På det nærmeste punktet i banene deres er Jorden og Jupiter atskilt med nesten 600 millioner kilometer. Mer enn fem måneder etter lansering har JUICE allerede tilbakelagt mer enn 380 millioner kilometer, men tidsmessig er det bare 5 % av veien dit. Hvorfor tar det så lang tid?
Svaret avhenger av a rekke faktorer som flydynamikkeksperter ved ESA Mission Control vet godt, fra mengden drivstoff som brukes til kraften til raketten, massen til romfartøyet og planetenes geometri.
Basert på dette, ESAs flydynamikkeksperter utforme en rute. Orbitalmekanikkens verden er et kontraintuitivt sted, men med litt tålmodighet og mye planlegging lar det oss gjøre mye vitenskap med lite drivstoff.
Følg bevegelsene til planeter, måner, stjerner og galakser, og du vil se at de er det alltid beveger seg rundt et annet objekt.
Når et oppdrag settes i gang, hopper ikke fra en ubevegelig jordmen av en planet som beveger seg i omtrent 30 km/s rundt Solen.
Som sådan har et romfartøy lansert fra jorden allerede en stor mengde «orbital energi” – den eneste enheten som har betydning for å bestemme størrelsen på en bane rundt en sentral kropp. Kort tid etter oppskyting er et romfartøy i mer eller mindre samme bane som planeten vår er i rundt Solen.
For å løsrive seg fra denne banen og fly i kortest mulig rette linje fra Jorden til Jupiter, ville det være nødvendig en stor rakett og mye drivstoffl. Men det lar seg gjøre.
Det neste problemet er at vi trenger enda mer drivstoff å bremse og gå inn i bane rundt Jupiter, for ikke å bare gå forbi den.
Sikter mot tom plass
Jupiter og Jorden beveger seg alltid i forhold til hverandre. På det lengste punktet, på motsatte sider av solen, er de 968 millioner kilometer fra hverandre.
EN korteste avstand mellom de to planetene er når Jorden og Jupiter er på samme side av solen, med i underkant av 600 millioner kilometer mellom dem. Men de er i denne posisjonen bare et øyeblikk før avstanden øker igjen, aldri forbli på en konstant avstand.
Planetene er alle beveger seg i forskjellige tempo i sine baner rundt Solen Tenk deg å kaste en ball mot et bevegelig mål fra et kjøretøy i bevegelse.
Ingeniører må beregne det ideelle øyeblikket å gjøre hoppet i en sirkulær bane fra jordens bane til der Jupiter vil være når romfartøyet ankommer, ikke der det er når romfartøyet forlater jorden.
Så, forutsatt at vi har den kraftigste raketten som er tilgjengelig og at vi skyter den ut på den korteste banen til rett tid, når planetene er riktig justert, hvor lang tid ville det ta?
De første romfartene, som Voyager- og Pioneer-sondene, tok turen på mindre enn to årog den raskeste reisen med et objekt til Jupiter var New Horizons-oppdraget.
Lansert 19. januar 2006, kom New Horizons nærmest Jupiter 28. februar 2007, og tok litt over ett år ankommer planeten.
Alle disse oppdragene fortsatte sin veisom er utmerkede eksempler for å bestemme tid som trengs for en «flyby» av Jupiter på vei til et annet sted.
Jo lengre opphold, jo tregere tilnærming
Å gå i bane rundt den enorme planeten, studere den fra alle kanter og over tid kanskje til og med gå i bane rundt en av månene – en «første» for JUICE – du må miste litt energi.
Denne «nedgangen» ogvil kreve mye drivstoff for en større baneinnsettingsmanøver.
Hvis vi ikke ønsker å lansere med store mengder drivstoff, velger vi panoramarute, med en overføringsvarighet på 2,5 år.
Det er her vi ser massen til romfartøyet som en avgjørende faktor for å bestemme tiden som trengs for å komme hvor som helst. Ingeniører må kontrollere romfartøyets masse, balansere mengden drivstoff med instrumentene den trenger å bære for å fullføre oppdraget.
Jo mer masse romfartøyet harjo mer drivstoff må den bære, noe som øker vekten og gjør den vanskelig å lansere.
