Εκτόξευση διαστημόπλοιου με …το κανόνι του Ιουλίου Βερν

Σε μία ανάρτηση του Ανδρέα σχετική με την ταχύτητα διαφυγής από το βαρυτικό πεδίο της γης(δεύτερη κοσμική ταχύτητα) υ_δ = 11,2 km/s και την ταχύτητα διαφυγής από τα βαρυτικά πεδία γης και ήλιου και έξοδος από το ηλιακό σύστημα(τρίτη κοσμική ταχύτητα) υ_Δ = 16,6 km/s, έγινε αναφορά από τον Ανδρέα στο γεγονός ότι ένα διαστημόπλοιο αν προωθείται κατάλληλα  συνεχώς μπορεί να βγει από το πεδίο βαρύτητας της γης με πολύ μικρή ταχύτητα, αλλιώς χρειαζόμεστε εκτόξευση με …ενα ελατήριο ή ηλεκτρομαγνητικό κανόνι. Σε σχόλιο ο Μάργαρης έγραψε το εξής επικό για να δείξει το αδύνατον της εκτόξευσης με υ_δ = 11,2 km/s ή 16,6 km/s :  “…είναι η διάκριση μεταξύ εκτόξευσης και συνεχούς πρόωσης. Δεν είναι καθόλου ξεκάθαρο για τον μαθητή και πρέπει να γίνει φανερό, ότι όταν μιλάμε για ταχύτητα διαφυγής, αυτή είναι υποθετική (θεωρητική) ταχύτητα. Κανένα κανόνι δεν πρόκειται να πραγματοποιήσει την παραπάνω εκτόξευση (εκτός και αν μιλάμε για Ιούλιο Βερν)…” 

Είπα λοιπόν να δώσω ένα πραγματικό παράδειγμα με την εκτόξευση του διαστημόπλοιου New Horizon(κύρια εικόνα της ανάρτησης) της NASA. Μία ιστορική αποστολή στη μεταποσειδώνεια ζώνη με πολλές πρωτιές. Αν διαβάσουμε επιπόλαια την εκτόξευση του διαστημόπλοιου από τον ATLAS V θα δούμε ” Είναι το πρώτο διαστημόπλοιο που εκτοξεύτηκε απευθείας σε τροχιά διαφυγής από τη βαρύτητα της γης και του ήλιου με ταχύτητα 16,26 km/s”. Όπως συμβαίνει συνήθως με τη NASA οι ανακοινώσεις της με αυστηρά επιστημονικά κριτήρια θέλουν αποκρυπτογράφιση, έχουν έναν δικό τους κώδικα επικοινωνίας πχ λένε ώθηση και εννοούν δύναμη, λένε ταχύτητα όπως θα δούμε και πιό κάτω και δε διευκρινίζουν αν είναι ως προς τη γη ή τον ήλιο.

Όταν στη NASA λένε ότι το διαστημόπλοιο New Horizon (και κάθε διαστημόπλοιο)εκτοξεύτηκε με 16,26 km/s, σαν εκτόξευση θεωρούν την τελική φάση και ενώ ο πύραυλος κινείται στην τροχιά Parking με τη πρώτη κοσμική ταχύτητα των 8 km/s. Η τελική πυροδότηση στο περίγειο της τροχιάς parking για μεγαλύτερη αρχική ταχύτητα δίνει την απαιτούμενη τιμή πχ 11,5 km/s για τον Άρη, 13 km/s για το Δία 16,26 km/s για έξοδο από το ηλιακό σύστημα κλπ. Γιατί δεν επιλέγεται η μέθοδος της συνεχούς πρόωσης; Γιατί με την εκτόξευση μέσα σε λίγα λεπτά το σύστημα έχει απαλλαγεί από το 90 % και βάλε του βάρους του ενώ με συνεχή πρόωση θα κουβαλούσε όλο αυτό το φορτίο για πολύ μεγάλες αποστάσεις με μικρά οφέλη σε ταχύτητα και οδυνηρά σε χρόνο. Πρέπει να γίνει σαφές ότι το πρόβλημα της πυραυλικής δεν είναι το ΠΟΣΗ ενέργεια χρειάζεσαι για μία αποστολή. Η ενέργεια που πρέπει να δώσεις πχ σε ένα διαστημόπλοιο μάζας m για να βγεί από το πεδίο βαρύτητας της γης βρέξει χιονίσει είναι 1/2mυ_δ² , η ενέργεια που αποδίδουν τα καύσιμα επίσης είναι δεδομένη. Το πρόβλημα είναι το ΠΩΣ θα τη δώσεις και αυτό καθορίζει η εφιαλτική εξίσωση Tsiolkovsky = εκθετική αύξηση της ποσότητας καυσίμου για κάθε αύξηση της ταχύτητας  => πάρα πολλά αρχικά καύσιμα + μικρό βάρος κατασκευής + καλοί κινητήρες για μεγάλη ταχύτητα εξόδου καυσαερίων + απαλλαγή όσο το δυνατόν συντομότερα βάρους για μεγαλύτερες δυνάμεις. Ένα παράδειγμα συνεχούς πρόωσης έχουμε με το διαστημόπλοιο Dawn που χρησιμοποιήσε για 1000 ώρες συνεχώς τους κινητήρες ιόντων για να πετύχει μία αύξηση ταχήτητας μερικών m/s και μάλιστα στο κενό.

