Por que uma missão espacial não pode voar a qualquer momento: O que é uma janela de lançamento?

Por que a espaçonave não pode ser lançada a qualquer momento? O que é uma plataforma de lançamento? Você aprenderá sobre tudo isso em nosso artigo.

Missão Ártemis I

A importância da missão Artemis I para a humanidade é frequentemente comparada ao voo da Apollo 8 em 1968, quando o homem conseguiu alcançar a órbita da Lua pela primeira vez na história. Mas naquela época, um vôo bem-sucedido à Lua deveria ser, antes de tudo, uma vitória no confronto político e tecnológico entre os EUA e a URSS, a ciência estava em segundo plano. É claro que o programa Apollo foi um grande sucesso, porque uma pessoa que deixou a Terra a bordo do primeiro avião há apenas algumas décadas superou a gravidade da Terra e se viu na órbita de outro corpo celeste.

Quase não se falava do componente econômico naquela época. Mas seis décadas depois, são precisamente os benefícios econômicos da exploração dos recursos lunares que levam o homem a "retornar" à Lua. Se a única razão para tais missões fosse plantar a bandeira de seu país na superfície da lua, o que, é claro, a princípio as pessoas podiam perceber como tal, me pergunto se recursos tão enormes estariam envolvidos agora. Afinal, há problemas muito mais sérios na Terra agora. Mas a corrida espacial continua, e as vantagens aqui serão muito importantes, inclusive econômicas.

Ou seja, o cancelamento do lançamento da missão Artemis I em 29 de agosto acarreta prejuízos econômicos e financeiros. Parece que eles não lançaram no dia 29, então poderiam ter lançado em 30 ou 31 de agosto, mas adiaram para 3 de setembro. Tenho certeza de que muitos de vocês não entendem por que essa data em particular foi escolhida. Estão falando de algumas janelas de partida, de condições favoráveis ​​para o lançamento. Vamos descobrir.

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Requisitos rigorosos sobre a data de início da missão

A janela de lançamento em questão é uma condição imposta pela natureza e limitações tecnológicas, condição que deve ser levada em consideração durante o lançamento de todo objeto espacial. Para os aviões, uma janela de partida é majoritariamente opcional, mas devido ao tráfego aéreo intenso, eles também decolam em um determinado horário, ou seja, de acordo com o cronograma. Se não houvesse tal restrição, o avião poderia decolar e pousar quando quisesse. Mas os voos no espaço aéreo devem ser ordenados. Isso se aplica apenas ao espaço aéreo da Terra, onde há décadas há corredores aéreos condicionais para a aviação civil.

Um foguete carregando uma nave espacial poderia teoricamente fazer isso também, mas o suprimento limitado de combustível impede isso. O mesmo através do qual sim é difícil voltar à Terra. Por enquanto, podemos voar em uma trajetória cuidadosamente calculada apenas se pudermos combinar as posições dos planetas ou da Lua com a Terra. Qualquer desvio requer reservas de combustível em excesso, mas no espaço elas não podem ser coletadas como bônus em um jogo de arcade.

É por isso que os voos para Marte até agora só acontecem em intervalos de dois anos, quando sua posição no final do caminho de uma sonda ou outro dispositivo será favorável para o desempenho das tarefas. No caso de missões que ultrapassam os limites do Sistema Solar, as trajetórias de voo podem ser muito mais complicadas, pois também deve ser levado em conta o efeito da gravidade de outros planetas na trajetória de voo planejada. Por exemplo, durante o vôo da Voyager para os limites do Sistema Solar, a aceleração devido à gravidade de Vênus foi levada em consideração, e a nave da New Horizons foi afetada da mesma forma pela gravidade de Júpiter. Porque o combustível ainda é um recurso escasso no espaço, e as tecnologias de motores baseadas em sua combustão ainda são muito primitivas. Sim, alguém mencionará os painéis espaciais que ajudam as sondas a usar o vento cósmico para se impulsionar, mas são as sondas, não a espaçonave, que precisam de combustível para entrar em órbita e voltar à Terra. E você precisa muito disso.

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O que são launchpads para inicialização?

Imagine que você está no centro de um estádio de atletismo e quer conhecer um dos atletas correndo em uma esteira. Podemos tentar alcançá-lo, mas para isso precisamos correr mais rápido que ele e gastaremos muita energia. É muito mais razoável calcular quando o corredor estará na posição mais vantajosa, para que possa ser interceptado e no momento certo ir ao seu encontro. Os cálculos devem ser precisos para que não cheguemos muito cedo ou muito tarde. O momento ideal para começar a se mover é a nossa janela inicial.

