چرخ و پرتاب موشک‌ها

وقتی به یک دوچرخه‌سوار نگاه می‌کنید، به نظر می‌رسد تمام اجزای دوچرخه با هم به جلو می‌روند.
اما واقعیت مهندسی کمی متفاوت است. نقطه‌ای از لاستیک که در هر لحظه با زمین تماس دارد، برای یک «آنِ» بسیار کوتاه نسبت به زمین ثابت است.
در مقابل، بالاترین نقطه چرخ نه تنها با سرعتِ خودِ دوچرخه به جلو می‌رود، بلکه به دلیل چرخش چرخ، سرعت اضافه‌ای هم می‌گیرد.

نتیجه؟ بالاترین نقطه چرخ، دقیقاً دو برابر سریع‌تر از خودِ دوچرخه حرکت می‌کند!

حرکت زمین در فضا

حرکت زمین در فضا هم دقیقاً مثل همین چرخ است. ما دو سرعت اصلی داریم:

• سرعت مداری: سرعت حرکت زمین به دور خورشید (حدود ۱۰۷,۰۰۰ کیلومتر بر ساعت). (vOrbital)
• سرعت چرخشی: سرعت دوران زمین به دور خودش که در خط استوا حدود ۱,۶۷۰ کیلومتر بر ساعت است. (vRotational)

چه زمانی در فضا «سریع‌تر» حرکت می‌کنیم؟

برخلاف تصور اولیه، سرعت ما نسبت به خورشید در طول شبانه‌روز تغییر می‌کند:

• در نیمه‌شب (اوج سرعت):
  در نیمه‌شب، شما در سمتی از زمین هستید که رو به خورشید نیست (پشت به خورشید). در این حالت، جهتِ چرخش زمین دقیقاً با جهتِ حرکت مداری آن یکسان است.vTotal = vOrbital + vRotational
  در این زمان، ما با سرعت تقریبی ۱۰۸,۶۷۰ کیلومتر بر ساعت در فضا پیش می‌رویم.
• در ظهر (کمترین سرعت):
  در هنگام ظهر، شما رو به خورشید هستید. در این وضعیت، چرخش زمین در خلاف جهت حرکت مداری آن است.vTotal = vOrbital – vRotational
  در این حالت، سرعت ما نسبت به خورشید کمی کندتر می‌شود (حدود ۱۰۵,۳۳۰ کیلومتر بر ساعت).

استراتژی پرتاب موشک‌ها

برای سفرهای فضایی، مهندسان از این تفاوت سرعت استفاده می‌کنند:

زمان بهینه برای پرتاب مستقیم موشک به مریخ، نیمه‌شب خواهد بود، زیرا سرعت مداری و سرعت دورانی در این زمان با هم جمع می‌شوند و به موشک اجازه می‌دهند با سرعت حدود 108,670 کیلومتر در ساعت در فضا حرکت کند. (با فرض اینکه پرواز مستقیم به مریخ باشد.)
موشک‌ها معمولاً در جهت شرقی زمین پرتاب می‌شوند تا از چرخش زمین (به اصطلاح اثر چرخش به دور خود) بهره ببرند. نیمه‌شب زمان بهینه‌ای برای ترک منظومه شمسی خواهد بود.

سفر به مریخ (سیاره بیرونی)

برای رسیدن به سیارات دورتر از زمین، به سرعت بیشتری نیاز داریم.
بنابراین، پرتاب در نیمه‌شب (زمانی که سرعت چرخشی زمین به سرعت مداری اضافه می‌شود) به موشک یک «تکانِ رایگان» و انرژی اولیه بیشتری می‌دهد تا راحت‌تر از مدار زمین خارج شود.

سفر به زهره (سیاره داخلی)

برای رفتن به سمت خورشید (زهره)، برعکس عمل می‌کنیم.
ما باید سرعت‌مان را نسبت به زمین کاهش دهیم تا به اصطلاح به سمت مرکز منظومه شمسی «سقوط» کنیم. بنابراین، زمان‌هایی که سرعت چرخشی در خلاف جهت مدار است (نزدیک ظهر/صبح)، برای ترمز کردن و کاهش سرعت مناسب‌تر است.

نکته اجرایی: در دنیای واقعی، موشک‌ها مستقیماً به فضا پرتاب نمی‌شوند.
آن‌ها ابتدا در مدار پارکینگ (دوری به دور زمین) قرار می‌گیرند و سپس در زاویه و لحظه‌ای دقیق، موتورهای خود را برای سفر میان‌سیاره‌ای روشن می‌کنند.

بررسی چند پرتاب تاریخی:

• مریخ‌نورد کنجکاوی (Curiosity): ۲۶ نوامبر ۲۰۱۱، ساعت ۱۰:۰۲ صبح (استفاده از زاویه خاص مداری).
• کاوشگر ونرا ۹ (شوروی به مقصد زهره): ۸ ژوئن ۱۹۷۵، ساعت ۷:۳۸ صبح (زمان مناسب برای کاهش سرعت و حرکت به سمت سیاره داخلی).