🙂

Pregunta sobre ExoMars

Hola Daniel, ¿puedo molestarte con otra pregunta? En el sitio web de la ESA he leído que todo el crucero de ExoMars es de 500 millones de km en 218 días ... ¡eso significa que va a una velocidad de 95.500 km / h! ¿Como es posible? El récord real de velocidad es el de New Horizon, casi 56.000 km / h ...

¿Qué piensas?

Continúe y envíe su respuesta como comentario a esta publicación de blog.

La semana que viene publicaremos la respuesta de Frank, y quien haya publicado una respuesta que más se parezca a la suya recibirá una camiseta de la ESA.

¡Saludos y que tengas un gran fin de semana!

ACTUALIZACIÓN 24.03 - RESPUESTA DE FRANK

¡Guau! Gracias por la gran cantidad de respuestas muy bien pensadas, bien razonadas e imaginativas publicadas a continuación. Esta consulta llamó inesperadamente la atención de mucha gente y nos encantó ver la variedad y el alcance de las respuestas enviadas. Nuestra respuesta a la consulta anterior se divide en varias partes.

Primero, antes de llegar a la respuesta de Frank, tómese un momento para leer la excelente descripción de la mecánica orbital aportada por el analista de misiones de la ESA Michael Khan como respuesta a una consulta de Yasmin Tayag en Nueva York (aunque, como el editor de esta publicación, es originaria de Toronto! - Ed.), Que bloguea en Invserse.com. Aquí hay algunas citas pertinentes, aunque vale la pena leer toda su publicación:

Una transferencia interplanetaria de la Tierra a otro planeta (en este caso, Marte) no es cuestión de volar en línea recta con una velocidad de crucero determinada como lo haría un avión en la Tierra, o como un barco que navega por el océano, con algunos cambios de dirección en determinados puntos de ruta. Esa no es la forma en que funciona en el sistema solar.

...

Ahora, en la transferencia elíptica, la nave espacial se aleja del Sol hacia la órbita de Marte, y el Sol se aferra a la nave espacial con su gravedad. Entonces, a medida que ExoMars asciende, su energía de altura aumenta. Por lo tanto, la energía de movimiento debe disminuir. La energía total permanece igual. Entonces, en su vuelo a Marte, ExoMars se vuelve cada vez más lento.

...

Lo más importante que ves es que la trayectoria de ExoMars, como todas las trayectorias en el espacio, es claramente curva. No hay líneas rectas en el espacio. Una vez que tienes cuerpos que tienen masa, como estrellas y planetas, tienes gravedad, y en presencia de gravedad, todo volará en curvas. Las curvas son naturales, las líneas rectas no lo son. La distancia recorrida siguiendo la línea roja curva de la Tierra a Marte es de unos 500 millones de kilómetros, para poner eso en perspectiva. 500 millones de kilómetros.

Estos son solo algunos extractos destacados: ¡lea la publicación completa!

Ahora, para continuar con nuestra explicación, eche un vistazo a la tabla a continuación, que Frank envió justo antes del despegue.

Esto muestra lo mismo que muestra la animación de YouTube en la parte superior de esta publicación, y que la respuesta de Michael al blogger estadounidense mencionó: ExoMars / TGO sigue una trayectoria elíptica curva entre la Tierra y Marte, y esta distancia asciende aproximadamente a 500 000 000 km.

El gráfico muestra esto como una función lineal de la distancia heliocéntrica acumulada (es decir, la distancia recorrida con respecto al Sol) cubierta con respecto al tiempo (mientras que la animación de YouTube muestra el mismo camino con respecto al espacio). El 14 de marzo, día del lanzamiento, la distancia total recorrida es 0. A principios de junio, será de 200 000 000 km; a principios de septiembre 400 000 00 km y el día de llegada, el 19 de octubre, un poco menos de 500 000 000 km.

Distancia recorrida heliocéntrica ExoMars / TGO Crédito: ESA / F. Budnik

De hecho, puede usar esta tabla como una guía de referencia útil (aunque ciertamente aproximada) a lo largo de la transferencia interplanetaria. Mi globo ocular me dice que hoy, 24 de marzo, la nave ha viajado unos 20 000 000 km con respecto al Sol (mientras que la animación de YouTube de arriba me dice que todavía está a unos 126 000 000 km de Marte).

A partir de ahora, la nave reducirá la velocidad de manera constante (tenga en cuenta que la línea en el gráfico anterior no es perfectamente recta) y se dirige a lo largo de una elipse de 500 000 000 km de largo para encontrarse con Marte el 19 de octubre, todo con respecto al Sol.

Antes de que finalmente lleguemos a la respuesta de Frank, eche un vistazo nuevamente a la animación de YouTube en la parte superior de la publicación. Tenga en cuenta que, en términos generales, ExoMars / TGO 'salta' de la Tierra el día del lanzamiento, formando un arco más alejado del Sol que la órbita de la Tierra, y la Tierra a partir de entonces avanza constantemente mientras permanece en su órbita solar más cerrada y rápida.

A medida que la nave espacial se arquea más lejos del Sol, se ralentiza (aunque realmente no puedes ver esto muy bien en la animación), lo que confirma lo que describió Michael, es decir, que cualquiera que sea su velocidad heliocéntrica inicial, se ralentiza continuamente a medida que viaja. .