O mesmo se aplica às missões espaciais. Uma janela de lançamento é simplesmente o período durante o qual uma espaçonave pode atingir um ponto especificado no espaço em um determinado momento. Ao mesmo tempo, as capacidades de potência do foguete e a trajetória do objeto espacial com o qual o aparelho deve se encontrar são levadas em consideração. Portanto, as janelas são diferentes para diferentes missões. Por exemplo, para uma missão a Marte, a janela de lançamento abre a cada 780 dias. Mas para o lançamento da "Voyager-2", cujo objetivo são planetas como Júpiter, Saturno, Urano e Netuno, eles usaram uma janela de oportunidade que aparece apenas uma vez a cada 175 anos. Por outro lado, temos o exemplo da missão Rosetta, que originalmente pretendia estudar o cometa 46P/Wirtanen, mas essa oportunidade foi perdida devido a um atraso no lançamento, então um novo alvo foi escolhido para a missão, o cometa 67P/Churyumova -Gerasimenko.

Mais resumidamente, a janela de lançamento de lançamento é o intervalo de tempo, calculado a partir de cálculos de mecânica orbital, durante o qual uma determinada espaçonave pode decolar e chegar com sucesso ao seu destino final. Claro, levando em consideração a trajetória de voo planejada e a massa do combustível necessário. Portanto, a janela inicial requer uma localização favorável dos corpos celestes, cuja gravidade afeta significativamente o movimento do veículo.

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Quatro fatores que afetam a janela de inicialização

Existem quatro fatores que influenciam a escolha da janela de lançamento para o lançamento de qualquer missão espacial, incluindo Artemis I. Eles estão tão intimamente relacionados entre si que uma discrepância em um dos fatores anula instantaneamente o efeito dos outros.

Órbitas e inclinações

Por exemplo, o Discovery precisa entregar uma carga importante para a ISS. Primeiro, os cientistas devem considerar duas trajetórias diferentes: a trajetória do próprio ônibus espacial e a da Estação Espacial Internacional. Os cientistas precisam garantir que as duas órbitas se encontrem definitivamente, já que o objetivo dessa missão é entregar os suprimentos necessários à estação espacial. Para fazer isso, eles calculam o plano da órbita da estação, uma folha imaginária que corta a Terra e mantém a estação espacial em sua borda.

Quando a Terra e a estação espacial se movem, o plano convencional que as conecta também se move. Os cientistas devem encontrar o momento em que a borda da Terra cruza a plataforma de lançamento do Centro Espacial Kennedy, na Flórida, de onde a nave deve ser lançada. Eles não podem perder mais de um grau. A Terra gira 1 grau em cinco minutos, então o lançamento deve ocorrer exatamente dentro desses cinco minutos.

Além disso, o lançamento deve ocorrer quando a estação espacial estiver indo do sul para o norte. Isso se deve ao fato de que o ônibus espacial deve ultrapassar com sucesso a estação e, ao mesmo tempo, descartar seu tanque de combustível externo de 15 andares sobre o oceano, onde não representa uma ameaça para os seres humanos. O oceano fica no nordeste, então o lançamento do Discovery deve esperar até que a estação espacial se mova para o norte. Isso deixa o ônibus espacial com uma janela de lançamento de cinco minutos por dia.

Quanto à missão Artemis I, é ainda mais interessante aqui. A NASA quer colocar Orion em uma órbita muito retrógrada ao redor da Lua. Esta é uma órbita muito estável com dois pontos de Lagrange. Ao mesmo tempo, o aparelho se move ao redor da Terra na direção oposta da Lua. Até agora, esta órbita foi utilizada por apenas um dispositivo - o chinês Chang'e 5. Para entrar nesta órbita, é necessário ligar os motores que irão entregar o dispositivo à Lua no momento e hora certos. Essa manobra é chamada de TLI (Trans-Lunar Injection), e a precisão de sua execução é extremamente importante. Esse é um elemento a ser considerado ao calcular a janela de inicialização.

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"Precessão" move a janela

Além disso, não se deve esquecer o fenômeno da precessão. Você vê a precessão toda vez que a criança começa a girar o topo do gabarito. Primeiro, seu eixo de rotação faz um círculo no ar na direção oposta à rotação, inclinando o topo primeiro em uma direção, depois na outra.

A Terra executa uma versão em câmera lenta dessa dança enquanto orbita o Sol, e os satélites feitos pelo homem fazem o mesmo ao orbitar a Terra.

Existe uma fórmula que permite aos cientistas da NASA calcular o quanto o satélite vai oscilar. Adicione o número de revoluções que o satélite faz por dia, o tamanho e a excentricidade da órbita e a inclinação, e você tem as oscilações. Para a Estação Espacial Internacional, esses números dão um valor de quase 5 graus por dia, o que equivale a cerca de 20 minutos da rotação diária da Terra.

