איך מטיסים חללית לירח?
מדוע החללית הישראלית טסה במסלול כל כך ארוך אל הירח? איך יודעים איפה היא נמצאת? למה נחוץ ציפוי הזהב שלה? ואיך תתבצע הנחיתה על הירח? לקראת השלב האחרון במשימת "בראשית" - כל התשובות לשאלות ההנדסיות של המשימה
הירח הוא אמנם גרם השמיים הקרוב אלינו ביותר, אבל טיסה אליו היא עניין קשה, מסובך ויקר - ונחיתה על פניו היא אתגר גדול עוד יותר. המאמצים להגיע לירח החלו ממש בראשית עידן החלל, אבל בניסיונות הראשונים גם האמריקנים וגם הרוסים פשוט החמיצו את המטרה. לבסוף, ב-1959, הצליחה ברית המועצות ליצור מגע ראשון עם הירח, כשהחללית לונה-2 התרסקה על פניו בכוונה, בהיעדר מנגנון מוצלח לנחיתה רכה.
נדרשו עוד שבע שנים של פיתוח, ניסויים והרבה מאוד כישלונות, עד שב-1966 הצליחה חללית רוסית לא מאוישת, לונה 9, לנחות לראשונה נחיתה רכה על הירח, וכמה חודשים אחריהם עשתה זאת גם החללית האמריקנית הלא מאוישת, סורוויור 1 (Surveyor). פריצת הדרך הבאה התרחשה שלוש שנים לאחר מכן, כשביולי 1969 הצליחה ארצות הברית להנחית בני אדם על הירח בפעם הראשונה. בסך הכל נחתו עליו שש חלליות מאוישות, האחרונה מביניהן ב-1972, ומאז לא דרכה עליו רגל אדם.
מאז החללית הרוסית אחרונה על הירח ב-1976 לא נעשתה עליו אף נחיתה רכה עד 2013, אז הנחיתה סין בהצלחה את החללית צ'אנג-אה 3. בתחילת השנה הנוכחית נוספה אליה גם צ'אנג-אה 4, החללית הראשונה שנחתה בצד הרחוק של הירח.
אם הכל יתנהל כמתוכנן, ב-11 באפריל תצטרף ישראל לרשימה הקצרה והמכובדת של מדינות שהצליחו להנחית חללית על הירח. החללית "בראשית" של עמותת SpaceIL שוגרה ב-22 בפברואר, ואם המשימה תצליח היא תקבע כמה וכמה תקדימי חלל מעניינים. בין השאר היא תהיה החללית הקטנה ביותר שנוחתת על הירח; החללית הראשונה על הירח ששייכת לגוף פרטי - במקרה הזה עמותה - ולא לסוכנות חלל ממשלתית; וזו משימת הירח עם התקציב הנמוך בהיסטוריה - כמאה מיליון דולר בלבד, לעומת תקציבים של מיליארדים בכל המשימות האחרות.
איך עושים את זה? איך מנחיתים חללית על הירח, מה צריך לדעת, מדוע גודל החללית חשוב כל כך וכיצד מסלול של 6.5 מיליון ק"מ זול יותר מטיסה ישירה של פחות מ-400 אלף ק"מ?
להגיע לאט לאט
"בראשית" היא חללית קטנה, אפילו קטנה מאוד כשמדובר במשימה לעומק החלל, כלומר לא במסלול נמוך סביב כדור הארץ. במבט מלמעלה החללית פחות או יותר עגולה, קוטרה של כ-1.5 מטר (כשני מטרים כולל רגלי הנחיתה), וגובהה דומה. משקלה בשיגור היה 585 ק"ג בלבד, מתוכם 420 ק"ג דלק - כך שהחללית עצמה שוקלת רק 165 ק"ג.
