Один из читателей прислал нам следующий вопрос:
Доброго времени суток. Правда ли, что полёт к Марсу возможен только раз в два года? Если да, то почему?
Если коротко — нет, это не правда, однако в зависимости от взаимного положения Земли и Марса количество топлива требуемое для полёта может отличаться в разы. Примерно раз в полтора года возникают наиболее оптимальные условия для полёта к Марсу, причем эти оптимальные условия настолько лучше всех прочих, что любое другое время для отправки космических аппаратов к Марсу попросту не рассматривается.
Существует несколько возможных траекторий для полёта по маршруту Земля-Марс и не каждая из этих траекторий подразумевает старт с Земли, когда Земля и Марс находятся относительно близко друг к другу, к примеру в некоторых траекториях полётов по маршруту Земля - Марс - Земля используется гравитационный манёвр вокруг Венеры, поэтому на даты стартового окна в не меньшей степени влияет позиция Венеры.
Однако возвращаемые миссии на Марс — дело будущего. Сейчас зонды и марсоходы отправляют на Марс в один конец и для такого полёта действительно запуск должен состояться когда Марс и Земля находятся довольно близко.
Марс и Земля достигают наибольшего сближения в моменты, которые называются противостояниями или оппозициями. Однако космические аппараты не запускают точно в моменты противостояний.
Космический аппарат стараются отправить по траектории требующей наименьшего возможного количества топлива. Лучше всего для этого подходит т.н. гомановская орбита. Данная орбита работает следующим образом: космический аппарат стартует с орбиты Земли в перицентре — происходит первый импульс работы двигателя. Цель этого импульса увеличить афелий орбиты таким образом, чтобы он находился в точке на орбите Марса с другой стороны от Солнца по отношению к стартовой точке.
Таким образом наша цель состоит в том, чтобы Марс оказался в той же точке, что и наш космический аппарат. Период гомановской орбиты составляет 520 дней, но так как космический аппарат преодолевает только половину орбиты, это означает, что путь к Марсу должен будет занять 260 дней. Орбитальный период Марса — 687 дней, т.е. за 260 дней Марс пройдёт угловое расстояние в 136 градусов, в то время как наш аппарат — 180 градусов. Это означает, что для того, чтобы космический аппарат и Марс встретились запуск должен состояться, когда Марс будет на 44 градуса впереди Земли (180-136=44). На практике это означает, что мы должны запустить ракету с космическим аппаратом примерно за 3 месяца до того, как Марс и Земля окажутся в оппозиции.
Рассуждения приведённые выше относятся к идеальным условиям, которые возникают далеко не всегда. Во-первых космический аппарат редко движется по чистой гомановской траектории, так как орбитальные плоскости Земли и Марса наклонены под углом 1.85 градусов, что требует дополнительных манёвров. Поэтому на практике время старта и продолжительность полёта могут отличаться от гомановских.
Кроме того существует трёхимпульсная схема запуска аппаратов к другим планетам солнечной системы получивший название MEGA (Moon and Earth Gravity Assist).
Суть этой схемы в том, что аппарат запускается на геостационарную орбиту, где двигатели совершают импульс, который увеличивает апогей орбиты аппарата и отправляет его в точку за Луной. В апогее снова совершается импульс направляющий аппарат обратно к Земле таким образом, чтобы на своём пути он совершил гравитационные манёвры возле Луны и Земли и набрал дополнительную скорость. Наконец в перигее орбиты двигатели совершают третий импульс направляющий аппарат на переходную траекторию к Марсу или другой планете.
Этот подход был использован во время запуска к Марсу японского зонда Нодзоми. К сожалению гравитационный манёвр возле Земли пошел не так, как рассчитывали японские учёные и в результате зонд чуть было не был потерян.
Источники
- A. Miele, T. Wang. Optimal trajectories for Earth-Mars flight
- M. Okutsu, J. M. Longuski. Mars Free Returns via Gravity Assist from Venus
- J. Kawaguchi, I. Naktani, T. Uesugi, K. Tsurida. Synthesis of an alternative flight trajectory for Mars explorer, Nozomi
Авторы: к.т.н. Петров А.В., астрофизик Карасенко Ф.В.
Подписывайтесь на наш канал здесь, а также на наш канал на youtube. Каждую неделю там выходят видео, где мы отвечаем на вопросы о космосе, физике, футурологии и многом другом!