הקדמה
על אפולו 11,
משימת אפולו 11 הייתה המשימה הראשונה מתוך שש שנלקחו על ידי נאס"א עד היום, שבמהלכה התבצעה נחיתה מאוישת על הירח. על מנת לאפשר משימה זו, על צוות המתכננים היה למצוא פתרונות יצירתיים רבים. בעבודה זו נסתכל על איך מתכנני המשימה השתמשו בכוחות כבידה של גופים שונים בחלל על מנת לקבוע מסלול שבו תצומצם רבות כמות האנרגיה הנדרשת לביצוע משימה זו.
מסלולי הקפה
ראשית נראה מה יהיה מסלול תנועת גוף u הנע בכיוון מקביל לקרקע כדור הארץ במרחק r ממנו במהירות v.
- על מנת שהגוף יצא מכוח שדה הכבידה כמו במסלול 1, על כוח הכבידה להתגבר על האנרגיה הקינטית, כלומר,
כלומר, בכדור הארץ, על המהירות להיות גדולה מכבערך 11,200 מטר לשנייה עבור עצם הנמצא על פני כדור הארץ או קרוב אליו. - על מנת שינוע במסלול 2 שהינו מעגלי סביב כדור הארץ, נקבל לפי חישובי תנועה מעגלית,
כלומר, בכדור הארץ, על המהירות להיות בערך 7,300 מטר לשנייה עבור עצם קרוב לכדור הארץ. - על מנת שינוע במסלול שלוש, על המהירות להיות קטנה מכבערך 7,300 מטר לשנייה. מה שיקרה במצב זה, זה שהעצם יסטה לכיוון כדור הארץ, עד לפגיעה בו. צורת תנועתו תהיה כמעין ספירלה, שאמצעה במרכז כדור הארץ, והעצם יהיה במסלול פגיעה בו. מצב זה קורה כאשר המהירות לא מספיקה ליצור תנועה מעגלית.
- על מנת שינוע במסלול 4, נסתכל על מסלולים 2 ו 1. נראה שיש טווח בין המהירות הדרושה לתנועה מעגלית לבין המהירות הדרושה ליציאה מכוח המשיכה של כדור הארץ. מהירות בטווח זה תיצור מסלול אליפטי. במסלול מסוג זה הרוב המוחלט של העצמים בחלל מקיפים אחד את השני כולל הירח את כדור הארץ, או כדור הארץ את השמש.
ככל שהמהירות מתקרבת למהירות הדרושה למסלול מעגלי האליפסה קטנה, וככל שהיא מתקרבת למהירות מסלול 1, האליפסה מתארכת. מסלול זה בעצם הינו המסלול המתואר בחוק גאוס הראשון, כאשר כדור הארץ הינו המוקד ולא השמש. נדגיש כי לפי חוק קפלר השני, בתנועה זו המהירות אינה קבועה, אלא מתגברת ככל שהעצם מתרחק מהעצם אותו הוא מקיף.
תמרונים
על מנת לחסוך בצריכת אנרגייה, מתכנני המשימה השתמשו בכבידת כדור הארץ והירח על מנת להגיע ליעדם. על ידי שימוש בשתי תמרונים, האחד "Free Lunar Injection" והשני "Free Return Trajectory". לראשון נקרא תמרון זריקה לירח, לשני תמרון חזרה חינמית.
תמרון זריקה לירח
בתמרון זה המשתמשים בעצם בכוח במשיכה על מנת ליצור מסלול אליפטי, שהנקודה הרחוקה בו ביותר מכדור הארץ תגיע קרוב מאוד לירח. כאשר יגיע לירח, העצם יושפע מכוח הכבידה של הירח, ועל ידי התאמת מהירותו למהירות הדרושה לקיום מסלול מעגלי במרחקו מהירח, בין אם על ידי מנוע (צורה לא "טהורה" של ביצוע תמרון זה) או חישובים הנעשים בבחירת המסלול האליפטי, הוא יכנס למסלול מעגלי סביב הירח, בעצם בלי שום בזבוז אנרגייה המתבצע לאחר הכנסתו למסלול האליפטי, אלא על ידי כוחות כבידה הפועלים על הגוף בלבד. נדגיש את מורכבות התהליך עקב תזוזת הירח סביב כדור הארץ, והצורך בתיאום מיקום הירח בדיוק לקצה האליפסה כאשר הגוף מגיע אליו.