כשמייסדי SpaceIL התחילו לתכנן אותה הם חשבו על חללית קטנה עוד יותר, אבל נאלצו לשנות כמה פעמים את התכנון המקורי ולהגדיל את החללית, משום שהרכיבים הזמינים בשוק, כמו מנועים וחיישנים, לא אפשרו לייצר חללית כה קטנה. ככל שמגדילים את החללית היא צריכה לשאת יותר דלק, ובסופו של דבר הם נדרשו, עם המהנדסים בתעשייה האווירית, למצוא את האיזון בין הגודל לכמות הדלק.
בניגוד לכלי רכב על כדור הארץ, חלליות אינן זקוקות לדלק בשביל להתקדם. טיל השיגור מקנה להן את המהירות הראשונית. אם המהירות הזאת גבוהה מספיק, מעל 7.8 ק"מ בשנייה (כ-28,080 קמ"ש), החללית תישאר במסלול סביב כדור הארץ. ככל שהמהירות גבוהה יותר, המסלול יוכל להגיע רחוק יותר מכדור הארץ, אבל עדיין סביבו. כדי להשתחרר מהכבידה של כדור הארץ יש להגיע למהירות של 11.2 ק"מ בשנייה (כ-40,320 קמ"ש), המכונה "מהירות מילוט", כפי שעשו חלליות "אפולו" וחלליות אחרות שטסו לירח.
בין שהיא נשארת במסלול סביב כדור הארץ ובין שהיא יוצאת לעומק החלל, החללית תישאר במסלולה או בנתיבה באותה מהירות, עד שמשהו ישנה זאת. ה"משהו" הזה יכול להיות כבידה חזקה מאוד, אבל מכיוון שהכבידה של הירח חלשה הרבה יותר מזאת של כדור הארץ, גם מהירות המילוט ממנו היא רק כ-2.4 ק"מ בשנייה (כ-8,640 קמ"ש) וחללית שנעה מהר יותר תחלוף לידו בלי להילכד בכבידה שלו, אלא רק תטה את מסלולה בהשפעת הכבידה הזאת.
כדי להאט מספיק החללית צריכה להפעיל את המנוע בניגוד לכיוון הטיסה, וככל שהיא מהירה יותר, היא תצטרך להאט יותר ולכן תזדקק ליותר דלק. כמות הדלק משפיעה כמובן על גודל החללית ומשקלה, וככל שחללית כבדה יותר כך שיגורה יקר יותר. לכן מתכנני החללית צריכים לאזן בין הרצון לבנות אותה קלה ככל האפשר, לבין הצורך לשאת כמות דלק מספיקה.
חללית קלה וחזקה
כדי שהחללית תהיה גם קלה אבל גם קשיחה ועמידה, בונים אותה בעיקר מחומרים מרוכבים. אלה חומרים שמיוצרים משילוב שני חומרים או יותר, שהתכונות המשותפות שלהם עולות על אלה של חומרי המקור בנפרד. במקרים רבים השילוב הוא של חומר סיבי עם דבר שמחזיק אותו, וכך גם בחללית. השלד של בראשית הוא שני לוחות עגולים, וביניהם מכלי הדלק ורוב המכשור האלקטרוני. כל לוח כזה עשוי משתי שכבות של פחמן אפוקסי. אפשר לייצר סיבי פחמן באמצעות חימום מבוקר של סיבים כמו משי או פוליאסטר בסביבה נטולת חמצן, עד שנשארים סיבים שמכילים בעיקר פחמן. יריעות מסיבי פחמן הן דקות, קלות וחזקות מאוד יחסית למשקלן, אבל גם גמישות.
כשמערבבים את הסיבים עם דבק אפוקסי מתקבל חומר קל, חזק וגם קשיח - המשמש כיום לייצור מטוסים וכלי תחבורה אחרים. כדי להקנות לשכבות האלה חוזק רב עוד יותר מכניסים בין שתי השכבות מעין רשת אלומיניום, בדומה לשכבה הפנימית של ארגזי קרטון.
את עיקר הנפח שבין שני הלוחות תופסים ארבעת מכלי הדלק הגדולים העשויים טיטניום - מתכת קלה וחזקה. שני הלוחות מחוברים במוטות פחמן אפוקסי, וגם ארבע רגלי הנחיתה עשויות פחמן אפוקסי. בין המכלים נמצא המנוע, ו"בראשית" היא החללית הראשונה שתושבת המנוע שלה יוצרה בהדפסת תלת-ממד של אלומיניום.