Στο New Horizons τώρα. Ο ATLAS V τέθηκε σε λειτουργία στις 19:00 της 19ης Ιανουαρίου 2006. Σε 253 s εξαντλήθηκαν 284 tn καύσιμα και αποβλήθηκε στα σκουπίδια η κατασκευή 21 tn του πρώτου σταδίου. Ξεκίνησαν αμέσως οι κινητήρες του δεύτερου σταδίου για 5 min 25 s χωρίς να εξαντληθούν τα καύσιμα και ο πύραυλος μπήκε στη χαμηλή τροχιά parking με 8 km/s. H ώρα 19:32 θεωρείται ώρα εκκίνησης της αποστολής καθώς ο πύραυλος θέτει ξανά σε λειτουργία τους κινητήρες του δεύτερου σταδίου και σε 9 min 47 s είχαν αδειάσει 21 tn καυσιμα και πετάχτηκε στα σκουπίδια και η κατασκευή του 2ου σταδίου 2315 kg. Εδώ θα είχαν τελελειώσει όλα για κάθε άλλη αποστολή, για το New Horizons όμως χρειάστηκε ο ATLAS να ενεργοποιήσει άμεσα τους κινητήρες του τρίτου σταδίου(πρωτιά) για 1 min 28 s. Ώρα 7:44  44 λεπτά μετά την πυροδότηση του ATLAS το New Horizon μάζας 478 kg ξεκινάει ένα υπέροχο ταξίδι στις εσχατιές του ηλιακού συστήματος με ταχύτητα NAI πλέον 16,26 km/s ή 58536 km/h.  Με αυτή την μεγάλη ταχύτητα έφτασε στην τροχιά της σελήνης σε 9 h και σε λιγότερο από δύο μέρες περνούσε τη σφαίρα επιρροής της γης με ταχύτητα …42,2 km/s. Εδώ πάλι η NASA δε λέει τίποτα στα επίσημα δελτία τύπου, πως τα 16,26 έγιναν 42,2.  Η αλήθεια όπως έχουμε ήδη πει είναι ότι το διαστημόπλοιο βγήκε απο το πεδίο βαρύτητας της γης με 12,2 km/s, οι ταχύτητες όμως στην ηλιοκεντρική τροχιά μετριούνται προφανώς από τον ήλιο άρα ως προς τον ήλιο 12,2 + 30 = 42,2 km/s. Πλέον από δω και πέρα οι ταχύτητες δίνονται ως προς τον ήλιο. Όταν διαβάζουμε ότι τα δύο Voyager κινούνται στον διαστρικό χώρο με 60.000 km/h αυτή είναι η ταχύτητά τους ως προς τον ήλιο.

Στις 7 Απριλίου 2006 το σκάφος πέρασε από την τροχιά του Άρη με 21 km/s. Στον Δία έφτασε με 19 km/s αλλά μία “γερή” gravity assist αύξησε την ταχύτητά του κατά 4 km/s συντομεύοντας κατά τρία χρόνια το ταξίδι του στον Πλούτωνα όπου έφτασε μετά από 9,5 χρόνια. Την πρωτοχρονιά του 2019 το New Horizon έγραψε ιστορία προσεγγίζοντας την εσχάτη Θούλη έναν αστεροειδή της ζώνης Κάϊπερ, που όμως ονομάστηκε Αροκόθ γιατί το Θούλη παρέπεμπε σε ναζί.