Kosmiczne zamki (1964-1971)

0

Ostatnim z serii bezzałogowych pojazdów Mariner był należący do NASA Mariner 10, który opuścił amerykańską wyrzutnię 3 listopada 1973 roku. Sonda ta była pojazdem mającym wykonać bliski przelot (tzw. flyby) w pobliżu planety, jednak w przeciwieństwie do poprzedników nie był to jedyny cel jej lotu. Również w tej samej misji po raz pierwszy chciano zastosować technikę planetarnej asysty grawitacyjnej i dzięki niej udać się do więcej niż jednego celu.

Koncepcję tę jako pierwszy opisał Michael Minovitch w 1961 roku w dokumentach wewnętrznych JPL (Laboratorium Napędu Odrzutowego). Za pomocą wyliczeń matematycznych zademonstrował, że pojazd kosmiczny może przyspieszać lub zwalniać podczas swojego przelotu w pobliżu planety, bez konieczności użycia własnego systemu napędowego. W praktyce funkcjonowanie manewru polegało na przekazaniu energii – oznaczało to, że planeta w bardzo niewielkim stopniu przyspieszy, gdy pojazd zwolni lub zwolni, gdy pojazd zostanie przyspieszony.

Asysta grawitacyjna nie pełniła jednak żadnej istotnej roli w większości planów załogowych lotów na Marsa i Wenus, które powstały w latach 60-tych. Grawitacja planet była stosowana jedynie do zakrzywienia trajektorii sond w kierunku kolejnego celu. W gruncie rzeczy była traktowana nawet jak coś szkodliwego, co przeszkadza, zakrzywiając tory lotów pojazdów kosmicznych co mogłoby spowodować ich zejście z właściwej trajektorii powrotnej, prowadzącej na Ziemię. Pociągałoby to za sobą konieczność użycia systemu napędowego, by wykonywać potrzebne korekty.

Sama koncepcja asysty grawitacyjnej w misji załogowej na Marsa pojawiła się na przełomie 1963/1964 roku, gdy Robert Sohn włączył ją do studium projektu tworzonego przez korporację TRW dla Centrum Badawczego Ames, należącego do NASA. Sohn zaproponował bliski przelot w pobliżu Wenus, aby zmniejszyć prędkość pojazdu do tego stopnia, by mógł on bezpiecznie wejść w ziemską atmosferę. Jego obliczenia wskazywały, że pojazd kosmiczny powracający z Marsa w 1975 roku byłby w stanie zredukować swoją prędkość wejścia z 20,200 m/s do bardziej znośnych 14,000 m/s, jedynie dzięki przejściu w odległości 3,300 km od pogrążonej w mroku, nocnej strony Wenus – wszystko bez użycia systemu napędowego. Obliczenia wskazywały również, że pojazd lecący na Marsa, który wykorzystałby przelot w pobliżu Wenus w 1973 roku mógłby skorzystać także z korzystnej opcji powrotu na Ziemię o mniejszej prędkości. Sohn odkrył, że każdemu oknu startowemu pozwalającemu na przelot w pobliżu Wenus, towarzyszy okno transferowe na Marsa. Dzięki temu przeloty w pobliżu Wenus stały się standardowym elementem wszystkich kolejnych, planowanych załogowych misji na Marsa.

W tym samym czasie koncepcja asysty grawitacyjnej była badana przez Waltera Hollistera z MIT, choć szybko skierowała go w kierunku innego jej zastosowania. Zainteresowanie Hollistera wzbudziły wokółsłoneczne orbity „okresowe”, na których pojazd kosmiczny mógłby utrzymywać się w zasadzie bez końca, wykorzystując jedynie bliskie przeloty w pobliżu dwóch lub więcej planet oraz drobne korekty kursu, wymagające użycia systemu napędowego.

