Avagy a fékezés nehezebb lehet, mint az indulás
Tegyük fel, hogy rendelkezésünkre áll egy valóban megépíthető bolygóközi űrhajó. Nincs térhajtóműve, nem képes a fénysebesség közelében repülni, és nem jut korlátlan energiához. Rakétahajtóműveket, véges mennyiségű hajtóanyagot és a Naprendszer égitestjeinek gravitációját használja. Ezzel a technikával valamennyi bolygó elérhető, de az útvonalakat nem lehet egyszerűen két pont közé húzott vonalként megtervezni.
A Föld körülbelül 107 000 kilométer per órás sebességgel kering a Nap körül. A többi bolygó szintén mozog, eltérő sebességgel és eltérő keringési idővel. Egy űrhajót ezért nem oda indítanak, ahol a célbolygó az induláskor tartózkodik, hanem arra a helyre, ahol hónapokkal vagy évekkel később metszeni fogja az űrhajó pályáját.
A bolygóközi navigáció nagyon leegyszerűsítve egy mozgó célpont eltalálása egy másik mozgó járműről. A különbség az, hogy egy kisebb eltérés után rendszerint nincs elegendő hajtóanyag a nagyobb korrekcióhoz. A pályát már az indulás előtt úgy kell kiszámítani, hogy a Nap, a bolygók és az űrhajó mozgása a megfelelő pillanatban találkozzon. És ez nem mágia, hanem maga a tiszta tudomány.
A világűrben a sebesség irányt is jelent
A Föld körüli pálya eléréséhez egy űrhajónak nagyjából 28 000 kilométer per órás oldalirányú sebességre van szüksége. Nem azért marad fenn, mert megszűnik rá hatni a gravitáció: folyamatosan zuhan a Föld felé, közben azonban olyan gyorsan halad oldalra, hogy a bolygó felszíne ugyanilyen gyorsan görbül el alatta (nesze, laposföldesek).
A Föld gravitációs terének elhagyásához további gyorsítás szükséges. A földfelszín közelében a szökési sebesség körülbelül 40 000 kilométer per óra, de egy tényleges küldetésnél a szükséges hajtóműmunka függ a már elért pályától, a repülési iránytól és a választott célponttól.
A Nap körüli térben ugyanez az alapelv működik. Ha az űrhajó a Naphoz képest felgyorsul, magasabb, távolabbi pályára kerülhet. Ha lelassul, pályája a Nap felé süllyed. Egy belső bolygó eléréséhez tehát a Föld Nap körüli keringési sebességének egy részétől kell megszabadulni.
Ez az egyik legfontosabb sajátossága a belső Naprendszerbe vezető utaknak: a Nap felé induló űrhajónak először fékeznie kell. És ez nem is olyan könnyű, mint gondolnánk…
Miért ilyen nehéz elérni a Merkúrt?
A Merkúr földközelség idején néhány tízmillió kilométerre lehet tőlünk, ám a puszta távolság félrevezető. A bolygó átlagosan mindössze 58 millió kilométerre kering a Naptól, és körülbelül 170 000 kilométer per órás pályasebességgel mozog.
A Földről induló űrhajó magával viszi bolygónk Nap körüli sebességét. Ahhoz, hogy a Merkúr pályájához jusson, ennek jelentős részét le kell dolgoznia. Miután pályája befelé fordul, a Nap gravitációja ismét felgyorsítja. Mire eléri a Merkúr térségét, igen nagy sebességgel halad, miközben a bolygó gravitációja túl gyenge ahhoz, hogy önmaga erejéből befogja.
Egy gyors átrepülés néhány hónap alatt megvalósítható. A pályára állás sokkal több energiát követel, mert az űrhajónak el kell veszítenie a Nap felé zuhanás közben megszerzett sebességének nagy részét.
A Mariner–10 1973 novemberében indult, és 1974 márciusában érte el először a Merkúrt. Nem állt bolygó körüli pályára. Három alkalommal repült el mellette, miközben Nap körüli pályán maradt. A küldetés a Vénusz gravitációját is felhasználta útvonalának módosításához, ami akkor új megoldásnak számított a bolygóközi repülésben.
A Merkúr első mesterséges holdja a MESSENGER lett. A szonda 2004 augusztusában indult, majd egy földi, két vénuszi és három merkúri elrepüléssel fokozatosan csökkentette a Naphoz viszonyított pályaenergiáját. Csak 2011 márciusában állt Merkúr körüli pályára. Röpke hét év, amiből láthatjuk, nem egyszerű skalp a Merkúr.
Persze a hosszú út nem technikai malőr eredménye volt: a szonda a bolygók gravitációjával helyettesítette azt a hajtóanyag-mennyiséget, amelyet egy közvetlen fékezés igényelt volna.
