קצת על מרחקים

מעבורת החלל אנדוור על רקע האופק (מתוך נאסא)

למה חלל? עידן התגליות היה תקופה של גילויים ופתיחת דרכי מסחר חדשות שהוביל לעידן המודרני. כיום, אנחנו עומדים בפני תקופה דומה בחקר החלל. אחרי 50 שנה של שליטה כמעט בלעדית של ממשלות בתחום החלל, יוזמות מסחריות רבות מתחילות להתפתח בתחום. בסופו של דבר, היכולת להגיע לחלל ולהתקיים בו תהיה המפתח להשרדות ארוכת טווח של האנושות בתור המין הדומיננטי על פני כדור הארץ. בבלוג הזה אני רוצה לחלוק קצת מההתלהבות שלי מהנושא ולספר על תגליות ופיתוחים בתחום.

החלל מתחיל בגובה של 100 ק"מ לפי ה-FAI, לפי נאסא בערך ב-120 ק"מ ואילו ממשלת ארצות הברית מכירה כאסטרונאוט בכל אחד שעלה מעל גובה של 80 ק"מ. מרחק זה שווה ערך למרחק בין באר שבע לתל אביב (לא כולל פקקים), אנשים חוצים מדי יום מרחק ארוך הרבה יותר מזה, עם זאת, רק אנשים ספורים זכו להסתכל על כדור הארץ מבחוץ. אז איך זה שקשה כל כך לחצות מרחק זה?

נניח ונרצה לעלות לחלל במטוס, בגובה 15 ק"מ בערך לחץ האוויר הוא עשירית מהלחץ בגובה פני הים, בגובה 30 ק"מ הוא כבר מאית. בלחץ נמוך העילוי של הכנפיים פוחת ומנועי סילון רגילים לא פועלים באוויר דליל מדי. מסיבות אלה רוב הטיסה המסחרית של מטוסי הסילון הן בגובה 9-12 ק"מ, מטוסים צבאיים מגיעים לגובה של 20 ק"מ ואף יותר, שיא הגובה למטוסי סילון שייך לרוסים - 37 ק"מ.
דבר נוסף שימנע מאיתנו להגיע עם מטוסי סילון רגילים לחלל היא המהירות, כדי להגיע למסלול (כאמור, לעלות לגובה של מעל מאה קילומטרים, ולהישאר שם לפחות להקפה אחת של כדור הארץ), צריך להגיע למהירות מסלולית - 24,000 קמ"ש. להמחשה - המהירות הכי גדולה שהושגה על היבשה היא קצת יותר ממהירות הקול (1000 קמ"ש), המהירות של רוב מטוסי הסילון המסחריים היא מתחת למהירות הקול. בתחום הצבאי ה-SR-71 מחזיק בשיא המהירות למטוסי סילון של 3.5 מאך (פי 3.5 ממהירות הקול, או כ-3500 קמ"ש) - אפילו לא קרוב למהירות מסלולית! כדי להגיע למסלול צריך מערכת הנעה הרבה יותר אנרגטית ממה שמנוע סילון יכול לספק, הנעה רקטית היא הפתרון (יש טכנולוגיות אקזוטיות יותר כמו Scramjet שיכולות להגיע למהירויות האלה ונמצאות בשלבים ניסויים מוקדמים, אבל זה לפוסט אחר).

אז מה בעצם צריך בשביל להגיע לגובה ומהירות כאלה?

משגר סיוז (מתוך נאסא)

ניקח כדוגמה את אחד המשגרים הוותיקים בעולם - משגר הסיוז של הרוסים שהתחיל את דרכו בשנות ה-60, ועד היום נושא אסטרונאוטים לתחנת החלל הבינלאומית. הטיל מחולק לשלושה שלבים, בשלב הראשון (מתוך שלושה) יש ארבעה "ליבות" (חלקים מרכזיים בטילים), בכל ליבה יש 4 מנועים. בכל מנוע, בתא הבערה שלו, נשרפים בכל שניה 600 ק"ג של חמצן נוזלי וקרוסין, והוא בוער עד שנגמר מלאי הדלק שלו (39.2 טון). כשנגמר הדלק, השלב הראשון מושלך למטה. לאחר מכן מתחיל לבעור השלב השני עם "רק" 4 מנועים, ולו 95.4 טון דלק, ונראה שאני יכול להפסיק לצטט את ויקיפדיה. התמונה ברורה - כמות הדלק והאנרגיה המדוברים הם עצומים (כמה דלק צורכת מכונית לכל 100 ק"מ נסיעה?). וזאת רק כדי להגיע למסלול נמוך סביב כדור הארץ - עד 2000 ק"מ, בערך כמו לקפוץ לסופר במונחים אסטרונומיים, אולי אפילו פחות.

עלינו לגובה מסלולי, הגענו למהירות של 24,000 קמ"ש ואנחנו במסלול מעגלי נוח בגובה של 1000 ק"מ. מכאן אפשר לחשוב שהדרך למערכת השמש היא קלה, אבל כאן אנחנו עוברים לסקאלה אסטרונומית, והמרחקים משתנים בהתאם. נדמיין לשניה שהירח וכדור הארץ הם במרחק של מטר אחד (במציאות הם במרחק של 384,399 ק"מ - אפילו את המרחק הקצר הזה עברו צוותי חלליות אפולו בשלושה ימים), המרחק לשמש הוא 389 מטרים בממוצע (מסלולי כוכבי הלכת הם אליפטיים ולא עגולים). והמרחקים בין השמש לכוכבי הלכת לפי הסדר: מהשמש לכוכב חמה - 156 מטרים, לנוגה - 272 מטרים, למאדים - 583 מטרים, צדק 2 ק"מ, שבתאי 3.7 ק"מ, אורנוס 7.6 ק"מ, נפטון 11.6 ק"מ, ונציין גם את פלוטו למרות שהוא איבד את מקומו בין כוכבי הלכת - 15.1 ק"מ. במרחקים כאלה צריך לחשוב בצורה אחרת לגבי מהירויות ומרחקים. למשל, ברגעים אלה ממש מתקדמת לכיוון פלוטו החללית המהירה ביותר שנבנתה אי פעם - New Horizons, במהירות של 58 אלף (!) קמ"ש, אך גם במהירות עצומה זו יקח לחללית 9 שנים להגיע לפלוטו!

החללית New Horizons (מתוך נאסא)

ומהטווח הבין פלנטארי לבין כוכבי - נתרגם את קנה המידה המקובל (שנות אור - המרחק אותו עובר האור בשנה) לאותו קנה מידה שהשתמשנו בו קודם, שנת אור לפי קנה מידה זה תהיה באורך של 24,607 ק"מ. וזה אפילו לא מספיק כדי להגיע לכוכב הקרוב ביותר! אלפא סנטאורי נמצא במרחק של 4.3 שנות אור מכדור הארץ, והוא שכן בקנה מידה גלקטי. אפשר להתקדם מפה עוד למרחקים בינכוכביים או אפילו בין-גלקטיים, אבל בינתיים נסתפק בזה כדי להמחיש את האתגר בטיסה לחלל ובמיוחד בטיסה בין הכוכבים.

עוד המחשה על גודל היקום.