Og det er her skyte rakettytelse. Romfartøyet må skytes opp raskt nok til å unnslippe jordens tyngdekraft og kastes inn i det ytre solsystemet. Jo bedre push, jo lettere er turen.
JUICE er en av de interplanetariske sondene tyngre noen gang lansert, veier mer enn 6000 kg, og har det største settet med vitenskapelige instrumenter som noen gang er tatt til Jupiter — med portugisisk teknologi og regissør.
Selv den enorme skyvekraften til Ariane 5 tungløftraketten var ikke nok til å sende JUICE direkte dit på bare noen få år.
Derfor må oppdrag som JUICE og Europa Clipper, eller som Galileo og Juno tidligere, ty til «gravitasjonsassistanse»-manøvrer eller «fly forbi» for å få ekstra fart. Jo kraftigere raketten er, jo kortere overføring.
Energiutveksling med solsystemet
Pluto, i utkanten av solsystemet, reiser i en mye større bane enn Merkur, den innerste planeten.
Selv om Pluto beveger seg saktere i forhold til solen, er dens orbitale energi mye, mye større enn Merkurs. For å sette et romfartøy i bane rundt en annen planet, må vi lik dens baneenergi.
Når BepiColombo ble skutt opp, var dens orbitale energi den samme som jordens. Måtte miste strømmen å nærme seg sentrum av solsystemet og gjorde det ved å miste overflødig orbital energi når den nærmet seg naboplaneter.
Det samme fungerer i revers for å reise til det ytre solsystemet. For å gå inn i en større bane, lenger fra Solen, følger JUICE en bane som tillater det stjele orbital energi fra jordenVenus og Mars.
Avhengig av den relative bevegelsesretningen til planeten og romfartøyet, a gravitasjonshjelp kan øke hastigheten, bremse ned eller endre retningen på oppdraget (romfartøyet avleder også planeten, men med en så liten mengde at det er ubetydelig.
Imidlertid ble Newtons tredje bevegelseslov bevart: «Til enhver handling er det alltid en motsatt reaksjon av lik intensitet»).
JUICE vil bruke en rekke passasjer over jordenav Jord-Måne-systemet og av Venus for å definere ruten for møtet i juli 2031 med det jovianske systemet.
Gå i bane rundt en knivsegg
Den delen mer utfordrende for laget ESAs flykontroll finner sted når JUICE endelig ankommer Jupiter i 2031 og under reisen gjennom Jupiter-systemet.
JUICEs utfordrende bane innebærer flere gravitasjonsassistenter på vei til Jupiter – inkludert den første månen-jorden som flyr forbi – og, når du først var der, 35 forbiflukter med de galileiske månene Europa, Ganymede og Callisto.
Det endelige fokuset vil være Ganymedes, noe som gjør JUICE til det første romfartøyet som går i bane en annen måne enn vår.
Den viktigste manøveren som ESAs oppdragskontrollteam i Tyskland vil overvåke vil være JUICE nedgang ved rundt 1 km/s, bare 13 timer etter gravitasjonsassistanse fra Ganymedes, og «utgangen» for å gå inn i Jupiter-systemet, og plassere romfartøyet i bane rundt gassgiganten.
Gå inn i bane til et annet himmellegeme det er vanskelig. Et romfartøy må nærme seg med perfekt hastighet, fra en presis vinkel, og deretter utføre en stor og vital manøver til rett tid, i en bestemt retning og med riktig størrelse.
Hvis vi kommer nærmere for fort eller for sakte, for grunt eller bratt, eller hvis vi manøvrerer til feil tid, med feil mengde eller retning, vil vi gå oss vill i verdensrommet. Eller vi kommer langt nok av sporet til at det krever mye – kanskje for mye – drivstoff for å rette veien.
JUICE vil nærme seg Jupiters måner, og utveksle med dem energien de har bevart i milliarder av årfor å få utsikt over disse miljøene som aldri før.
Det kan være liv under de iskalde havene til Ganymedes, Callisto eller Europa? Hva kan vi lære om dannelsen av planeter og måner over hele universet? Gjennom vidunderet med flydynamikk, utveksling av energi med universet, vi finner ut snart.
