Одне з найскладніших запитань, які любитель космічних тем може поставити експерту — запитання про те, скільки часу може зайняти подорож із Землі на іншу планету Сонячної системи та як можна зробити це швидше. Відповідь на нього залежить від багатьох факторів.
Подорож на інші планети
Скільки часу треба для того, аби долетіти до Марса? А до Сатурна? А якщо при цьому летіти вдвічі швидше? Усі ці запитання не такі прості, як здається. На Землі ми звикли, що якщо маємо два міста, з’єднані автошляхом чи залізницею, і знаємо середню швидкість руху автомобіля або потяга, то можемо просто поділити відстань на швидкість — і отримаємо приблизний час у дорозі.
Якщо подивитися на спрощену модель Сонячної системи, де планети розташовуються одна за одною, то може виникнути враження, що у космосі все так само. Якщо середня відстань від Землі до Сонця — 149,6 млн км, а Марса — 227,9 млн км, то 227,9 – 149,6 = 78,3 млн км. Далі можна поділити її на швидкість космічного корабля в км/с і отримати час польоту в секундах.
Але подивімось на мінімальний час, який витрачали космічні апарати для того, аби досягти того чи іншого небесного тіла. Ми побачимо, що насправді все значно складніше, адже рекордний політ для Меркурія був трохи довшим, ніж до Марса, хоча середня відстань до нього трохи менша. А єдиний здійснений політ до Вести зайняв значно більше часу, ніж рекордний за швидкістю політ до Юпітера. У чому ж річ? Розберімося разом!
Рух орбітами
Перше, що треба зрозуміти: на відміну від міст на Землі, планети не стоять на Місці, а рухаються орбітами. А орбіта має ближню точку (перицентр), дальню (апоцентр) і ексцентриситет — характеристику, що визначає її витягнутість. Тобто насправді навіть відстань небесного тіла від центру обертання весь час змінюється за достатньо складним законом.
У випадку Місяця все не так складно, оскільки треба враховувати тільки його власний рух, а Землю вважати нерухомою. Тому тут все у першому наближенні відносно просто: дистанція польоту змінюється від 362 до 405 тис. км.
У випадку з іншими великими й карликовими планетами все значно складніше, оскільки й вони самі, й Земля одночасно рухаються своїми орбітами, кожна зі своєю швидкістю, афелієм, перигелієм, ексцентриситетом та навіть нахилом до екліптики.
У кожен момент часу відстань між двома тілами різна, і при цьому їхнє положення у системі координат, прив’язаної до Сонця, весь час змінюється. Тобто, запускаючи апарат до якоїсь планети, треба пам’ятати, що зустрітися з нею він має не в тій точці, де вона перебуває зараз, а в якійсь іншій, в якій вона буде за певний проміжок часу.
Відстані між планетами та їхні орбітальні швидкості є достатньо великими для того, аби з ними доводилося рахуватися навіть при перших, найгрубіших розрахунках часу польоту. Насправді на цьому рівні розуміння не все так погано, адже існує мінімальна відстань між Землею і якоюсь планетою. Наприклад, між Землею та Марсом вона змінюється від 55,76 до 401 млн км, і який момент часу не візьмеш, вона буде залишатися у цих межах, не більше і не менше.
Сили у космосі
Здавалося б, виходячи із цих оцінок, можна визначити хоча б діапазон, у якому змінюється час польоту між планетами. Просто поділити дві величини на швидкість космічного корабля. І це знову буде помилкою. Адже щойно ми замислюємося над тим, з якою швидкістю може рухатися космічний апарат, ми виходимо за межі простої схеми «шлях — швидкість — час» і переходимо до поняття прискорення, а отже — і до сили, яка це прискорення забезпечує.
На Землі ми для таких простих розрахунків можемо ними нехтувати. Автомобіль, потяг чи навіть літак рухаються, кожної секунди відштовхуючись від чогось у зовнішньому середовищі: дороги, рейок чи повітря. Вони щоразу мають докладати деяку кількість сили для того, аби подолати дію сил земного тяжіння та тертя і забезпечувати прискорення, яке буде врівноважувати гальмування.