Isso também se aplica à lua e outros planetas do sistema solar. Essas flutuações exigem um cálculo preciso, caso contrário, qualquer ajuste requer consumo excessivo de combustível e perda da trajetória desejada.

Condições meteorológicas no lançamento

Ouvimos de vez em quando que o lançamento do foguete foi cancelado porque havia condições climáticas desfavoráveis. Sim, a natureza não precisa esperar por nós, sempre há alguns fenômenos climáticos na superfície da Terra, como tempestades, trovoadas, tempestades de areia, tempestades de neve, etc.

Os meteorologistas da agência espacial fazem malabarismos como profissionais que rastreiam cobertura de nuvens, direção e velocidade do vento, além de tempestades e outros eventos adversos em seis locais diferentes ao longo de 13 dias. Eles aprovam a decolagem apenas se o foguete não for potencialmente pego em uma tempestade ou tempestade de areia, por exemplo.

Condições de iluminação

A janela de lançamento deve permitir uma boa iluminação para todas as câmeras para que a equipe de controle de voo possa ver como todos os sistemas e configurações da nave estão funcionando, ajudando a garantir a segurança da tripulação da missão espacial.

Por exemplo, de acordo com as regras da NASA, Orion não pode ficar na sombra por mais de 90 minutos de cada vez. Porque precisa de luz solar para os painéis e para manter a temperatura ideal do aparelho.

Além disso, existem outros fatores relacionados ao processo de pouso, durante o qual Orion deve entrar nas camadas superiores da atmosfera da Terra, depois deixá-las por um momento e, novamente, já finalmente, mergulhar na atmosfera. No entanto, para isso, o dispositivo deve atingir a trajetória adequada em relação à Terra no tempo. O último aspecto a considerar é o tempo de pouso. Orion está programado para pousar no oceano durante o dia para tornar mais fácil para as equipes em espera encontrar e recuperar a cápsula.

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O lançamento não ocorre a partir de uma plataforma de lançamento estacionária. O alvo também está em constante movimento

Vamos falar mais detalhadamente sobre alguns dos detalhes que precisam ser considerados para o lançamento da missão Artemis I, que pode ser lançada ainda esta noite.

A lua está perto da Terra e provavelmente não deve haver grandes problemas aqui. Bem, infelizmente, existe, entre outras coisas, o movimento do nosso planeta e da Lua. Nosso satélite não apenas gira em torno de seu eixo a uma velocidade de cerca de 0,5 km/s no equador, mas também gira em torno do Sol em uma órbita quase circular a uma velocidade de 30 km/s. Também deve ser levado em consideração que a velocidade do movimento da Terra é adicionada à velocidade inicial do próprio veículo.

Além disso, a posição do Sol e da Lua em relação à órbita da Terra está mudando constantemente, isso também deve ser levado em consideração. Assim, com o mesmo consumo de energia/combustível, um lançamento da Terra para a Lua pode levar a um resultado diferente dependendo do momento desse lançamento.

Em teoria, podemos construir uma nave espacial que seja poderosa o suficiente para voar até a lua todos os dias. E talvez seja assim no futuro. No entanto, por enquanto, o sucesso da missão Artemis I requer uma seleção cuidadosa do tempo de lançamento da Terra, o que permitirá que Orion se mova para a Lua e depois entre na órbita planejada em torno do nosso satélite. Mesmo que o lançamento esteja dentro do cronograma, um atraso de vários dias pode causar mudanças significativas na duração da missão.

Atualmente, dependendo do tempo de lançamento, a missão Artemis I pode durar entre 26 a 28 dias ou 38 a 42 dias. Prevemos que esta missão será mais longa, pois Orion completa 1,5 voltas ao redor da Lua em sua órbita retrógrada. Se a opção mais curta for considerada, e a saída para a órbita lunar ocorrer em um momento diferente, Orion fará apenas 1 revolução ao redor da Lua antes de iniciar seu retorno à Terra.

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Futuras datas de lançamento do Artemis I são possíveis

A atual janela de lançamento do foguete SLS e sua carga útil, que atende aos critérios da missão, será de 2 a 6 de setembro. Já se sabe que a NASA escolheu a data mais próxima para o lançamento da missão Artemis I - 3 de setembro de 2022 entre 21h17 e 23h17, horário de Kyiv. Cada dia subsequente também tem um determinado horário em que o início é possível. Se você não decolar nesse período, as seguintes janelas de lançamento aparecerão:

• de 20 a 28 de setembro
• de 30 de setembro a 4 de outubro
• de 17 a 23 de outubro
• 27 de outubro
• de 29 a 31 de outubro
• e assim por diante…

Só podemos esperar e torcer para que o lançamento bem-sucedido da histórica missão Artemis I ocorra em breve.

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