Neden bu kadar uzun sürüyor?

Yörüngedeki en yakın noktada Dünya ile Jüpiter arasında neredeyse 600 milyon kilometre mesafe var. Bu yazının yazıldığı sırada, lansmandan beş ay sonra Juice halihazırda 370 milyon kilometre yol kat etmişti, ancak zaman içinde bu mesafenin yalnızca %5’i kalmıştı. Neden çok uzun sürüyor?

Cevap, ESA’nın Görev Kontrol birimindeki uçuş dinamiği uzmanlarının, kullanılan yakıt miktarından roketin gücüne, uzay aracının kütlesinden gezegenlerin geometrisine kadar iyi bildiği çeşitli faktörlere bağlıdır.

ESA’nın uçuş dinamiği uzmanları buna dayanarak bir rota tasarlıyor. Yörünge mekaniği dünyası mantığa aykırı bir yerdir, ancak biraz sabır ve çok fazla planlamayla, açıklayacağımız gibi, çok az yakıtla büyük miktarda bilim yapmamıza olanak tanır.

Gezegenlerin, ayların, yıldızların ve galaksilerin hareketini takip ettiğinizde onların her zaman başka bir nesnenin etrafında hareket halinde olduklarını göreceksiniz. Bir görev başlatıldığında, hareketsiz bir Dünya’dan değil, güneşin etrafında yaklaşık 30 km/s hızla dönen bir gezegenin üzerinden atlıyor.

Bu nedenle, Dünya’dan fırlatılan bir uzay aracı zaten büyük miktarda “yörünge enerjisine” sahiptir; bu, merkezi bir gövde etrafındaki yörüngenin boyutunu belirlerken önemli olan tek birimdir. Fırlatıldıktan hemen sonra, bir uzay aracı aşağı yukarı gezegenimizin güneş etrafındaki yörüngesiyle aynı yörüngededir.

Bu yörüngeden kurtulmak ve Dünya’dan Jüpiter’e mümkün olan en kısa düz çizgide uçmak için büyük bir roket ve çok fazla yakıt gerekir. Ama yapılabilir. Bir sonraki sorun ise, fren yapmak ve Jüpiter’in etrafında yörüngeye girmek ve onu geçip gitmemek için daha fazla yakıta ihtiyaç duymanızdır.

Boş alanı hedefleme

Jüpiter ve Dünya her zaman birbirlerine göre hareket ederler. Güneş’in karşıt taraflarındaki en uzak noktalarda aralarında 968 milyon kilometre mesafe vardır. İki gezegen arasındaki en kısa mesafe, Dünya ile Jüpiter’in güneşin aynı tarafında olduğu ve aralarında 600 milyon kilometrenin biraz altında olduğu zamandır. Ancak mesafe tekrar artıncaya kadar bir anlığına bu pozisyonda kalırlar ve asla sabit bir mesafede kalmazlar.

Gezegenlerin hepsi Güneş etrafındaki yörüngelerinde farklı hızlarda hareket ederler. Hareket eden bir araçtan hareketli bir hedefe top attığınızı hayal edin. Mühendisler, uzay aracı Dünya’dan ayrıldığında değil, Dünya’nın yörüngesinden Jüpiter’in uzay aracı geldiğinde olacağı yere kadar dairesel bir yol üzerinde sıçrama yapmak için ideal zamanı hesaplamalıdır.

Peki, mevcut en güçlü fırlatıcıya sahip olduğumuzu ve gezegenler doğru şekilde hizalandığında, doğru zamanda en kısa yörüngeden fırlattığımızı varsayarsak, bu ne kadar sürer?

Voyager ve Pioneer sondaları gibi ilk uzay görevleri bu yolculuğu iki yıldan daha kısa bir sürede tamamladı ve herhangi bir nesnenin Jüpiter’e ulaştığı en hızlı şey Yeni Ufuklar göreviydi. 19 Ocak 2006’da fırlatılan New Horizons, Jüpiter’e en yakın yaklaşımını 28 Şubat 2007’de gerçekleştirdi ve gezegene ulaşması bir yıldan biraz fazla sürdü. Tüm bu görevler bundan sonra da devam etti; Jüpiter’in başka bir yere giderken yanından geçmesinin ne kadar süreceğini belirlemek için mükemmel örnekler.

Kalış süresi uzadıkça yaklaşma yavaşlar

Devasa gezegenin etrafında yörüngeye girip onu her yönden incelemek ve zamanla, hatta belki de uydularından birinin etrafında yörüngeye girmek için (Juice’ta bir “ilk”) biraz enerji kaybetmeniz gerekecek. Bu “yavaşlama”, büyük bir yörünge yerleştirme manevrası için çok fazla yakıt gerektirecektir. Çok fazla yakıtla fırlatmak istemiyorsanız, aktarma süresi 2,5 yıl olan manzaralı rotayı tercih ediyorsunuz.

Burası uzay aracının kütlesinin herhangi bir yere varmak için gereken süreyi belirlemede çok önemli bir faktör olduğunu görüyoruz. Mühendislerin, uzay aracının kütlesini kontrol etmesi, yakıt miktarını, görevini tamamlamak için taşıması gereken aletlerle dengelemesi gerekiyor. Uzay aracının kütlesi ne kadar fazlaysa, o kadar fazla yakıt taşıması gerekir, bu da ağırlığını artırır ve fırlatılmasını zorlaştırır.