נותנים גז
בחלל אין אוויר, כך שמנועים הפועלים על הנעת אוויר ויצירת כוח עילוי, כמו מנועי סילון, לא יפעלו שם. כמעט כל החלליות משתמשות בהנעה רקטית, כלומר מנוע שפולט גז בלחץ גבוה וכך דוחף את החללית בכיוון הפוך מכיוון הפליטה. מנוע כזה מבוסס על חוק התנועה השלישי של ניוטון, הקובע שכאשר גוף מפעיל כוח על גוף אחר, פועל עליו כוח זהה בכיוון ההפוך. כלומר, אם חללית (הגוף הראשון) פולטת גז (הגוף השני) בכיוון מסוים, הגז דוחף אותה בכיוון הנגדי.
חוק פיזיקלי נוסף שמשחק פה תפקיד הוא חוק שימור התנע. מכיוון שתנע הוא מכפלה של המשקל והמהירות, והחוק קובע שהוא נשמר במערכת סגורה, פליטת גז במהירות גבוהה לאחור (כיוון "שלילי" מבחינת המשוואה), מחייבת תנועה של המסה קדימה (כלומר בכיוון ה"חיובי") כדי שהתנע יישמר. שימור התנע הוא גם החוק שמאפשר להאיץ את מהירות הגז הנפלט באמצעות דחיסתו דרך פיה צרה במיוחד.
ככלל, כל פליטת גז לחלל יכולה לייצר דחף באופן כזה, כולל שחרור של אוויר דחוס ממכל. אבל למען היעילות מנועים רקטיים פועלים בדרך כלל על שריפת דלק, שהיא תגובה כימית שיוצרת כמות גדולה יחסית של גז.
שריפה, כידוע, דורשת חמצן, ומכיוון שאין חמצן בחלל הדלק צריך להכיל גם את החומר המחמצן. ב"בראשית" נעשה שימוש בדלק הִיפֶּרְגוֹלִי - שני מרכיבים שנדלקים במגע זה עם זה, בלי צורך בהצתה, ברגע שהם מוזרמים אל תא הבעירה. הדלק העיקרי הוא תערובת על בסיס הידרזין (N2H4), והמחמצן הוא N2O4 או תרכובת דומה. החומרים האלה יוצרים נפח עצום של גז, ולכן יעילים במיוחד בהנעה רקטית.
המנוע הראשי של החללית מייצר דחף של 430 ניוטון (יחידה שמייצגת את הכוח הדרוש כדי להאיץ מסה של קילוגרם בתאוצה של מטר לשנייה בריבוע). בנוסף יש לחללית שמונה מנועי הכוון קטנים יותר, שמייצרים דחף של 25 ניוטון כל אחד. כל אחד מהם פונה לכיוון אחר, והם משמשים לסיבוב החללית סביב עצמה בצירים שונים, כדי להבטיח שהיא תפנה לכיוון הנכון בעת הפעלת המנוע הראשי. ברגעים קריטיים של המשימה, חלקם יופעלו לצד המנוע הראשי, כדי להגדיל את הדחף הכללי.
לצד מכלי הדלק של החללית נמצאים מכלים של גז הליום. לאחר שהחללית משתמשת בחלק מהדלק שלה, מזרימים הליום למכלי הדלק, כדי לשמור על הלחץ בתוכם ולהבטיח שהדלק והמחמצן ימשיכו להזין את המנוע באופן אחיד. הליום נבחר למשימה גם משום שהוא גז אציל, שאינן מגיב עם החומרים האחרים במיכל, וגם מפני שטמפרטורת העיבוי שלו נמוכה מאוד, מה שמבטיח שהוא יישאר גז גם בתנאי הקור הקיצוניים.
