Vamos para Marte! Calculando as janelas de lançamento

Esta atividade está relacionada a um Momento Ensinável de 31 de outubro de 2016

#Marte #Órbita 

Esta atividade foi desenvolvida para alunos familiarizados com conceitos avançados de álgebra. Nesta lição, os alunos irão usar cálculos algébricos para determinar as posições relativas da Terra e de Marte durante as quais pode ocorrer uma transferência ótima (de baixa energia) de uma espaçonave.

Combine essas informações com dados de posição planetária para determinar a próxima oportunidade de lançamento para Marte.

Materiais

Gerenciamento

Considere fazer com que os alunos se sentem em um piso acarpetado ao usar os alfinetes e o barbante para fazer uma elipse. O piso acarpetado absorverá as pontas dos alfinetes que podem ultrapassar a espessura do papelão. Como alternativa, peça aos alunos que usem mais de um pedaço de papelão para amortecer as pontas salientes dos alfinetes.

Fundo

Quando uma espaçonave é lançada da Terra, sua velocidade de avanço combinada com a atração gravitacional da Terra faz com que ela viaje em um caminho curvo. À medida que a espaçonave se dirige para outro planeta, a atração gravitacional desse planeta influencia o caminho que a espaçonave segue. Quanto mais uma espaçonave puder “desacelerar” com os motores desligados, menor será o custo da missão (combustível de foguete não é barato!).

Pense em um zagueiro jogando uma bola de futebol para um recebedor. O impulso inicial (arremesso) é tudo o que a bola consegue no que diz respeito à potência. A bola de futebol segue um caminho curvo até as mãos do receptor. Da mesma forma, o zagueiro joga a bola para onde o recebedor vai estar, não necessariamente para onde o recebedor está no momento. Assim, o zagueiro lança a bola de futebol para o campo enquanto o recebedor está correndo naquela direção. Em um passe perfeitamente lançado, a velocidade de corrida do receptor o levará ao ponto exato onde a bola chega ao nível da mão.

O lançamento para Marte é semelhante a isso. Uma espaçonave recebe um impulso inicial (lançamento) em direção a Marte e, em seguida, desliga seus motores e desacelera (obedecendo à Primeira Lei de Newton) até chegar perto de seu alvo. Dependendo da missão, a espaçonave pode desacelerar – para entrar em órbita ou pousar – usando a atmosfera marciana ou retrofoguetes que disparam no sentido oposto ao da viagem (obedecendo à Terceira Lei de Newton).

Embora uma espaçonave possa seguir uma variedade de caminhos curvos da Terra a Marte, um caminho chamado órbita de transferência de Hohmann usa menos energia e, portanto, é considerado o mais eficiente.

A transferência de Hohmann é uma órbita elíptica com o sol em um dos focos da elipse que intercepta a órbita do planeta alvo. O lançamento ocorre quando a Terra está no periélio de Hohmann (o ponto da órbita de Hohmann mais próximo do sol). A chegada ocorre quando Marte está no afélio de Hohmann (o ponto da órbita de Hohmann que está mais distante do sol).

Dependendo dos objetivos da missão e das características da espaçonave, os engenheiros usarão variações na órbita de transferência de Hohmann para levar a espaçonave a Marte. Essas variações podem tornar o tempo de viagem mais ou menos longo do que uma transferência Hohmann padrão.

Para garantir que a espaçonave e Marte cheguem ao mesmo lugar ao mesmo tempo, a espaçonave deve ser lançada dentro de uma janela de tempo específica. Essa janela é chamada de “janela de inicialização” e, dependendo do alvo, pode durar alguns minutos ou até algumas semanas.

Se uma espaçonave for lançada muito cedo ou muito tarde, ela chegará à órbita do planeta quando o planeta não estiver lá.

Quando lançada dentro da janela de lançamento adequada, a espaçonave chegará à órbita do planeta assim que o planeta chegar ao mesmo local. Neste ponto, a espaçonave está posicionada para entrar em órbita sobre o planeta ou pousar no planeta.

