Буквально десять дней назад в атмосферу Марса влетел очередной американский марсоход Perseverance . На данный момент он стал третьим искусственным объектом, функционирующим на поверхности Красной планеты. Два других – это Curiosity и InSight.
Путь Perseverance от момента старта до выхода на орбиту занял 203 дня, InSight – 205 дней, а Curiosity – 208 дней. Если учесть, что обе планеты находятся в постоянном движении, то такое совпадение времени полета всех аппаратов заставляет задуматься: неужели все марсоходы садятся на какой-то межпланетный экспресс, который домчит их до нужного места строго по расписанию. Бред, конечно… А вдруг не бред?
Вообще, почему спутники и МКС летают над нашей головой, а не падают камнем вниз? Если бросить тот же камень, то он упадет на землю, пролетев какое-то расстояние. Кинешь быстрее – дольше пролетит, но всё равно встретится с земной поверхностью.
На минуту представим, что мы стоим на высокой горе и кидаем камни со всё возрастающей силой. Каждый камешек пролетает всё большее расстояние, вот уже очередной из них упал далеко за горизонтом. Если кинуть очень сильно, то он, несомненно, сможет облететь всю Землю и угодить нам в затылок. Если же увернуться от него, то камень так и будет летать, не в силах упасть обратно на Землю (забудем на время о сопротивлении воздуха).
Ракеты преследуют две задачи: поднять спутник на такую «гору» и сообщить им необходимую скорость, чтобы они не смогли упасть обратно. Она рассчитывается довольно легко и составляет для нашей планеты около 8 км/с.
Но давайте кинем наш камень еще быстрее. Что произойдет? Он отлетит немного в сторону, замедлится (Земля всё ещё тянет его назад), затем начнет «падать» обратно, ускоряясь. К моменту встречи с нашей планетой камень будет слишком быстрым, так что земная гравитация будет не в силах притянуть его к себе, она лишь изогнет его путь, чтобы он описал полукруг и снова повторил весь путь заново.
Именно по такому пути и летают все марсоходы. Вначале они ненадолго включают свои двигатели, чтобы увеличить скорость и устремляются по изогнутой траектории в форме сплюснутой окружности - эллипса. На том конце своего пути они пересекают орбиту Марса, и им достаточно лишь немного притормозить, чтобы гравитация Красной планеты смогла захватить межпланетный аппарат и сделать его своим искусственным спутником. Дальше всё происходит, смотря по обстоятельствам: либо приземлиться, либо остаться на орбите – всё зависит от того, какие задачи были поставлены перед аппаратом.
Запускать аппарат с Земли тоже нужно не абы когда, а в строго определённое время. Дело в том, что орбита Марса несколько вытянута, да и движется он медленнее, чем Земля. В итоге за один его оборот вокруг Солнца Земля успевает сделать почти два. Поэтому приблизительно каждые два года обе эти планеты подходят на максимально близкое расстояние друг к другу, причем месяц встречи постоянно смещается вперёд: в 2018 это был июль, в 2020 – октябрь, в 2022 это будет уже декабрь.
Метод полета к планетам по эллиптическим орбитам требует, чтобы в момент запуска аппарата обе планеты находились по разные стороны от Солнца, да еще на одной с ним линии. А если учесть, что они должны быть как можно ближе друг к другу, то начало полета обычно производят за несколько месяцев до даты сближения двух небесных тел.
Это напоминает попытку человека запрыгнуть на подножку проносящегося мимо поезда: он прыгнет не тогда, когда она будет рядом с ним, а немного раньше – чтобы к моменту окончания прыжка оказаться в нужном месте.
Это время самого оптимального запуска ракеты с аппаратом называется «окном запуска», и для Марса оно длится около 20 дней. Если не успел – придется ждать почти два года до следующего раза.
Плюс этого способа заключается в том, что для него нужно относительно мало топлива: всего-то два кратковременных включения двигателя, может быть, ещё небольшие коррекции орбиты из-за влияния гравитации Солнца и других планет. Для того, чтобы полететь на Марс, космическому аппарату нужно увеличить свою скорость дополнительно на 3,5 км/с, для полета к Юпитеру – уже 6 км/с, а к внешним планетам – на целых 8 – 9 км/с.
Существенный минус полета по такой траектории (которую называют гомановской в честь ученого, её предложившего) – лететь очень долго. Ладно Марс – он по меркам космоса почти под боком. До Юпитера долететь получится только за 32,5 месяца, к следующей по списку планете – Сатурну - путь займет пять лет, а до Плутона вообще лететь 45 лет.
