Один из самых сложных вопросов, которые любитель космических тем может задать эксперту — вопрос о том, сколько времени может занять путешествие с Земли на другую планету Солнечной системы и как можно сделать это быстрее. Ответ на него зависит от многих факторов.
Путешествие на другие планеты
Сколько времени нужно для того, чтобы долететь до Марса? А до Сатурна? А если при этом лететь вдвое быстрее? Все эти вопросы не так просты, как кажется. На Земле мы привыкли, что если имеем два города, соединенные автодорогой или железной дорогой, и знаем среднюю скорость движения автомобиля или поезда, то можем просто разделить расстояние на скорость — и получим приблизительное время в пути.
Если посмотреть на упрощенную модель Солнечной системы, где планеты располагаются одна за другой, то может возникнуть впечатление, что в космосе все то же самое. Если среднее расстояние от Земли до Солнца — 149,6 млн км, а Марса — 227,9 млн км, то 227,9 — 149,6 = 78,3 млн км. Далее можно разделить его на скорость космического корабля в км/с и получить время полета в секундах.
Но посмотрим на минимальное время, которое тратили космические аппараты для того, чтобы достичь того или иного небесного тела. Мы увидим, что на самом деле все значительно сложнее, ведь рекордный полет для Меркурия был немного длиннее, чем до Марса, хотя среднее расстояние до него немного меньше. А единственный совершенный полет к Весте занял значительно больше времени, чем рекордный по скорости полет к Юпитеру. В чем же дело? Давайте разберемся вместе.
Движение по орбитам
Первое, что надо понять: в отличие от городов на Земле, планеты не стоят на Месте, а движутся по орбитам. А орбита имеет ближнюю точку (перицентр), дальнюю (апоцентр) и эксцентриситет — характеристику, определяющую ее вытянутость. То есть на самом деле даже расстояние небесного тела от центра вращения все время меняется по достаточно сложному закону.
В случае Луны все не так сложно, поскольку надо учитывать только ее собственное движение, а Землю считать неподвижной. Поэтому здесь все в первом приближении относительно просто: дистанция полета меняется от 362 до 405 тыс. км.
В случае с другими большими и карликовыми планетами все значительно сложнее, поскольку и они сами, и Земля одновременно движутся по своим орбитам, каждая со своей скоростью, афелием, перигелием, эксцентриситетом и даже наклоном к эклиптике.
В каждый момент времени расстояние между двумя телами разное, и при этом их положение в системе координат, привязанной к Солнцу, все время меняется. То есть, запуская аппарат к какой-то планете, надо помнить, что встретиться с ней он должен не в той точке, где она находится сейчас, а в какой-то другой, в которой она будет через определенный промежуток времени.
Расстояния между планетами и их орбитальные скорости достаточно велики для того, чтобы с ними приходилось считаться даже при первых, самых грубых расчетах времени полета. На самом деле на этом уровне понимания не все так плохо, ведь существует минимальное расстояние между Землей и какой-то планетой. Например, между Землей и Марсом оно меняется от 55,76 до 401 млн км, и какой момент времени не возьмешь, оно будет оставаться в этих пределах, не больше и не меньше.
Силы в космосе
Казалось бы, исходя из этих оценок, можно определить хотя бы диапазон, в котором меняется время полета между планетами. Просто разделить две величины на скорость космического корабля. И это опять будет ошибкой. Ведь как только мы задумываемся над тем, с какой скоростью может двигаться космический аппарат, мы выходим за пределы простой схемы «путь — скорость — время» и переходим к понятию ускорения, а значит — и к силе, которая это ускорение обеспечивает.
На Земле мы для таких простых расчетов можем ими пренебречь. Автомобиль, поезд или даже самолет движутся, каждую секунду отталкиваясь от чего-то во внешней среде: дороги, рельсов или воздуха. Они каждый раз должны прилагать некоторое количество силы для того, чтобы преодолеть действие сил земного притяжения и трения и обеспечивать ускорение, которое будет уравновешивать торможение.
В космосе среды нет. Поэтому ускоряться там можно только значительно более затратным способом: выбрасывая из двигателя определенную массу с некоторой скоростью. Зато отсутствие силы трения также означает, что если космический корабль набрал определенную скорость, то, в отличие от поезда или самолета, он ее практически не будет терять в течение дней, недель, а то и лет полета.
Проблема заключается в том, что, достигнув цели, нужно не просто пролететь мимо нее, а выйти на ее орбиту. А для этого необходимо затормозить. И сделать это придется тем же способом, что и при разгоне — сбрасывая массу с помощью ракетного двигателя. Это, в свою очередь, требует значительных затрат энергии и ресурсов.
Более того, всю эту массу, которая на конечном участке траектории будет просто выброшена в космос ради торможения, надо сначала ускорить вместе с полезной нагрузкой аппарата. На самом деле наша возможность ускорять космические аппараты достаточно ограничена. В частности, все рекорды скорости перелета между планетами, показанные на инфографике, кроме аппарата Dawn, исследовавшего Весту, установлены именно пролетными миссиями, которым не приходилось тормозить у самого небесного тела.
Кроме того, не существует никакой универсальной «скорости космических аппаратов». Она каждый раз определяется индивидуально — в зависимости от конкретной миссии. На самом же деле даже привычное представление о том, что космический аппарат сначала разгоняется, затем летит прямолинейно до точки встречи с другим небесным телом и там тормозит — довольно условно и упрощенно.
Потому что все это время не учитывалась главная сила, действующая в Солнечной системе, — притяжение Солнца. Оно влияет и на сам космический аппарат, придавая ему ускорение в сторону нашей звезды, и здесь все вообще становится достаточно сложным, поскольку в зависимости от конкретной траектории оно может ускорять, тормозить космический корабль или менять направление его полета.