Amint a példánkból is látszik, egy emberes vagy nagy tömegű merkúri expedíció menetidejét nem lehet egyetlen biztos számmal megadni. A pályára álló küldetés a hajtóműrendszertől és a bolygók helyzetétől függően több évig tarthat. Az ötéves becslés megfelelő lehet egy fejlettebb, de továbbra is hagyományos technológiára épülő elképzelésben, de nem tekinthető általános menetidőnek. A Merkúr egyáltalán nem éri meg az energiát.
A Vénusz gyorsabban elérhető, de az érkezés kemény feladat
A Vénuszhoz vezető energiatakarékos átmeneti pálya nagyjából három–öt hónapos utazást jelenthet. Az űrhajó itt is csökkenti a Nap körüli sebességét, majd egy belső pályán találkozik a bolygóval.
A könnyebbséget az jelenti, hogy a Vénusz jóval nagyobb a Merkúrnál, ezért erősebb gravitációs tere van. A légköre is rendkívül sűrű: a felszíni nyomás körülbelül kilencvenszerese a földi tengerszinti értéknek. Ez lehetővé teszi, hogy egy űreszköz a légkör felső rétegeiben aerodinamikai fékezést alkalmazzon.
Az aerofékezés során a szonda nem merül mélyen a légkörbe. Olyan magasságban halad át rajta, ahol a gáz már lassítja, de a hőterhelés és a szerkezeti igénybevétel még kezelhető. Több áthaladással fokozatosan csökkenthető a pálya magassága és az űreszköz sebessége.
A közvetlen légköri befogás ennél keményebb manőver lenne, és nagy hővédelmi tartalékot igényelne. Egy nagy, emberes űrhajó esetében a Vénusz sűrű légköre nem automatikusan előny: a fékezéshez használható, ugyanakkor a hőterhelés, a navigációs pontosság és a szerkezeti terhelés komoly korlátokat szabna. Nehéz dió lenne, majdnem lehetetlen, nem várható előny abban a tekintetben, hogy szonda helyett emberes küldetés érkezne a bolygóra. Talán egy légkörben lebegő, léghajószerű egység az, amit ideig-óráig megkímélne a Vénusz zord időjárása.
A Mars felé már gyorsítani kellpál
A Mars a Föld pályáján kívül kering, ezért az űrhajónak növelnie kell Nap körüli pályaenergiáját. A megfelelő irányú gyorsítás hatására a pálya külső része a Mars pályájáig emelkedik.
Az üzemanyaggal takarékos útvonal alapja rendszerint a Hohmann-féle átmeneti pálya. Az indulási lehetőségek körülbelül 26 havonta ismétlődnek, amikor a Föld és a Mars olyan helyzetbe kerül, hogy az űrhajó több hónapos út után a megfelelő ponton találkozhasson a bolygóval.
Egy tipikus marsi utazás hat–kilenc hónapig tart. Rövidebb repülés is lehetséges lenne, de nagyobb indulási gyorsítást és erősebb érkezési fékezést követelne. A gyorsabb út tehát több hajtóanyagot, nagyobb hővédelmet vagy fejlettebb hajtóművet igényel.
Ami nagyon jó, hogy a Mars légköre ritka volta ellenére nem teljesen használhatatlan a fékezéshez. Több marsi szonda alkalmazott aerofékezést, a leszállóegységek pedig hőpajzsot, ejtőernyőt és hajtóműves fékezést kombináltak. A légkör azonban a földinél körülbelül százszor ritkább, ezért egy nagy tömegű űrhajót nem lehet egyszerűen ejtőernyővel biztonságosan lefékezni.
A Mars gravitációja a földinél gyengébb, így a pályára álláshoz pontosan időzített hajtóműves fékezés szükséges. Ha a manőver túl rövid, az űrhajó elrepül a bolygó mellett. Ha túl erős vagy rossz irányú, túl alacsony pályára kerülhet, esetleg beléphet a légkörbe.
A belső utak közös problémája
A Merkúr, a Vénusz és a Mars különböző pályatervezést igényel, de ugyanaz a korlát jelenik meg mindháromnál: az érkezési sebességet el kell veszíteni.
Egy űrhajót felgyorsítani csak a feladat egyik része. A célpont közelében ugyanennyi figyelmet kell fordítani arra, hogy a jármű ne száguldjon tovább a bolygó mellett. A Merkúrnál a Nap gravitációja növeli meg az érkezési sebességet. A Vénusznál a sűrű légkör segítheti a fékezést. A Marsnál a ritka légkör és a gyengébb gravitáció miatt több különböző módszert kell összehangolni.
A bolygóközi repülés során az űrhajó nem a Naprendszer üres terén vág át: egyik Nap körüli pályáról kerül át egy másikra, és minden manőver azt szabályozza, hogy a Nap gravitációja milyen görbét rajzolj ki számára. Tanulság: rossz fékkel ne idulj el a belső bolygók felé.