W styczniu 1967 roku, już jako świeżo upieczony profesor MIT, Hollister wysłał pracę do czasopisma Astronautica Acta, w której zaproponował „odważną koncepcję eksploracji międzyplanetarnej”. Tłumaczył w niej, że…

…zazwyczaj koncepcja załogowego lotu międzyplanetarnego zakłada wysokie koszta [oraz]długotrwałą podróż. Koszt jest mniej więcej proporcjonalny do początkowej masy [pojazdu kosmicznego]na orbicie okołoziemskiej… Każda próba znacznego skrócenia czasu przelotu [przez zużycie dodatkowej ilości propellantu]powoduje dalszy, wykładniczy wzrost tej masy oraz kosztów. Oba te problemy można rozwiązać dzięki użyciu niezwykle luksusowego pojazdu kosmicznego, który mógłby być użytkowany przez stulecia. Początkowy koszt jest wtedy wysoki, ale średni koszt jest niski, ponieważ pojazd jest wykorzystywany wielokrotnie. Czas podróży pozostaje ten sam, ale przykrość związana z długim lotem jest niwelowana przez przyjemne środowisko w którym załoga może żyć. Ziemia jest w istocie wielkim statkiem kosmicznym przemierzającym przestrzeń międzyplanetarną i najczęściej słyszaną skargą jest fakt, że nasza podróż nie trwa dostatecznie długo… Podstawowym założeniem jest więc budowa pojazdów kosmicznych, które byłyby luksusowymi i wytrzymałymi schronami[:] dosłownie, zamkami w kosmosie.

Hollister tłumaczy, że określenie okresowych orbit dla Marsa było trudne, ponieważ posiada on jedynie jedną dziesiątą masy Ziemi. Oznaczało to, że pojazd kosmiczny musi przejść bardzo blisko tej planety, by grawitacja zakrzywiła jego trajektorię i spowodowała zmianę jego prędkości. Zamiast tego Hollister postanowił określić orbity okresowe dla Wenus, która posiada masę wynoszącą aż 0,8 Ziemskiej. Jak sam pisał, to ćwiczenie umożliwia „wykazanie (choć nie udowodnienie)”, że koncepcja orbit periodycznych mogłaby teoretycznie zostać rozszerzona do Marsa.

Propozycją Hollister’a był „Prom Ziemsko-Wenusjański” (Earth-Wenus Shuttle), system transportowy złożony z dwóch dużych statków kosmicznych. Każdy pojazd wykonywałby 4,2 orbity wokół Słońca, gdy w tym samym czasie Ziemia wykonałaby 3,2 orbity, a Wenus 5,2 orbity. Przeloty w pobliżu tych dwóch planet z użyciem asyst grawitacyjnych zostałyby tak ustalone, że gdy jeden statek będzie w drodze do Wenus, drugi będzie wracał na Ziemię. Dystans dzielący pojazd od Ziemi wyniósłby około 16,000 km, w przypadku Wenus byłby mniejszy – wynosiłby około 8450 km.

Hollister prześledził pojedynczy cykl przelotów pojazdu kosmicznego poruszającego się po orbicie okresowej w jej pełnym wymiarze. Rozpoczynała się ona od asysty w polu grawitacyjnym Wenus, dzięki której znalazłby się on na orbicie o okresie obiegu równym wenusjańskiemu, ale o pewnym nachyleniu (inklinacji) w stosunku do orbity tej planety. Pół orbity później, statek ponownie znalazłby się w pobliżu Wenus, by tym razem wejść na orbitę eliptyczną, jednak ponownie posiadającą taki sam okres orbitalny jak bliźniaczka Ziemi. Kolejne spotkanie z tą planetą miałoby miejsce po wykonaniu przez nią jednego, pełnego obrotu wokół Słońca i zostało by wykorzystane przez pojazd do ponownego wejścia na orbitę kołową nachyloną względem Wenus, o takim samym okresie obiegu. Pół orbity później znalazłby się po raz czwarty w pobliżu planety. W tym czasie otworzyłoby się okno startowe, umożliwiające lot na Ziemię – pojazd wykorzystałby zatem ten przelot do zakrzywienia swojej trajektorii i udania się w kierunku naszej planety.

