A velocidade com que chegamos a Marte - Rocket Science

(ATUALIZADO EM 1.04) Role até a parte inferior da postagem para a revisão final das respostas.

(ATUALIZADO EM 24.03) Recebemos uma consulta no início desta semana via Facebook de um ex-participante (obrigado, Massimiliano!) Em um de nossos eventos do SocialSpace (o Astro Luca Tweetup em 2014).

A pergunta dele estava relacionada ao ExoMars e - temos que admitir - foi um pouco confusa! Mas mesmo que nós, da equipa ESA SocMed, não soubéssemos a resposta, sabíamos quem saberia: os assistentes de dinâmica de voo do ESOC!

Nenhum satélite da ESA chega ao seu destino sem os 'navegadores de naves espaciais' - os especialistas em dinâmica de voo que prevêem e determinam trajectórias, preparam manobras orbitais e determinam as atitudes e apontamentos dos satélites (leia mais).

Então, passamos a pergunta para Frank Budnik, que faz parte da equipe 'FDyn' que apóia o ExoMars, e pedimos que ele respondesse, o que ele fez.

VÍDEO

Agora, ANTES de postar a resposta, primeiro leia a pergunta e veja se você pode respondê-la sem ler a resposta de Frank. 🙂

Pergunta sobre ExoMars

Ei Daniel, posso incomodá-lo com outra pergunta? No site da ESA li que todo o cruzeiro do ExoMars é de 500 milhões de km em 218 dias… isso significa que vai a uma velocidade de 95.500 km / h! Como isso é possível? O recorde real de velocidade é da New Horizon, quase 56.000 km / h…

O que você acha?

Vá em frente e envie sua resposta como um comentário nesta postagem do blog.

Na próxima semana, postaremos a resposta de Frank e quem postar uma resposta que mais se assemelhe à dele receberá uma camiseta da ESA.

Saúde e tenha um ótimo final de semana!

ATUALIZAÇÃO 24.03 - RESPOSTA DE FRANK

Uau! Obrigado pelo grande número de respostas muito bem pensadas, bem fundamentadas e imaginativas postadas abaixo. Esta consulta chamou a atenção de muitas pessoas de forma inesperada e ficamos muito satisfeitos ao ver a variedade e a extensão das respostas enviadas. Nossa resposta à pergunta acima está dividida em várias partes.

Primeiro, antes de chegarmos à resposta de Frank, pare um momento para ler a excelente descrição da mecânica orbital contribuída pelo analista da missão da ESA Michael Khan como uma resposta a uma pergunta de Yasmin Tayag em Nova York (embora, como o editor deste post, ela seja originalmente de Toronto! - Ed.), Que tem um blog em Invserse.com. Aqui estão algumas citações pertinentes, embora valha a pena ler toda a postagem:

Uma transferência interplanetária da Terra para outro planeta (neste caso, Marte) não é uma questão de voar em linha reta com uma determinada velocidade de cruzeiro como uma aeronave faria na Terra, ou como uma nave que cruza o oceano, com algumas mudanças na direção em determinados pontos de passagem. Não é assim que funciona no sistema solar.

…

Agora, na transferência elíptica, a espaçonave está subindo do Sol em direção à órbita de Marte, e o Sol está segurando a espaçonave com sua gravidade. Portanto, conforme o ExoMars está subindo, sua energia de altura aumenta. Portanto, a energia do movimento deve diminuir. A energia total permanece a mesma. Portanto, em seu voo para Marte, o ExoMars fica cada vez mais lento.

…

A coisa mais importante que você vê é que a trajetória do ExoMars, como todas as trajetórias no espaço, é nitidamente curva. Não existem linhas retas no espaço. Uma vez que você tem corpos com massa, como estrelas e planetas, você tem gravidade e, na presença da gravidade, tudo vai voar em curvas. As curvas são naturais, as linhas retas não. A distância percorrida seguindo a linha vermelha curva da Terra a Marte é de cerca de 500 milhões de quilômetros, para colocar isso em perspectiva. Meio bilhão de quilômetros.

Estes são apenas alguns trechos de destaques - leia a postagem inteira!

Agora, para continuar com nossa explicação, dê uma olhada no gráfico abaixo, que Frank enviou pouco antes da decolagem.

Isso mostra a mesma coisa que a animação do YouTube no topo deste post mostra, e que a resposta de Michael ao blogueiro dos EUA mencionou: ExoMars / TGO segue um caminho elíptico curvo entre a Terra e Marte, e essa distância equivale a, aproximadamente, 500.000 000 km.

O gráfico mostra isso como uma função linear da distância heliocêntrica acumulada (isto é, distância percorrida em relação ao Sol) coberta em relação ao tempo (enquanto a animação do YouTube mostra o mesmo caminho em relação ao espaço). No dia 14 de março, dia do lançamento, a distância total coberta é 0. No início de junho, serão 200 000 000 km; no início de setembro 400 000 00 km e no dia da chegada, 19 de outubro, um pouco menos de 500 000 000 km.

Distância heliocêntrica percorrida ExoMars / TGO Crédito: ESA / F. Budnik

Na verdade, você pode usar este gráfico como um guia de referência útil (embora reconhecidamente rudimentar) durante a transferência interplanetária. Meu globo ocular me diz que hoje, 24 de março, a nave viajou cerca de 20.000.000 km em relação ao Sol (enquanto a animação do YouTube acima me diz que ainda está a cerca de 126.000.000 km de Marte).

A nave irá de agora em diante desacelerar continuamente (observe que a linha no gráfico acima não é perfeitamente reta) e se dirige ao longo de uma elipse de 500.000.000 km para se encontrar com Marte em 19 de outubro, tudo em relação ao Sol.