Calcular trajetórias de órbita e janelas de lançamento é uma tarefa complexa que envolve uma variedade de parâmetros que podem ou não estar em constante mudança. Para tornar esta tarefa acessível aos alunos do ensino médio, alguns parâmetros variáveis foram estabilizados e algumas suposições foram feitas. Esse problema, com essas simplificações, permite que os alunos gerem uma aproximação da janela de lançamento para Marte.

Procedimentos

1. Explique aos alunos que o lançamento para Marte exige que uma espaçonave viaje em uma órbita elíptica ao redor do Sol, de modo que a espaçonave e Marte cheguem ao mesmo lugar ao mesmo tempo. A tarefa deles neste exercício é determinar quando devemos lançar a Marte.

2. Explique que a órbita desse tipo com maior eficiência energética é chamada de transferência de Hohmann, na qual a espaçonave percorrerá metade de uma órbita ao redor do Sol, deixando a Terra no periélio da órbita e chegando a Marte (ou qualquer planeta externo) no afélio da órbita.

A linha vermelha indica a órbita de Marte, a linha azul indica a órbita da Terra e a linha cinza indica o caminho que uma espaçonave percorre da Terra a Marte quando lançada em um caminho de transferência Hohmann.

3. Lembre aos alunos a Segunda Lei de Kepler, a Lei das Áreas Iguais: Uma linha traçada de um planeta até o Sol varre áreas iguais em tempos iguais.

A Segunda Lei de Kepler também nos diz que os planetas viajam em diferentes taxas de velocidade em suas órbitas elípticas, movendo-se mais rápido quando estão mais perto do sol e mais devagar quando estão mais longe do sol.

4. Explique aos alunos que lançar uma espaçonave considerando a dinâmica orbital dos planetas é uma tarefa matemática altamente complexa. Para simplificar a tarefa, faremos três suposições (Nota: nenhuma dessas suposições é verdadeira, mas usar essas simplificações ainda permitirá um cálculo bastante preciso da janela de inicialização.):

– As órbitas da Terra e de Marte são circulares e centradas no sol. (A órbita da Terra é mais circular do que a órbita de Marte, mas ambas são ligeiramente elípticas.)

– A Terra e Marte viajam a velocidades constantes. (Eles não. Veja a Segunda Lei de Kepler).

– As órbitas da Terra e de Marte estão no mesmo plano. (Eles estão próximos, mas ligeiramente fora do plano um do outro).

Explique aos alunos o conceito de longitude heliocêntrica. Esta é a posição de um objeto em relação ao sol, medida a leste ao longo da eclíptica (caminho da Terra ao redor do sol) a partir do equinócio vernal (posição no espaço onde a eclíptica cruza o equador celeste). Assim como as longitudes na Terra medem a posição em relação a um ponto fixo (o meridiano principal), as longitudes heliocêntricas medem a posição no espaço ao longo da eclíptica em relação ao equinócio vernal.

Para consistência, medimos as longitudes heliocêntricas no sentido anti-horário (visto de cima) a partir do equinócio vernal.

Para estabelecer um quadro de referência para este problema, colocamos a Terra no lançamento no equinócio vernal (0 graus) e Marte em 180 graus na chegada.

A órbita de transferência de Hohmann é a elipse que conecta os pontos no espaço, a Terra a 0 graus e Marte a 180 graus, sobre a elipse que tem o sol em um dos focos.

6. Peça aos alunos que encontrem o comprimento do semi-eixo maior da órbita de transferência em unidades astronômicas (UA), dado que a distância média de Marte ao Sol é 1,52 UA.

A Terra está, em média, a 1 unidade astronômica (UA) do sol. Marte está, em média, a 1,52 UA do sol.

O eixo principal da órbita de transferência de Hohmann é representado por 2a. Alguma aritmética simples nos permitirá calcular o comprimento, a, do semi-eixo maior.