הדרך הארוכה והזולה
רוב החלליות שטסו לירח, למשל חלליות "אפולו", עשו זאת במסלול ישיר. כלומר אחרי הכניסה למסלול סביב כדור הארץ הפעילו שוב את המנוע (במקרים רבים, כמו באפולו, זה היה השלב העליון של טיל השיגור, ולא מנוע החללית עצמה) כדי להגיע למהירות המילוט בכיוון הירח. בשיטה הזאת הטיסה לירח נמשכת כשלושה ימים בלבד, אבל היא דורשת כמויות עצומות של דלק להאצה וגם להאטה כדי להילכד בכבידת הירח, ולכן מחייבת חלליות הרבה יותר גדולות.
בטיסה של החללית הישראלית הוחלט להשתמש במסלול ארוך הרבה יותר אבל חסכוני מאוד בדלק. החללית נשארת כל הזמן במסלול סביב כדור הארץ, ובהדרגה מרחיבה אותו עד לפגישה עם מסלולו של הירח. מסלולי החללית אליפטיים מאוד, כלומר, בחלק אחד היא קרובה מאוד לכדור הארץ (בין 600 ל-1,000 קילומטר), ואילו בקצה הרחוק של המסלול, המכונה "אפוגיאה" (apogee) היא רחוקה מאוד ממנו. מהירות החללית משתנה לאורך המסלול ומגיעה לשיא בנקודה הקרובה לכדור הארץ (פריגיאה: perigee). אם בנקודה הזאת מגבירים את המהירות באמצעות הפעלת המנוע, המסלול מתרחב, כלומר אפוגיאה רחוקה יותר.
זמן קצר לאחר שיגורה נכנסה "בראשית" למסלול שהגיע עד למרחק של כ-70 אלף קילומטר מכדור הארץ. כשבוע לאחר מכן, באמצעות הפעלה נוספת של המנוע, היא הגדילה את המסלול לאפוגיאה של כ-130 אלף קילומטר, לאחר מכן ל-270 אלף קילומטר ובסוף למסלול שהאפוגיאה שלו היא כ-427 אלף קילומטר. המסלול הזה כבר חוצה את מסלולו של הירח, שגם הוא אליפטי ומרחקו הממוצע מכדור הארץ כ-384 אלף קילומטר.
הירח משלים הקפה של כדור הארץ ב-28 יום בערך, כך שאת מסלולה של החללית יש לתכנן לאחור, על פי המועד שבו המסלולים שלה ושל הירח ייפגשו, ואז לקבוע את מספר ההקפות במסלולים השונים הדרוש כדי להגיע למפגש הזה הזמן המתאים ובמקום המתאים.
לשם מה נחוצים מסלולים גדלים והולכים? תיאורטית היה אפשר לעבור כבר מהמסלול הראשון למסלול האחרון. בפועל זה מסובך יותר. בין השאר משום שהאצה בבת אחת למהירות הדרושה למסלול החיצוני הייתה מחייבת הפעלה ממושכת של המנוע, ארוכה יותר מהזמן הקצר שהחללית טסה במהירות שיא. לכן תמרון כזה עלול לצרוך יותר דלק, ומגדיל את הסיכון לסטייה מהמסלול שעלולה לסכן את המשימה. בסופו של דבר מספר המסלולים וגודל האליפסות נקבעו לפי שקלול של מועד השיגור, מועד המפגש, מספר הפעלות המנוע שרוצים ומשך ההפעלה בכל פעם.
איך יודעים איפה החללית נמצאת?
בחלל אין מערכת GPS, כך שמורכב יותר לחשב את מיקומה של חללית, במיוחד במשימות לעומק החלל. המיקום מחושב בפועל בהתבסס על שני גורמים: מרחקה של החללית מכדור הארץ ומהירותה.
את המרחק מחשבים באמצעות מדידת הזמן שנדרש לאות רדיו להגיע מהחללית לכדור הארץ. האות נע במהירות האור, כ-300 אלף קילומטר בשנייה, כך שאם אנו יודעים שנדרשה לו חצי שנייה להגיע לכדור הארץ, קל לחשב שהחללית נמצאת במרחק של כ-150 אלף קילומטר מאיתנו.