Sin embargo, es importante destacar que está viajando, con respecto al Sol, más rápido que Marte. Como puede ver hacia el final de la animación, Marte en efecto 'atrapa' a la nave, que tendrá que usar su motor principal el 19 de octubre en una combustión prolongada de 134 minutos para desacelerarse en la friolera de 1550 m / segundo con el fin de para reducir la velocidad lo suficiente como para ser capturado por la gravedad de Marte.

De acuerdo, suficientes antecedentes ... ¡aquí está la respuesta de Frank!

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Respuesta de Frank Budnik, equipo de dinámica de vuelo de la ESA

Tienes que comparar los números correctos, lo que, en el caso de los registros de velocidad y velocidad de las naves espaciales, no es tan sencillo.

La velocidad récord normalmente citada de New Horizon es 16,26 km / s (58 500 km / h), que es la velocidad de escape relativa a la Tierra. Es cierto que hasta ahora no se ha lanzado ninguna otra nave espacial a esa velocidad relativa a la Tierra.

Para obtener la velocidad heliocéntrica (aproximada) de New Horizons (es decir, relativa al Sol) poco después del lanzamiento, también debe agregar la velocidad heliocéntrica de la Tierra de 30 km / s, lo que da ~ 46 km / s en relación con el Sol. Esta es una velocidad impresionante; sin embargo, ya no es una velocidad récord. El récord de la mayor velocidad heliocéntrica de una nave espacial lo tiene la nave espacial Helios II, que tenía una velocidad heliocéntrica máxima de más de 70 km / s.

La velocidad heliocéntrica de ExoMars no se acerca a eso (pero sigue siendo rápida 😉)

Tomando los números citados de 500 millones de km en 218 días (precisamente, 218 días 16 horas 56 minutos desde la separación de la etapa superior Breeze a las 20: 13UTC el 14 de marzo hasta que la inserción de la órbita de Marte se queme a las 13:09 UTC del 19 de octubre) da una velocidad heliocéntrica promedio durante el crucero de 26,5 km / segundo, que se encuentra entre la velocidad heliocéntrica promedio de la Tierra (30 km / s) y de Marte (24 km / s), como debería ser.

¡Espero que esto lo aclare!

Saludos,

Frank =============================================== =======

Si esto ayuda, aquí hay un resumen rápido de las matemáticas:

velocidad = distancia / tiempo

velocidad = 500 000 000 km / 18893088 segundos = 26,5 km / segundo

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Tenga en cuenta que esta será una velocidad promedio y, como señala Michael y como se mencionó anteriormente, la velocidad de la nave disminuirá constantemente a medida que avanza a lo largo de su camino hacia Marte; pero la línea en el gráfico anterior de Frank es casi recta, por lo que esta desaceleración es muy modesta.

Resumen

De la explicación y el cuadro de Frank, y de los comentarios de Michael, queda claro que el factor importante en el cálculo de la velocidad de ExoMars / TGO es fijar un marco de referencia, y esto significa usar el Sol. Hacemos esto porque la gravedad tiene, con mucho, el mayor efecto sobre la velocidad de la nave espacial a partir de ahora (su propio motor también tendrá un efecto) y la fuente de gravedad número uno en nuestro Sistema Solar es, sin sorpresa, el Sol. La pregunta original de Massimiliano que se refería a la velocidad de New Horizon era un poco falsa porque la velocidad citada era con respecto a la Tierra; La velocidad media de ExoMars / TGO de 26,5 km / segundo es más que suficiente para cubrir los 500 m km en 218 días, ¡y todos esperamos que su motor funcione bastante bien en el momento adecuado!

Nos tomaremos un par de días para revisar las respuestas a continuación y seleccionar las que más se acerquen a incluir todos o la mayoría de los puntos mencionados anteriormente.

¡Ese es el final de nuestro desafío de prueba! Cualquier respuesta publicada después de la fecha / hora de esta actualización (18:45 CET 24 de marzo) no es elegible para ganar una camiseta. ¡Pero puedes publicar comentarios!

¡Ten un excelente fin de semana!

===================== ACTUALIZACIÓN FINAL 1 de abril

Después de revisar todas las respuestas, muchas (¡la mayoría!) De las cuales estaban muy bien hechas, pudimos seleccionar las que más se acercaban a la respuesta proporcionada por el experto en dinámica de vuelo de la ESA, Frank Budnik. De hecho, ¡había muchos!

Al final, dado que el punto clave para formular cualquier respuesta fue darse cuenta de que, como algunos de ustedes mencionaron, toda velocidad es relativa, y el primer paso más importante es seleccionar un marco de referencia consistente, decidimos 'seleccionar' cualquier respuesta que dio una indicación suficiente de esta realización (incluso si el cálculo posterior estaba un poco fuera de lugar). Entonces, sin más preámbulos, felicitaciones a:

Le invitamos a enviar un correo electrónico a contactsocialspace@gmail.com con su nombre, dirección postal y tamaño de la camiseta; le enviaremos una camiseta de inmediato.

¡Y muchas gracias por responder!

- Daniel