W czasie, gdy pojazd kosmiczny będzie rozpoczynał swój lot powrotny z Wenus, niewielkie, załogowe promy kosmiczne wystartowałyby z tej planety, by zacumować do kosmicznego „zamku” i w ten sposób odbyć podróż na Ziemię wraz z nim. Hollister, gdy przedstawił tę metodę transportu załogi,  zacytował fragment z opracowania R. Titus’a z roku 1966 na temat Metody Eksploracji Opartej o Przelot i Lądowanie (Flyby-Landing Excursion Mode – FLEM), w której autor proponował wysłanie załogowego lądownika z załogowego pojazdu, mającego dokonać przelotu w pobliżu Marsa.

W pobliżu Ziemi promy kosmiczne odłączyłyby się, by przenieść pasażerów na jej powierzchnię. W tym samym czasie pojazd kosmiczny poruszający się po orbicie okresowej wykorzystałby asystę grawitacyjną Ziemi, by wejść na nachyloną orbitę wokółsłoneczną o tym samym okresie obiegu co nasza planeta. Hollister zaproponował wykorzystanie automatycznych pojazdów towarowych, napędzanych elektrycznie (o napędzie jonowym lub plazmowym), które dostarczyłyby zaopatrzenie do kosmicznego „zamku”, w czasie gdy będzie on przebywał na tej tymczasowej orbicie.

Rok później, pojazd kosmiczny powróciłby w pobliże Ziemi i ponownie wykorzystałby jej grawitację do zmiany swojej orbity – tym razem aby skierować się na trajektorię wiodącą w kierunku Wenus. Podczas tego przelotu promy kosmiczne startujące z Ziemi zacumowałyby do statku kosmicznego, dzięki czemu pasażerowie mogliby ponownie polecieć wraz z nim. Następnie cały cykl uległ by powtórzeniu.

Hollister skierował swoją pracę do publikacji w styczniu 1967 roku, ale pojawiła się on na łamach czasopisma Astronautica Acta dopiero w kwietniu 1969 roku. Opóźnienie to spowodowało, że to Minovitch stał się pierwszym, który publicznie opisał podobną koncepcję, którą sam nazywał „Międzyplanetarnymi Sieciami Transportowymi (Interplanetary Transportation Networks)”. W maju 1967 roku, na stosunkowo mało istotnej konferencji opisał on „gigantyczne liniowce kosmiczne”, zdolne do przenoszenia „setek ludzi przy  zachowaniu pełnego bezpieczeństwa i komfortu przez wiele miesięcy”.

Minovitch zauważył, że im większą masę będzie posiadał taki kosmiczny liniowiec, tym bardziej efektywny stanie się manewr asysty grawitacyjnej, gdy pojazd przeleci w pobliżu planety. Jego typowy statek transportowy  miał mieć kształt torusa lub sfery o średnicy od 100 do 1000 metrów, który obracając się wytwarzałby sztuczną grawitację, odczuwalną przez pasażerów na jego pokładzie. Jak sam pisał, taki pojazd kosmiczny „umożliwiłby zwykłym ludziom odbycie podróży z jednego ciała kosmicznego na inne w skali adekwatnej do rozpoczęcia kolonizacji”.

Same kosmiczne liniowce zostałyby zbudowane w „ogromnych orbitalnych ‘stoczniach’, wyposażonych we wszystkie instalacje potrzebne do podtrzymania setek prac konstrukcyjnych”. „Gigantyczne silniki nuklearne” umożliwiłyby rozpoczęcie przez liniowiec jego „niekończącej się podróży” pośród planet, po czym sam system napędowy powróciłby na Ziemię, by móc zostać wykorzystany ponownie. Transport pasażerów na statki i z powrotem, umożliwiłyby pięćdziesięcioosobowe moduły, zdolne do cumowania.