У космосі середовища немає. Тож прискорюватися там можна тільки значно витратнішим способом: викидаючи з двигуна певну масу з деякою швидкістю. Зате відсутність сили тертя також означає, що якщо космічний корабель набрав певну швидкість, то, на відміну від потяга чи літака, він її практично не втрачатиме впродовж днів, тижнів, а то й років польоту.
Проблема полягає в тому, що, досягнувши цілі, потрібно не просто пролетіти повз неї, а вийти на її орбіту. А для цього необхідно загальмувати. І зробити це доведеться тим самим способом, що й під час розгону — скидаючи масу за допомогою ракетного двигуна. Це, своєю чергою, вимагає значних витрат енергії та ресурсів.
Щобільше, всю цю масу, яка на кінцевій ділянці траєкторії буде просто викинута в космос заради гальмування, треба спочатку прискорити разом із корисним навантаженням апарата. Насправді наша можливість прискорювати космічні апарати достатньо обмежена. Зокрема всі рекорди швидкості перельоту між планетами, показані на інфографіці, крім апарата Dawn, що досліджував Весту, встановлені саме пролітними місіями, яким не доводилося гальмувати біля самого небесного тіла.
Крім того, не існує жодної універсальної «швидкості космічних апаратів». Вона щоразу визначається індивідуально — залежно від конкретної місії. Насправді ж навіть звичне уявлення про те, що космічний апарат спочатку розганяється, потім летить прямолінійно до точки зустрічі з іншим небесним тілом і там гальмує — досить умовне й спрощене.
Бо увесь цей час не враховувалася головна сила, що діє у Сонячній системі й взагалі тримає її докупи, — тяжіння Сонця. Воно впливає і на сам космічний апарат, надаючи йому прискорення у бік нашої зорі, й тут все взагалі стає достатньо складним, оскільки залежно від конкретної траєкторії воно може прискорювати, гальмувати космічний корабель чи змінювати напрямок його польоту.
Тому насправді траєкторії руху космічних апаратів нагадують не прямі, а криві, у випадку багаторічних польотів — навіть спіралі. Фактично, якщо зонд полишає сферу тяжіння Землі зі швидкістю, меншою за 16,6 км/с, то він в цей момент перебуває на власній навколосонячній орбіті, яка просто перетинається у певній точці з орбітою цілі. І якщо він у цій точці не загальмує, то так і продовжить кружляти навколо нашої зорі.
Це пояснює деякі дивні речі, пов’язані з рекордами швидкості перельотів між планетами. Наприклад, для того, аби досягти Меркурія, апарату, по суті, треба дуже сильно загальмувати відносно Сонця і спочатку перейти на орбіту, що нагадує кометну, а потім загальмувати ще раз для того, аби зменшити свій афелій. Саме так свого часу зробив зонд Mariner 10 у 1973–74 роках, і це потребувало просто неймовірних, як для такого невеликого апарата, витрат палива.
Саме тому такий підхід більше не застосовують. У космічних місіях важливіше доставити більше корисного навантаження на орбіту планети, ніж долетіти до неї якомога швидше. Тож сучасні апарати використовують складні, подовжені траєкторії, які дозволяють за допомогою точних розрахунків і гравітаційних маневрів спрямувати апарат у потрібному напрямку з мінімальними витратами палива.
Гравітаційні маневри та аеродинамічне гальмування
Головний трюк, який використовують інженери, щоб зробити подорожі космічних апаратів жвавішими, — гравітаційний маневр. Якщо сила тяжіння небесного тіла може самостійно надавати апарату прискорення, то чому б не скористатися нею для зміни траєкторії руху без значних витрат палива?
Для цього лише треба, щоб траєкторія польоту пролягала поблизу від небесного тіла і була розрахована так, аби отримане прискорення призвело не до зіткнення з ним, а до потрібної зміни вектора швидкості. У разі потреби гравітаційний маневр можна повторити кілька разів, а також підсилити його ефект, ввімкнувши двигун у потрібний момент — це дозволяє ще більше скоротити час подорожі. Апарат Voyager-2, наприклад, робив так аж чотири рази, перш ніж залишити межі Сонячної системи.