Antes de finalmente chegarmos à resposta de Frank, dê uma olhada novamente na animação do YouTube no topo da postagem. Observe que, grosso modo, o ExoMars / TGO 'salta' da Terra no dia do lançamento, fazendo um arco mais distante do Sol do que a órbita da Terra, com a Terra a partir daí puxando firmemente 'à frente' enquanto permanece em sua órbita solar mais estreita e rápida.

À medida que a espaçonave se distancia do Sol, ela desacelera (embora você não possa realmente ver isso muito bem na animação), o que confirma o que Michael descreveu, ou seja, que qualquer que seja sua velocidade heliocêntrica inicial, ela desacelera continuamente à medida que viaja .

É importante ressaltar, no entanto, que ele está viajando, em relação ao Sol, mais rápido do que Marte. Como você pode ver no final da animação, Marte na verdade 'pega' a nave, que terá que usar seu motor principal em 19 de outubro em uma longa queima de 134 minutos para diminuir sua velocidade em 1550 m / segundo em ordem. para desacelerar o suficiente para ser capturado pela gravidade de Marte.

OK, antecedentes suficientes ... aqui está a resposta de Frank!

========================================================== ======

Resposta de Frank Budnik, Equipe ESA Flight Dynamics

Você tem que comparar os números certos, o que, no caso dos registros de velocidade e velocidade de espaçonaves, não é tão simples.

A velocidade recorde normalmente citada da New Horizon é de 16,26 km / s (58.500 km / h), que é a velocidade de escape em relação à Terra. É verdade que até agora nenhuma outra espaçonave foi lançada nessa velocidade em relação à Terra.

Para obter a velocidade heliocêntrica (aproximada) da New Horizons (ou seja, em relação ao Sol) logo após o lançamento, você também deve adicionar a velocidade heliocêntrica de 30 km / s da Terra - dando ~ 46 km / s em relação ao sol. Esta é uma velocidade impressionante; no entanto, não é mais uma velocidade recorde. O recorde para a maior velocidade heliocêntrica de uma espaçonave é detido pela espaçonave Helios II, que tinha uma velocidade heliocêntrica máxima de mais de 70 km / s!

A velocidade heliocêntrica do ExoMars não está nem perto disso (mas ainda é rápida 😉)

Tomando os números citados de 500 milhões de km em 218 dias (precisamente, 218 dias 16 horas 56 minutos da separação do estágio superior do Breeze às 20h13UTC em 14 de março até a queima de inserção na órbita de Marte às 13h09 UTC em 19 de outubro) uma velocidade heliocêntrica média durante o cruzeiro de 26,5 km / segundo, que está em algum lugar entre a velocidade heliocêntrica média da Terra (30 km / s) e de Marte (24 km / s), como deveria ser.

Espero que isso deixe isso claro!

Cumprimentos,

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

Se isso ajudar, aqui está um resumo rápido da matemática:

velocidade = distância / tempo

velocidade = 500 000 000 km / 18 893 088 segundos = 26,5 km / segundo

========================================================== =====

Observe que esta será uma velocidade média e, como Michael aponta e como mencionado acima, a velocidade da nave diminuirá constantemente à medida que avança ao longo de seu caminho para Marte; mas a linha no gráfico de Frank acima é quase reta, então essa desaceleração é muito modesta.

Resumo

É claro pela explicação e gráfico de Frank, e pelos comentários de Michael, que o fator importante no cálculo da velocidade do ExoMars / TGO é fixar um quadro de referência, e isso significa usar o sol. Fazemos isso porque a gravidade tem de longe o maior efeito na velocidade da espaçonave de agora em diante (seu próprio motor também terá um efeito) e a fonte número 1 de gravidade em nosso Sistema Solar é, sem surpresa, o sol. A pergunta original de Massimiliano que se referia à velocidade da New Horizon foi um pouco falsa porque a velocidade citada era em relação à Terra; A velocidade média do ExoMars / TGO de 26,5 km / segundo é mais do que suficiente para cobrir os 500 m km em 218 dias - e todos esperamos que seu motor funcione muito bem no momento certo!

Levaremos alguns dias para revisar as respostas abaixo e selecionar aquelas que mais se aproximam de incluir todos ou a maioria dos pontos mencionados acima.

Esse é o fim do nosso desafio de teste! Quaisquer respostas postadas após a data / hora desta atualização (18:45 CET 24 de março) não são elegíveis para ganhar uma camiseta. Mas você pode postar comentários!

Tenha um ótimo fim de semana!

======================= ATUALIZAÇÃO FINAL 1 de abril

Depois de analisar todas as respostas, muitas (a maioria!) Das quais foram muito bem feitas, pudemos selecionar as que mais se aproximavam da resposta fornecida pelo especialista em dinâmica de vôo da ESA, Frank Budnik. Na verdade - havia muitos!

No final, uma vez que o ponto-chave na formulação de qualquer resposta foi perceber que, como alguns de vocês mencionaram, toda velocidade é relativa, e o primeiro passo mais importante é selecionar um quadro de referência consistente, decidimos 'selecionar' qualquer resposta que deu indicação suficiente desta realização (mesmo que o cálculo subsequente foi um pouco errado). Então, sem mais delongas, parabéns a:

Você está convidado a enviar um e-mail para contactsocialspace@gmail.com com seu nome, endereço de correspondência e tamanho da camiseta - nós receberemos uma camiseta pelo correio imediatamente.

E muito obrigado por responder!

- Daniel