Tam gdzie Hollister poszukiwał okresowych okien umożliwiających relatywnie krótki lot z Wenus do Ziemi i odwrotnie, Minovitch opowiadał się za bardziej siłowym rozwiązaniem. Zaprezentował kilka przykładowych trajektorii dla swoich liniowców. Żadna nie zawierała jednak scenariusza, w którym dochodziłoby do wielu spotkań z pojedynczą planetą, dzięki czemu możliwe byłoby oczekiwanie na kolejne dogodne okno startowe do następnej planety, leżącej na drodze pojazdu.

Minovitch odkrył, że liniowiec opuszczający Ziemię 14 maja 1975 roku, mógłby skorzystać z manewru asysty grawitacyjnej Wenus w dniu 23 października 1975 roku, aby znaleźć się w pobliżu Ziemi 26 lipca 1976 roku. Ten przelot w pobliżu naszej planety został by również wykorzystany do zakrzywienia orbity pojazdu i skierowania go w kierunku Wenus, gdzie znalazłby się on niemal dokładnie rok później. Tym razem jednak statek kosmiczny zmieniłby trajektorię lotu i skierował się na Marsa, z którym spotkałby się po około 14 miesiącach lotu, 30 listopada 1978 roku. Następnie pojazd po raz czwarty skorzystałby z asysty grawitacyjnej i udałby się w kierunku Ziemi, obok której przeleciałby 20 miesięcy później, 29 lipca 1980 roku.

W wielu przypadkach podejście Minovitch’a zdawało egzamin dla długich podróży pomiędzy planetami. Zwracał on jednak uwagę na fakt, że inne liniowce w jego rozległej sieci transportowej przemieszczałyby się po odmiennych orbitach, dzięki czemu powstałoby wiele możliwości skrócenia czasu podróży. Pasażerowie musieliby jedynie opuścić pokład jednego pojazdu kosmicznego i poczekać kilka tygodni na planecie do przybycia kolejnego liniowca, który akurat kierowałby się do celu ich podróży.

Choć plan Minovitch’a był ogromnym wyzwaniem, posiadał jednak pewną przewagę nad koncepcją przedstawioną przez Hollister’a, ponieważ z całą pewnością umożliwiał lot pomiędzy Ziemią a Marsem. Jednak w 1969 roku, jeden ze studentów doktoranckich Hollister’a – Charles Rall – zastosował nowe metody obliczeń i ulepszone komputery, dzięki czemu udowodnił, że także metoda Hoolister’a umożliwia takie podróże. Odkrył również, że do utworzenia systemu transportowego, łączącego Ziemię z Marsem wystarczą już zaledwie cztery pojazdy kosmiczne używane przez wiele lat, poruszające się po orbitach okresowych.

W pracy naukowej opublikowanej w styczniu 1971 roku, Hollister i Rall opisali kilka obiecujących orbit okresowych dla układu Ziemia-Mars. W systemie opartym o cztery statki kosmiczne, każdy z nich powtarzałby swoją orbitę okresową co 3120 dni (około 8,5 roku). Odpowiednie rozłożenie w czasie wszystkich przelotów umożliwiłoby wykonywanie krótkich (trwających 148 dni) podróży z Ziemi na Marsa co każde 26 miesięcy. W momencie, gdy jeden z pojazdów kierowałby się na Czerwoną Planetę, inny właśnie rozpoczynałby podróż w stronę Ziemi. W międzyczasie dwa pozostałe statki kosmiczne znajdowałyby się na orbitach wokółsłonecznych z dala od obu planet. Po znalezieniu się w pobliżu Ziemi, pasażerowie opuściliby pokład, a sam pojazd wszedłby na eliptyczną orbitę okołosłoneczną. Po około 500 dniach ponownie przeleciałby w pobliżu Ziemi – tym razem zabierając nowych pasażerów i rozpocząłby 148-dniową podróż na Marsa.