Інший фокус називається аеродинамічним гальмуванням. Він поки що використовувався не так часто, але розглядається як дуже перспективний. Суть його полягає в тому, що можна сильно скоротити витрати палива на гальмування під час виходу на орбіту планети або зовсім позбутися їх. Для цього лише треба по дотичній влетіти у зовнішні шари атмосфери планети, й сила тертя, якої так не вистачало у космосі, загальмує апарат. Проте треба пам’ятати, що при цьому космічний апарат зазнає такого впливу, ніби його одночасно розплавляють, оброблюють напилком та зминають.
Потрібно забезпечити структурну міцність апарата та оснастити його тепловим екраном. Проте навіть у цьому разі залишається ймовірність, що проявиться якийсь незначний дефект — і корабель буде зруйновано. Попри це, у майбутньому цей спосіб цілком може стати звичним, особливо для безпілотних зондів.
Чи можна летіти швидше?
Через усі ці труднощі запуски з Землі до інших небесних тіл майже завжди відбуваються у чітко визначені періоди, коли взаємне розташування планет робить переліт максимально ефективним. Такі періоди називаються стартовими вікнами. Наприклад, для польоту на Марс стартове вікно відкривається приблизно раз на два роки.
Проте навіть якщо використовувати стартові вікна, то час подорожі до внутрішніх планет вимірюватиметься місяцями, а до Юпітера, Сатурна чи Урана — роками. Використання гравітаційних маневрів та аеродинамічного гальмування може сильно зменшити строки перельотів, але не більш як вдвічі-тричі.
Тож що ж має змінитися, аби суттєво скоротити час подорожей між планетами Сонячної системи?
Насамперед потрібно значно підвищити ефективність розгону та гальмування космічних апаратів. Ця ефективність визначається тим, яке прискорення апарат отримує під час викидання одиниці маси робочої речовини через сопло реактивного двигуна. Цей параметр називається питомим імпульсом. У хімічних реактивних двигунів він порівняно невеликий, що суттєво обмежує їхню ефективність у міжпланетних польотах.
Іонні двигуни, які використовувалися, наприклад, на зонді Dawn, значно ефективніші. Ще кращими мають бути магнітоплазмові двигуни, а за ними вже прийдуть ядерні й термоядерні. Наскільки при цьому вдасться реально підвищити їхній питомий імпульс, залишається дискусійним питанням. Цілком можливо, що в десятки й сотні разів. І в цьому разі все справді може відчутно змінитися.
Адже багато в чому складність усієї сучасної орбітальної динаміки визначається тим, що швидкості, на яких літають космічні апарати, все ще лишаються в межах третьої космічної або порівнюваними з нею. А це — ті самі 16,6 км/с для Землі. Якщо вони будуть набагато більшими за неї — 100, 200 чи 300 км/с, — то правила гри вже суттєво зміняться, бо сумарна зміна швидкості, яку отримує апарат під час польоту, виявиться дуже невеликою і її можна буде менше враховувати.
Стартові вікна залишаться, але стануть набагато ширшими. Траєкторії апаратів при підвищенні швидкості ставатимуть все прямішими й прямішими, й у певний момент ситуація наблизиться до тієї спрощеної схеми, де просто є три ділянки польоту: прискорення, вільний політ та гальмування.
У такому разі політ до внутрішніх планет потребуватиме вже днів та тижнів, а шлях до зовнішніх — тижнів і місяців. Здавалося б, це теж величезний час у порівнянні з пересуванням по Землі, коли ми звикли, що літаком у будь-яку точку планети можна дістатися менше, ніж за добу.
Проте якщо ми хочемо досліджувати космос, то маємо прийняти його таким, який він є. А він — неймовірно великий. Настільки, що навіть світлу потрібно кілька годин, аби подолати відстань до меж Сонячної системи.