את מהירות החללית קובעים באמצעות התופעה הפיזיקלית שמכונה אפקט דופלר: כשמקור גלים מתקרב אלינו, או אנו אליו, תדירות הגלים עולה, ובכיוון ההפוך היא פוחתת. שיעור העלייה או הירידה בתדירות משקף את מהירות התנועה. כך, אם יודעים את תדירות האותות שהחללית משדרת, אפשר לחשב את הכיוון והמהירות שלה.
מדידות בודדות של מרחק ומהירות עלולות להיות לא מדויקות, בגלל הפרעות כמו קרינה, שינויים באטמוספרה ועוד. אבל ניטור עקבי ושיטתי מאפשר לשרטט במדויק את מסלולה של החללית, וכך לחשב את מיקומה בכל רגע בדיוק של מילימטרים.
נוסף על מיקום החללית המהנדסים צריכים לדעת את האוריינטציה שלה במרחב, כלומר אם היא "עומדת" או "שוכבת" ואם היא פונה "קדימה" או "אחורה". רוב הזמן אין לכיוון הזה משמעות רבה - בהיעדר אוויר אין צורך בצורה אווירודינמית, ולא משנה אם רגלי החללית פונות לכיוון הטיסה, נגד כיוון הטיסה או לאחד הצדדים. בחוסר כבידה גם אין משמעות ל"למעלה" או "למטה". האוריינטציה המרחבית חשובה כשרוצים לכוון את קולטי השמש הקטנים של החללית אל השמש, ובעיקר יש לה חשיבות קריטית בעת הפעלת המנוע - אם הוא לא יפנה לכיוון הנכון, החללית לא תטוס לכיוון הרצוי לנו.
כדי לדעת את האוריינטציה של החללית משתמשים במערכת "עוקב כוכבים" - שתי מצלמות מיוחדות הפונות לכיוונים שונים וסורקות את השמיים. תוכנה שמנתחת את הצילומים מזהה את מקומם של אלפי כוכבים בשמיים, ולפי הזוויות שלהם ביחס לשתי המצלמות היא יכולה לחשב בדיוק לאן החללית פונה. כדי לסובב אותה מפעילים באופן מבוקר חלק ממנועי ההכוון. כבר בתחילת המשימה התברר שעוקבי הכוכבים רגישים לאור השמש יותר מכפי שחשבו, אבל המהנדסים הצליחו להתאים את שיטות העבודה למצב הקיים והתגברו על הבעיה.
מדוע החללית מכוסה בשמיכת זהב?
בהדמיות שפורסמו לקראת המשימה נראית חללית יפה ומעוצבת. בתמונות האמיתיות רואים מעין גיבוב של חלקים עם רגליים, עטוף בשמיכת זהב מקומטת. אחת הסיבות להבדל בין ההדמיה למציאות היא העובדה שכדי לחסוך במשקל לא הרכיבו לחללית דפנות צד (סביב מכלי הדלק). השמיכה שעוטפת את מערכות החללית היא יריעה תרמית שנועדה לצמצם ככל האפשר את אובדן החום של המערכות האלקטרוניות של החללית. היא עשויה משכבות של פולימר בשם פוליאתילן טרפתלאט (Polyethylene terephthalate, או בקיצור PET), המסודרות בניצב זו לזו, כדי להגביר את האטימות. לכן החומר נקרא BoPET, (כלומר "פונה לשני כיוונים": Biaxially oriented PET).
כדי ליצור אטימות לאור מנדפים בין שכבות ה-PET גם שכבה דקיקה של מתכת, כמו אלומיניום או זהב. התוצאה המתקבלת הוא חומר דקיק אבל חזק מאוד, אטום לגמרי לאור נראה וגם לרוב הקרינה התת-אדומה, כלומר מונע מעבר של חום. החומר הזה מוכר לעתים בשם "מיילאר", אך יש לו גם שמות מסחריים נוספים.