Fırlatma roketinin performansı da burada devreye giriyor. Uzay aracının, Dünya’nın yer çekiminden kurtulmak ve dış güneş sistemine doğru yola çıkmak için yeterli hızda fırlatılması gerekiyor. İtme ne kadar iyi olursa yolculuk da o kadar kolay olur.

Juice, 6.000 kg’ın biraz üzerindeki ağırlığıyla şimdiye kadar fırlatılan en ağır gezegenler arası sondalardan biridir ve şimdiye kadar Jüpiter’e uçmuş en geniş bilimsel alet paketine sahiptir. Ariane 5 ağır kaldırma roketinin devasa desteği bile Juice’u birkaç yıl içinde oraya doğrudan göndermeye yetmedi.

Bu nedenle, Juice ve Europa Clipper gibi veya geçmişteki Galileo ve Juno gibi görevler, ekstra hız kazanmak için “yerçekimi desteği” veya “yakından geçme” manevralarından yararlanmak zorunda. Roket ne kadar güçlü olursa transfer o kadar kısa olur.

Güneş sistemi ile enerji ticareti

Güneş sisteminin kenarında bulunan Plüton, en içteki gezegen olan Merkür’den çok daha büyük bir yörüngede hareket eder. Plüton güneşe göre daha yavaş hareket etse de yörünge enerjisi Merkür’ünkinden çok çok daha fazladır.

Bir uzay aracını başka bir gezegenin yörüngesine oturtmak için onun yörünge enerjisini eşleştirmemiz gerekir. BepiColombo fırlatıldığında yörünge enerjisi Dünya’nınkiyle aynıydı. Güneş sisteminin merkezine yaklaşmak için enerji kaybetmesi gerekiyordu ve bunu komşu gezegenlere yakın uçarak fazla yörünge enerjisini atarak yaptı.

Aynı şey, dış güneş sistemine yolculukta da tersten çalışır. Juice, güneşten daha uzakta, daha büyük bir yörüngeye girmek için Dünya, Venüs ve Mars’tan yörünge enerjisini çalmasına olanak sağlayacak bir yolda.

Gezegenin ve uzay aracının göreceli hareket yönüne bağlı olarak, yerçekimi desteği görevin hızını artırabilir, yavaşlatabilir veya yönünü değiştirebilir. (Uzay aracı da gezegenin yönünü saptırıyor, ama o kadar küçük bir miktar ki önemsiz. Bununla birlikte Newton’un üçüncü hareket yasası korunmuş: “Her etkiye eşit ve zıt bir tepki vardır.”)

Juice, Temmuz 2031’de Jovian sistemindeki randevusu için rotasını belirlemek üzere Dünya, Dünya-ay sistemi ve Venüs’ün yakın geçişlerini kullanacak.

Bıçak sırtında yörünge

ESA’nın uçuş kontrol ekibi için en zorlu kısım, Juice’un nihayet 2031’de Jüpiter’e ulaşması ve Jüpiter’in gezegen sistemi turu sırasında ortaya çıkıyor.

Juice’ın zorlu yörüngesi, Jüpiter’e giderken birden fazla yerçekimi yardımını (ilk Ay-Dünya uçuşu da dahil) ve oraya varıldığında Galileo uyduları Europa, Ganymede ve Callisto’nun etkileyici 35 yakın geçişini içeriyor. Son odak noktamız, Juice’u bizimki dışında bir ayın yörüngesine giren ilk uzay aracı yapan Ganymede olacak.

ESA’nın Almanya’daki görev kontrolündeki ekiplerin denetleyeceği en önemli manevra, Ganymede’in yerçekimi yardımından sadece 13 saat sonra Juice’ın yaklaşık 1 km/s kadar yavaşlaması ve Jüpiter sistemine girmek için “çıkışın yapılması” olacaktır. uzay aracını gaz devinin etrafındaki yörüngeye yerleştirmek.

Başka bir gök cisminin etrafında yörüngeye girmek zordur. Bir uzay aracının mükemmel bir hızla, belirli bir açıdan yaklaşması, ardından tam olarak doğru anda, belirli bir yönde ve doğru boyutta hayati, büyük bir manevra yapması gerekir.

Çok hızlı ya da yavaş, çok sığ ya da dik yaklaşırsanız ya da yanlış zamanda, yanlış miktarda ya da yönde manevra yaparsanız boşlukta kaybolursunuz. Veya yolunuzu düzeltmek için çok fazla, belki de çok fazla yakıt gerektirecek kadar yoldan sapmışsınızdır.

Juice, Jüpiter’in uydularına yaklaşacak ve milyarlarca yıldır tuttukları enerji alışverişini yaparak bu ortamları daha önce hiç olmadığı gibi görebilecek. Ganymede, Callisto veya Europa’nın donmuş okyanuslarının altında yaşam olabilir mi? Evrendeki gezegenlerin ve ayların oluşumu hakkında ne öğrenebiliriz? Uçuş dinamiği harikası sayesinde, evrenle enerji alışverişi yaparak bunu yakında öğreneceğiz.