Jak się można spodziewać: poruszanie się w przestrzeni kosmicznej w żaden sposób nie przypomina tego, jak statki kosmiczne poruszają się w filmach science-fiction. Nie wystarczy wybrać kierunku “na gwiazdę” i lecieć do niej w linii prostej, a już na pewno nie wtedy, kiedy chcemy w trakcie przelotu zużyć jak najmniej paliwa. Inżynierowie z Europejskiej Agencji Kosmicznej wskazują, że sonda Juice pokonała dopiero 5 proc. drogi zaplanowanej trasy z Ziemi w kierunku Jowisza.
Przygotowując trajektorię lotu sondy kosmicznej, naukowcy muszą uwzględnić wiele czynników, takich jak np. ilość dostępnego paliwa, masa sondy kosmicznej i bezustannie zmieniająca się geometria Układu Słonecznego.
Wystarczy spojrzeć na cały Układ Słoneczny nieco z góry. W momencie wystrzelenia sondy kosmicznej z Ziemi możemy, tutaj na Ziemi, mieć złudzenie, że sonda rozpoczyna swoją podróż z nieruchomej Ziemi. W rzeczywistości jednak mamy Słońce, wokół którego bezustannie krążą wszystkie planety, zarówno Jowisz, jak i Ziemia. Sama Ziemia ma prędkość rzędu 30 km/s w drodze wokół Słońca. W zależności od tego, w którym kierunku wyślemy sondę z Ziemi, to już na samym początku sonda dysponuje pewnym zapasem energii orbitalnej. Jeżeli nawet po wyniesieniu z Ziemi sonda nie porusza się przesadnie szybko w stosunku do Ziemi, to w kontekście Układu Słonecznego, znajduje się ona mniej więcej na tej samej orbicie wokół Słońca, co Ziemia.
Czytaj także: Lecimy do lodowych księżyców Jowisza. Co nam powie sonda JUICE?
Oczywiście w tym momencie, gdybyśmy dysponowali gigantyczną rakietą i dużymi zapasami paliwa, moglibyśmy polecieć po najkrótszej możliwej linii prosto do Jowisza. Warto tutaj przywołać sondę New Horizons, która w 2006 roku poleciała właśnie w ten sposób w kierunku Plutona, dzięki czemu 5 mld km była w stanie pokonać w zaledwie 9 lat, a do Jowisza doleciała w ciągu zaledwie 13 miesięcy. W przypadku sondy Juice jednak paliwa jest znacznie mniej, więc trzeba skorzystać z klasycznej mechaniki nieba i wspomóc się grawitacją planet. Co więcej, jeżeli chcemy, aby sonda weszła na orbitę wokół Jowisza, to musi ona do niego dotrzeć z odpowiednio niską prędkością, bowiem gdyby była ona za wysoka, sonda przeleciałaby w pobliżu planety i poleciała dalej.
Ziemia okrąża Słońce w 365,25 dni, Jowisz na pełne okrążenie potrzebuje niemal dwunastu lat. Oznacza to, że zanim Jowisz wykona pełne okrążenie wokół Słońca, Ziemia wykona ich niemal dwanaście. To oznacza, że odległość między dwiema planetami bezustannie się zmienia. Gdy obie planety znajdują się po tej samej stronie Słońca, odległość między nimi spada do 600 mln km, gdy znajdują się po przeciwnych stronach gwiazdy, rośnie do 968 mln km.
Planując trasę lotu do Jowisza, naukowcy muszą wyliczyć, jak trafić nie tam, gdzie obecnie jest Jowisz, ale tam, gdzie on będzie, gdy sonda pokona już do niego odległość. Może to przypominać rzucanie piłką z jednego poruszającego się pojazdu, do drugiego, odległego i poruszającego się z zupełnie inną prędkością. Jeżeli rzucimy prosto w kierunku, w którym w momencie rzutu znajduje się samochód, z pewnością w niego nie trafimy.
Trzeba również pamiętać o bardzo ważnym czynniku, jakim jest masa sondy kosmicznej. Do wyniesienia większej masy potrzeba więcej paliwa, do wyhamowania jej przy Jowiszu także trzeba więcej paliwa. Kluczowe staje się wyważenie i precyzyjne projektowanie trajektorii lotu, aby trafić do planety możliwie szybko, ale zużywając jak najmniej paliwa. Zważając na to, że Juice jest najmasywniejszą sondą, jaką kiedykolwiek wysłano do Jowisza i w ogóle jedną z najmasywniejszych w historii (ok. 6000 kg), można założyć, że nie będzie to przesadnie szybki lot. Nawet niesamowita rakieta Ariane 5 nie była w stanie wysłać tak dużego ładunku do Jowisza ekspresem. Tak jak w przypadku wcześniejszych sond wysyłanych do największej planety Układu Słonecznego, po drodze trzeba będzie skorzystać z asysty grawitacyjnej dostarczanej przez inne planety. Mówiąc inaczej, aby dostarczyć sondę kosmiczną na orbitę wokół innej planety, musimy dostarczyć sondzie energię porównywalną z energią orbitalną tej planety.
Co do zasady, gdy wysyłamy sondę do wewnątrz Układu Słonecznego, do Wenus czy Merkurego, po starcie sonda ma energię orbitalną Ziemi i musi jej trochę stracić, aby wejść na orbitę np. Merkurego. Gdy natomiast wysyłamy sondę na zewnątrz, musimy jej sporo pozyskać, aby wejść na orbitę wokół np. Jowisza. Skąd wziąć energię po drodze? Najlepiej trochę ukraść od Ziemi, Wenus i Marsa. Planety tego nie zauważą, a sonda znacząco zyska.
Podczas bliskiego przelotu w pobliżu planety, w zależności od tego, z której strony i na jaką odległość do niej podejdziemy, możemy uzyskać lub stracić sporo energii, wyhamować sondę lub ją przyspieszyć i na dodatek zmienić kierunek lotu. W trakcie lotu do Jowisza sonda Juice właśnie w tym celu przeleci kilkukrotnie w pobliżu Ziemi, układu Ziemia-Księżyc i nawet w pobliżu Wenus. Te wszystkie przeloty pozwolą jej dotrzeć do układu Jowisza w 2031 roku.
Inżynierom misji Juice przyda się zresztą wprawa w przeprowadzaniu manewrów asysty grawitacyjnej. Wszak, gdy sonda już dotrze do Jowisza, będzie ją czekało 35 bliskich przelotów w pobliżu Europy, Ganimedesa i Kallisto, które zakończą się wejściem na orbitę wokół Ganimedesa.
W trakcie całej podróży do Jowisza najtrudniejszym, czy też najbardziej kluczowym manewrem orbitalnym będzie zmniejszenie przez zespoły Europejskiej Agencji Kosmicznej prędkości sondy Juice o 1 km/s jakieś 13 godzin przed przelotem w pobliżu Ganimedesa. Ten pozornie niewielki manewr pozwoli sondzie wejść na orbitę wokół największej planety Układu Słonecznego. Jakakolwiek nieścisłość w prędkości i kierunku lotu sondy może sprawić, że sonda przeleci w pobliżu planety i poleci dalej. W takim przypadku może nie wystarczyć paliwa na korektę trajektorii lotu i cała misja zakończy się, zanim się tak naprawdę zacznie.
Póki co jednak możemy się zrelaksować i czekać na kolejne etapy lotu i kolejne asysty grawitacyjne wykonywane po drodze. Do 2031 roku jeszcze trochę czasu nam pozostało.