Po tym jak pasażerowie opuściliby jego pokład w trakcie przelotu w pobliżu Czerwonej Planety, pojazd znalazłby się w aphelium swojej orbity wewnątrz Pasa Planetoid w odległości nieco ponad 2 AU od Słońca, a następnie udałby się z powrotem na Ziemię. Podróż z Marsa na naszą planetę zajęłaby mu 622 dni, po czym przez kolejne 1000 dni statek kosmiczny pozostawałby w pobliżu orbity Ziemi, wykorzystując do tego cztery manewry asyst grawitacyjnych, przy czym ostatni skierowałaby go 622-dniową trajektorię wiodącą z powrotem do Pasa Planetoid. Wracając, pojazd przeleciałby w pobliżu Marsa, zabierając pasażerów i rozpoczynając tym samym 148-dniową podróż na Ziemię, gdzie cały cykl trwający 3120 dni rozpocząłby się od nowa.

Mariner 10 przeleciał w pobliżu Wenus 5 lutego 1974 roku. Pojazd zbliżył się do planety od jej nocnej strony i opuścił ją po stronie dziennej, zbliżając się na odległość około 5700 kilometrów od szczytów wenusjańskich chmur, oświetlonych przez Słońce. Manewr spowolnił statek kosmiczny i zakrzywił jego orbitę bez konieczności użycia systemu napędowego pojazdu, bezpośrednio udowadniając tym samym założenia Minovitch’a, Sohn’a, Hollister’a oraz ich kolegów. W tym samym czasie Wenus przyspieszyła o niewyobrażalnie małą wartość. 29 marca 1974 roku Mariner 10 przeleciał w pobliżu Merkurego – w trakcie zbierania danych naukowych tej nie badanej wcześniej przez  żadną sondę kosmiczną planety, ponownie wykorzystano grawitację – tym razem by przyspieszyć i skierować pojazd na kurs, pozwalający wykonać kolejny bliski przelot w dniu 21 września 1974 roku. Drugie spotkanie z Merkurym było pierwszym przypadkiem, by pojazd międzyplanetarny odwiedził ten sam obiekt kosmiczny. Także ten przelot  wykorzystano do zmiany trajektorii Marinera 10, by umożliwić mu trzecie i ostatnie spotkanie z Merkurym w dniu 16 marca 1975 roku.

Misja zakończyła się po wyczerpaniu zapasu azotu, wykorzystywanego w systemie silniczków kontrolujących położenie sondy – wówczas z Ziemi wysłano polecenie wyłączenia systemu komunikacyjnego pojazdu kosmicznego. Przypuszczalnie do tej chwili znajduje się on na orbicie wokółsłonecznej, choć jego systemy elektroniczne prawdopodobnie uległy zniszczeniu w wyniku długotrwałego oddziaływania promieniowania słonecznego.

David S.F. Portree
Beyond Apollo blog

Na podstawie:

“Venus Swingby Mode for Manned Mars Missions,” Robert Sohn, Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 1, No. 6, September-October 1964, pp. 565-567.

“Manned Mars Trips Using Venus Swingby Modes,” Robert Sohn, AIAA/NASA Third Manned Space Flight Meeting, November 4-6, 1964.

“A Chance for an Early Manned Mars Mission,” Robert Sohn, Astronautics & Aeronautics, May 1965, pp. 28-33.

“Manned Mars Trips Using Venus Swingby Modes,” Robert Sohn, Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 3, No. 2, February 1966, pp. 161-169.

“Gravity Thrust and Interplanetary Transportation Networks,” Michael Minovitch; paper presented at the AAS Symposium on Use of Space Systems for Planetary Geology and Geophysics in Boston, Massachusetts, May 25-27, 1967.

“Castles in Space,” Walter M. Hollister, Astronautica Acta, Vol. 14, April 1969, pp. 311-316.

“Free-Fall Periodic Orbits Connecting Earth and Mars,” AIAA Paper No. 71-92, Charles S. Rall and Walter M. Hollister; paper presented at the AIAA 9th Aerospace Sciences Meeting in New York, New York, January 25-27, 1971.

Wizja artystyczna Marinera 10 (NASA)

Share.

Comments are closed.