בכדור הארץ האטמוספרה מפזרת את החום שמגיע מהשמש ושומרת אותו, לכן חם יחסית גם בלילה כשאיננו חשופים לשמש כלל. בחלל, בהיעדר אטמוספרה, שינויי הטמפרטורה קיצוניים מאוד. מול קרינה ישירה מהשמש הטמפרטורה יכולה לעלות מעל 150 מעלות צלזיוס, ובצל היא יורדת הרבה מתחת למאה מעלות מתחת לאפס. שמיכת הבידוד אמורה למתן את ההשפעות האלה על מערכות האלקטרוניקה של החללית – למנוע התחממות מקרינת שמש ישירה, ובעיקר לצמצם את בריחת החום כשהחלק הזה אינו פונה לשמש. כשישים גופי חימום זעירים שומרים על חום הרכיבים האלקטרוניים, והבידוד מפחית את הצורך להשתמש בהם וחוסך שימוש בחשמל ממצברי החללית.
ולבסוף: איך נוחתים על הירח?
ב-4 באפריל בשעות הערב אמורה החללית לחלוף קרוב לירח, ולהפעיל את המנוע בכיוון מנוגד לכיוון טיסתה, כדי להאט מספיק ולהילכד בכבידת הירח, כלומר להיכנס למסלול סביבו. בימים הבאים היא תפעיל שוב את המנועים כדי להנמיך את מסלולה.
היממה של הירח נמשכת כ-29 ימי ארץ, כלומר באזורים הקרובים לקו המשווה שלו יש כשבועיים של "יום" ושבועיים של "לילה". החללית מתוכננת לנחות בשעת "בוקר" של הירח, ב-11 באפריל, כשאזור הנחיתה, המכונה "ים הרוגע" יימצא באור יום, אבל עדיין לא יהיה חם מדי. זה חשוב משום שחום ה"צהריים" של הירח - כ-130 מעלות צלזיוס - ישבית כנראה את מערכותיה האלקטרוניות של "בראשית".
לקראת הנחיתה החללית תפעיל שוב את המנוע בכיוון מנוגד לכיוון טיסתה, כמעט עד לעצירה. מכיוון שהיא קרובה לירח היא תתחיל למעשה נפילה חופשית, אך הנפילה לא תהיה ישרה כלפי מטה אלא בקשת הנובעת מהאינרציה (התמדה) של החללית, כמו נפילה של כדור שזרקנו גם קדימה וגם לגובה.
כדי לדעת את הגובה המדויק מעל הירח תשתמש החללית במד טווח לייזר, שיאפשר לה למדוד את מרחקה מפני השטח וכן את מהירותה, בעזרת אפקט דופלר. בגובה של קילומטר בערך היא תסובב את רגליה כלפי מטה ותפעיל את המנוע, כביכול לטיסה כלפי מעלה. בפועל המנוע יתנגד חלקית לנפילה החופשית ויאט אותה. בגובה של כחמישה מטרים מעל פני הקרקע היא תכבה את המנוע, ותשלים את ההנמכה בנפילה חופשית קצר. בזכות הכבידה החלשה של הירח, נפילה מגובה חמישה מטרים שקולה לנפילה של פחות ממטר בכדור הארץ.
את כל הפעולות של הנחיתה תבצע החללית באופן אוטונומי. סדר הפעולות הדרושות לנחיתה מורכב מכדי שיהיה אפשר לבצע אותו ידנית מכדור הארץ, כשיש עיכוב של כמה שניות הנובע מהמרחק בין הירח לכדור הארץ. החללית מצוידת בכמה מצלמות, ובהן מצלמה בעלת עדשה רחבה המאפשרת תמונת "סלפי" שבה רואים את דגל ישראל על החללית. צילום עצמי של החללית עם דגל ישראל על פני הירח - זה הרגע שכולם מחכים לו.
איתי נבו, העורך הראשי של אתר מכון דוידסון לחינוך מדעי
תודה לאסף לוין, ראש תחום תוכנה בעמותת SpaceIL, על הנתונים והסיוע בהכנת הכתבה
לפנייה לכתב/ת 