תמרון חזרה חינמית
בתמרון זה נשתמש שוב במסלול האליפטי על מנת להגיע לירח, אך שנגיע לירח, העצם דרוש לנוע סביבו במהירות התואמת מסלול אליפטי ולא מעגלי, מה שיגרום לו לחזור חזרה לכדור הארץ לאחר שהוא עובר מאחורי הצד החשוך של הירח. וכל זאת בלי בזבוז אנרגיה. נדגיש כי ניתן לבצע תמרון זה בעזרת הנעות מסויימות, כמו שביצעה החללית "לונה 3" ב1959, אך זוהי לא צורתו הטהורה.
התכנון
מה שתכננו מתכנני משימת אפולו, היה לשים את החללית תחילה במסלול מעגלי סביב כדור הארץ על ידי הנעתה למהירות של בערך 7,300 מטר לשנייה, ולהניעה למהירות של 10,822 מטר לשנייה לאחר הקפה אחת של כדור הארץ במקום מסוים, שלפי חישוביהם יכניסה למסלול אליפטי סביב כדור הארץ שיצור תמרון חזרה חינמית, כך שבמקרה של תקלה, הצוות יוכל לחזור לכדור הארץ. במידה והמשימה מתנהלת כראוי, החללית תוכנס למסלול מעגלי סביב הירח, על ידי התאמת מהירותה לדרישות התנועה המעגלית, ובכך היא בעצם תצא מתהליך תמרון החזרה חינמית. לאחר מכן החלק מהחללית המיועד לנחיתה על הירח יתנתק, ותוקטן מהירותו, כך שכוח הכבידה יתגבר אט אט על המהירות, וככה חלק זה יתקרב לירח וינחת עליו.
לאחר הנחיתה על הירח, החלק המיועד לנחיתה ישוגר מהירח וינוע במסלול מעגלי סביבו שבו שוב יתחבר לחללית, ולאחר מכן החללית תגביר מהירותה על מנת להכניסה למסלול אליפטי סביב הירח שיהיה תואם למסלול שהייתה לוקחת במסגרת תמרון החזרה החינמית בחזרתה מן הירח (כמובן שלא בדיוק אותו המסלול בדיוק עקב תזוזתו של הירח תוך כדי זמן זה, אך אותה התאוריה). לאחר חזרתה לכדור הארץ החללית הנמיכה מהירותה, פתחה מצנח, ונפלה לים, שמשם הוצאו שלושת חברי המשימה בשלום.
סיכום ומקורות מחקר
בצורה זו מתכנני משימת אפולו תכננו את המסלול בצורה אפקטיבית שנתנה תוצאות גדולות במחיר אנרגייה נמוך יחסית. בשיטות דומות לאלו השתמשה בראשית בנסיונה לנחות על הירח.
חומר ששומש במחקר:
- כתבת הסבר ראשונה על המשימה
- סרטון הסבר על סוגי מסלולי הקפה
- כתבת הסבר שנייה על המשימה
- הסבר ויקיפדיה על מסלול הקפה אליפטי
- הסבר ויקיפדיה על מאפיין ההקפות
- הסבר ויקיפדיה על סוגי הקפות
- הסבר על מסלול הקפה אליפטי
- הסבר ויקיפדיה על תמרון חזרה חינמית
- הסבר ויקיפדיה על מסלול הקפה חנייה
- כתבת הסבר שלישית על המשימה
- סרטון הסבר על ניתוק החלק המיועד לנחיתה על הירח מהחללית
- הסבר ויקיפדיה על הקפה של הירח
- הסבר ויקיפדיה על חוקי קפלר
- הסבר ויקיפדיה על הקפת הירח את כדור הארץ
- הסבר ויקיפדיה על תמרון זריקה לירח
- תמונה המתארת את מסלול המשימה
אין תגובות:
הוסף רשומת תגובה