Поэтому на самом деле траектории движения космических аппаратов напоминают не прямые, а кривые, в случае многолетних полетов — даже спирали. Фактически, если зонд покидает сферу притяжения Земли со скоростью меньше 16,6 км/с, то он в этот момент находится на собственной околосолнечной орбите, которая просто пересекается в определенной точке с орбитой цели. И если он в этой точке не затормозит, то так и продолжит кружить вокруг нашей звезды.
Это объясняет некоторые странные вещи, связанные с рекордами скорости перелетов между планетами. Например, для того, чтобы достичь Меркурия, аппарату, по сути, надо очень сильно затормозить относительно Солнца и сначала перейти на орбиту, напоминающую кометную, а затем затормозить еще раз для того, чтобы уменьшить свой афелий. Именно так в свое время сделал зонд Mariner 10 в 1973–74 годах, и это потребовало просто невероятных, как для такого небольшого аппарата, расходов топлива.
Именно поэтому такой подход больше не применяют. В космических миссиях важнее доставить больше полезной нагрузки на орбиту планеты, чем долететь до нее как можно быстрее. Поэтому современные аппараты используют сложные, длинные траектории, которые позволяют с помощью точных расчетов и гравитационных маневров направить аппарат в нужном направлении с минимальными затратами топлива.
Гравитационные маневры и аэродинамическое торможение
Главный трюк, который используют инженеры для того, чтобы сделать путешествия космических аппаратов более быстрыми — гравитационный маневр. Если сила тяжести небесного тела может самостоятельно придавать аппарату ускорение, то почему бы не воспользоваться ею для изменения траектории движения без значительных затрат горючего?
Для этого лишь надо, чтобы траектория полета пролегала вблизи от небесного тела и была рассчитана так, чтобы полученное ускорение привело не к столкновению с ним, а к нужному изменению вектора скорости. В случае необходимости гравитационный маневр можно повторить несколько раз, а также усилить его эффект, включив двигатель в нужный момент — это позволяет еще больше сократить время путешествия. Аппарат Voyager-2, например, делал так аж четыре раза, прежде чем покинуть пределы Солнечной системы.
Другой фокус называется аэродинамическим торможением. Он пока что использовался не так часто, но рассматривается как очень перспективный. Суть его заключается в том, что можно сильно сократить затраты топлива на торможение при выходе на орбиту планеты или вовсе избавиться от них. Для этого лишь надо по касательной влететь во внешние слои атмосферы планеты, и сила трения, которой так не хватало в космосе, затормозит аппарат. Однако надо помнить, что при этом космический аппарат подвергается такому воздействию, будто его одновременно расплавляют, обрабатывают напильником и сминают.
Нужно обеспечить структурную прочность аппарата и оснастить его тепловым экраном. Однако даже в этом случае остается вероятность, что проявится какой-то незначительный дефект — и корабль будет разрушен. Несмотря на это, в будущем этот способ вполне может стать привычным, особенно для беспилотных зондов.
Можно ли лететь быстрее?
Из-за всех этих трудностей запуски с Земли к другим небесным телам почти всегда происходят в четко определенные периоды, когда взаимное расположение планет делает перелет максимально эффективным. Такие периоды называются стартовыми окнами. Например, для полета на Марс стартовое окно открывается примерно раз в два года.
Однако даже если использовать стартовые окна, то время путешествия к внутренним планетам будет измеряться месяцами, а к Юпитеру, Сатурну или Урану — годами. Использование гравитационных маневров и аэродинамического торможения может сильно уменьшить сроки перелетов, но не более чем в 2-3 раза.
Так что же должно измениться, чтобы существенно сократить время путешествий между планетами Солнечной системы? Прежде всего нужно значительно повысить эффективность разгона и торможения космических аппаратов. Эта эффективность определяется тем, какое ускорение аппарат получает при выбрасывании единицы массы рабочего вещества через сопло реактивного двигателя. Этот параметр называется удельным импульсом. У химических реактивных двигателей он сравнительно невелик, что существенно ограничивает их эффективность в межпланетных полетах.
Ионные двигатели, которые использовались, например, на зонде Dawn, значительно эффективнее. Еще лучше должны быть магнитоплазменные двигатели, а за ними уже придут ядерные и термоядерные. Насколько при этом удастся реально повысить их удельный импульс, остается дискуссионным вопросом. Вполне возможно, что в десятки и сотни раз. И в этом случае все действительно может ощутимо измениться.
Ведь во многом сложность всей современной орбитальной динамики определяется тем, что скорости, на которых летают космические аппараты, все еще остаются в рамках третьей космической или сравнимыми с ней. А это — те же 16,6 км/с для Земли. Если они будут намного больше ее — 100, 200 или 300 км/с, — то правила игры уже существенно изменятся, потому что суммарное изменение скорости, которую получает аппарат во время полета, окажется очень небольшим и его можно будет меньше учитывать.
Стартовые окна останутся, но станут гораздо шире. Траектории аппаратов при повышении скорости будут становиться все прямее и прямее и в определенный момент ситуация приблизится к той упрощенной схеме, где просто есть три участка полета: ускорение, свободный полет и торможение.
В таком случае полет к внутренним планетам потребует уже дней и недель, а путь к внешним — недель и месяцев. Казалось бы, это тоже огромное время по сравнению с передвижением по Земле, когда мы привыкли, что самолетом в любую точку планеты можно добраться меньше, чем за сутки.
Однако если мы хотим исследовать космос, то должны принять его таким, какой он есть. А он — невероятно велик. Настолько, что даже свету нужно несколько часов, чтобы преодолеть расстояние до границ Солнечной системы.