7. Peça aos alunos que usem barbante e alfinetes para desenhar as órbitas circulares presumidas da Terra e de Marte em torno do Sol e a aproximação da órbita de transferência de Hohmann em papel quadriculado, conforme mostrado à direita:

Os alunos precisarão calcular a localização do segundo foco (um foco está no sol) para a órbita de transferência de Hohmann. A distância focal é 0,26 AU, então se o sol estiver em (0,0), o outro foco estará em (-0,52, 0).

Use barbante e um alfinete para desenhar uma órbita circular.

Para desenhar a órbita de transferência de Hohmann, coloque um alfinete em cada foco da elipse e use um laço de barbante igual em comprimento a duas vezes a soma do comprimento do semi-eixo maior da elipse e a distância focal (os alunos podem derivar isso usando a fórmula para uma elipse).

8. Peça aos alunos que usem a Terceira Lei de Kepler, a Lei da Harmonia, para determinar o período da órbita de transferência de Hohmann e, em seguida, o tempo de viagem para Marte ao longo dessa órbita.

Use barbante e dois pinos para desenhar a órbita de transferência elíptica de Hohmann.

A Terceira Lei de Kepler afirma que o quadrado do período de qualquer planeta é proporcional ao cubo do semi-eixo maior de sua órbita. Uma equação pode representar esta relação:

P2=ka3 com k sendo a constante de proporcionalidade

Usando a Terra como exemplo, podemos medir P em anos e a em unidades astronômicas, então P = 1 ano e a = 1 UA. Assim, P2=ka3→k=1 => P2=a3

P2= (1,26 AU)3 => P – 1,41 anos – 517 dias

O período completo desta órbita de transferência de Hohmann é de 517 dias. A viagem para Marte abrange metade de uma órbita, aproximadamente 259 dias.

9. Usando os movimentos diários da Terra e de Marte, calcule a posição relativa ideal da Terra e de Marte durante o lançamento.

Marte completa uma revolução em torno do sol (360 graus) em 687 dias, o que significa que ele se move 0,524 graus por dia (360 graus/687 dias). Em 259 dias (o tempo de viagem da Terra a Marte ao longo do caminho de transferência de Hohmann), Marte terá se movido 136 graus (0,524 graus por dia * 259 dias).

Para calcular a posição de Marte no momento do lançamento, subtraia a quantidade de seu movimento durante o tempo de viagem da espaçonave (136 graus) de seu ponto de chegada (180 graus). 180 graus – 136 graus = 44 graus.

Considerando que o lançamento da Terra foi no periélio da órbita de Hohmann (ponto mais próximo do sol) e a chegada é no afélio da órbita de Hohmann (ponto mais distante do sol), podemos concluir que uma oportunidade de lançamento ocorre quando Marte está 44 graus à frente da Terra em sua órbita.

Em nosso quadro de referência estabelecido, Marte deve estar a 44 graus em relação à Terra a 0 graus no lançamento. Para qualquer quadro de referência, Marte deve estar 44 graus à frente da Terra em sua órbita no lançamento.

Usando as longitudes heliocêntricas planetárias, aproximadamente quando é a próxima oportunidade de um lançamento para Marte?

Discussão

Uma espaçonave deve ser lançada em um momento exato na janela de lançamento? O que acontece se for lançado antes ou depois?

Pesquisa: Qual é a duração média de uma janela de lançamento para Marte?

Extensões

Aproximadamente quando foi a oportunidade mais recente de um lançamento para Marte? Que países aproveitaram essa oportunidade e se lançaram a Marte naquela época? Qual é o status atual dessas missões? Eles tiveram sucesso?

Peça aos alunos que criem uma planilha que subtrairá as longitudes heliocêntricas da Terra e de Marte para simplificar os cálculos da janela de lançamento.

Em relação a Marte, onde está a Terra em sua órbita quando a espaçonave chega?


Publicado em 26/02/2023 21h55

Artigo original: