Jag gick och letade efter ExoMars-sonden och fann sanningen om rymdvägarna

Den europeiska rymdorganisationens ExoMars rymdfarkoster går för närvarande på en himmelsk motorväg, åtta dagar i sin sju månaders resa till Red Planet. Vi vet att det kommer att landa på Mars den 19 oktober, men var kommer det att ligga på en månad? Eller den fjärde juli? Dess läge verkade beräknas för mig.Med tanke på rymdfarkostens accelerationstid, krysshastighet och avstånd från Mars vid lanseringen, tänkte jag att jag kunde krossa några siffror. Detta var - jag vet nu - ren hubris. Raketvetenskap är en kulturell touchstone, en cliché även, av en anledning.

Jag hittade det här medan jag försökte hitta en rymdfarkost.

Rymdvägarna är inte som terrestriska vägar, Michael Khan, Ph.D., en celestialmekanikerexpert vid ESA: s Mission Analysis Office, förklarade när jag bad om hans råd om att hitta ExoMars. Om det finns en sak att tänka på, säger han, det är detta: Det finns inga raka linjer i rymden. I ett vackert skrivet e-post förklarade han varför vi alla måste lära oss att köra på en kurva - och varför rymdresorens framtid är oändligt mer komplicerad än vi tror.

I stället för att försöka sammanfatta sin förklaring kommer jag att klistra in den nedan eftersom den är vacker.

Jag är rädd för himmelska mekaniker, som är den vetenskap som ligger till grund för beräkningen av banorna i alla banor i rymden (naturligt eller konstgjord), fungerar lite annorlunda än vad du verkar antar.

En interplanetär överföring från jorden till en annan planet (i detta fall, Mars) handlar inte om att flyga på en rak linje med en given krysshastighet som ett flygplan skulle på jorden eller som ett fartyg som kryssar genom havet med vissa ändringar i riktning vid givna waypoints. Det är inte så som det fungerar i solsystemet. Eftersom det inte fungerar så tror jag inte att det kommer att vara enkelt (eller till och med möjligt) att göra enkla, grova och klara beräkningar om var ExoMars kommer att vara när som helst.

I grund och botten var naturens lagar som styrde ett objekts flyg genom rymden av Isaac Newton och Johannes Kepler för hundra år sedan. Jag förenklar bara en liten bit: Jorden och Mars går på banor som är mer eller mindre cirkulära (för Mars, det är inte riktigt sant, men det fungerar för att börja). Nu har vi jordens bana, en bred cirkel runt solen och Mars-banan, en ännu större cirkel som också har solen i centrum.

Överföringsbanan följd av ExoMars är en ellips. Där den här ellipsen är närmast solen sönder den jordens bana. Där det ligger längst bort från underen graser det Mars-banan. Rymdfarkosten flyger från denna lägsta punkt till den längsta punkten. Den nådde ellipsen genom den enorma ökning som gavs till den av proton M raketen som användes för att starta ExoMars, kasta den så högt och snabbt att rymdfarkosten faktiskt lämnar jordens gravitation med precis rätt hastighet och riktning för att möta den nödvändiga överföringselappen till mars. Vid denna tidpunkt (Earth Escape) var ExoMars ganska snabbare än jorden på sin omlopp runt solen.

På denna överförings ellips kommer ExoMars hastighet att minska kontinuerligt. För att förstå varför det här är så, föreställ dig en klockpendel, När pendeln svänger, rör den sig långsammare och långsammare. Det beror på att det finns två typer av energi: potentiell energi (= höjd energi) och kinetisk energi (= rörelseenergi). Rymdbana har en viss total energi. Detta gavs av lanseringen. Denna energi ökar inte. Det är som fickpengar eller en lön, vi måste bara göra det sista.

Om raketen inte hade fått tillräckligt med energi skulle ExoMars-banan inte ha nått ut till Mars-banan. Omvänt, om raketen hade givit för mycket energi, skulle rymdskeppsbanan ha gått långt bortom Mars-banan. Så vi ville (och fick) exakt rätt mängd energi, inte för lite, men inte för mycket. Det skiljer sig från fickpengar eller lön, där det är för mycket definitivt bättre än för lite.

Nu, vid den elliptiska överföringen, rymmer rymdfarkosten från solen mot Mars-omloppet, och solen håller fast på rymdskeppet med sin tyngdkraft. Så som ExoMars klättrar ökar sin höjds energi. Därför måste rörelseenergin minska. Den totala energin blir densamma. Så på flyg till Mars blir ExoMars kontinuerligt långsammare och långsammare.

För att beräkna överföringen måste den ena som man absolut tar hänsyn till är gravitationsattraktionen genom solen. Det finns också andra effekter som det mycket lätta ljustrycket på solens arrays och planets gravitation i solsystemet, och vi måste naturligtvis ta hänsyn till varje gång vi använder raketmotorerna ombord på ExoMars för att ändra omloppet. Men allt detta har en mycket mindre effekt än solens gravitation.

I huvudsak använder vi en dator för att beräkna rymdskeppens banor med hänsyn till alla faktorer som påverkar banan och vi kan också mäta var rymdfarkoster är och hur snabbt den reser från den tid signalerna tar för att resa från jorden till rymdskepp och baksida och för övrigt ändras signalen frekvens över tiden.

I ett senare e-postmeddelande tillade han:

Det viktigaste du ser är att ExoMars-banan, liksom alla banor i rymden, är tydligt böjd. Det finns inga raka linjer i rymden. När du har kroppar som har massa, som stjärnor och planeter, har du gravitation, och i närvaro av gravitation kommer allt att flyga på kurvor. Kurvor är naturliga, raka linjer är inte. Avståndet som omfattas av den krökta röda linjen från Jorden till Mars är cirka 500 miljoner kilometer för att sätta det i perspektiv. En halv miljard kilometer.