Да и набрать такие скорости современные ракеты могут с трудом. Те же «Новые горизонты», которые позволили нам впервые увидеть Плутон во всей красе, в момент отлета с Земли обладали самой высокой скоростью – 16,6 км/с, но при подлете к Юпитеру Солнце своим притяжением затормозило станцию до 14 км/с. Повторный разгон двигателями отпадает, так как количество топлива на борту АМС ограничено, и оно ценится на вес золота.
Что такое ракета? Это просто очень легкая пустотелая конструкция, до отказа заполненная ракетным топливом. Расход этого топлива просто чудовищный: несколько тонн в секунду. Чтобы поднять Вояджер весом в 700 кг, понадобилась ракета весом в 600 тонн.
Захотите полететь быстрее – придется брать топливо с собой в дорогу. Больше топлива – больше стартового веса – больше топлива, чтобы поднять всё это – тяжелее ракета – больше топлива, чтобы поднять потяжелевшую ракету и так далее. В общем, заколдованный круг какой-то. Нужен был способ нарастить скорость, но как его найти?
И тут на помощь людям пришла гравитация
Чтобы разогнать корабль, можно обойтись вообще без топлива. Для этого достаточно воспользоваться методом гравитационного манёвра, который даёт существенную прибавку. Например, Юпитер своим полем тяготения изменил траекторию движения АМС «Новые горизонты», сообщив ему дополнительно 4 км/с. Как это произошло?
Представьте, что вы бросаете мяч СПЕРЕДИ в проезжающий мимо автомобиль (не вздумайте делать этого на самом деле!). Отскочив от лобового стекла, он изменит своё направление. Для перепуганного водителя скорость мячика не изменилась, а вот для вас, пусть и незначительно, шарик ускорился. Можно сказать, что автомобиль «поделился» с мячиком своей скоростью: он замедлился ровно настолько, насколько ускорился наш мяч. Просто из-за огромной разницы в массе для автомобиля такое замедление осталось практически незаметным.
То же происходит и в космосе. Планеты делятся своей энергией движения с космическим аппаратом, просто разнице в их массе ещё больше. Для того, чтобы ускориться относительно Солнца, космический аппарат подлетает к планете сзади. Гравитация начнёт тянуть его к себе, изменяя траекторию и, соответственно, скорость. Чем ближе наш объект пролетит возле планеты, тем выше будет полученная им скорость – главное, всё правильно рассчитать, иначе вместо успешного продолжения миссии получится очень дорогой метеорит, который врежется в планету. Заметим также, что таким образом можно и замедлить аппарат, если он пролетит ПЕРЕД планетой.
Наращение скорости с помощью гравитационных манёвров позволяет значительно сократить время полета. Орбита разогнанного аппарата уже не эллипс, ведь его скорость такова, что повернуть его обратно планета уже не сможет. Дальнейший путь зонда будет по форме приближаться к гиперболе, и при таком раскладе он уже никогда не вернется назад в Солнечную систему.
Но настоящим рекордсменом является Вояджер-2, который смог нарастить скорость последовательно у Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. В настоящее время его скорость относительно Солнца составляет почти 17 км/с и он улетел от него почти на 19 миллиардов км (но при это в настоящее время расстояние между ним и Землей сокращается: подумайте, почему, и напишите в комментариях).
Что касается полетов к внутренним планетам, то тут задача намного сложнее. Дело в том, что все спутники на орбите вокруг Земли всё ещё остаются в её поле тяготения, наша планета увлекает их собой в путешествие вокруг Солнца с сумасшедшей скоростью 30 км/с. Чтобы начать падать на Солнце, нам необходимо начать двигаться медленнее. Обычно для этого аппараты запускают в противоположную сторону от движения Земли, ими как бы стреляют назад.
Только и этого недостаточно. Поэтому, например, "Мессенджер", который отправили изучать Меркурий, произвёл несколько гравитационных маневров у Земли, Венеры и самого Меркурия, в результате которых постепенно снижал свою скорость. Он как бы спускался вниз по ступенькам, по направлению к Солнцу. Сложность в том, что каждый такой маневр требует много времени, ведь встретившись с «тормозящей» планетой, придется ждать повторной встречи с ней, которая произойдет через много месяцев.
Еще один важный момент, который нужно учитывать при этом: спускаясь, аппарат ускоряется, ведь по существу он «падает» на Солнце, и эту скорость тоже нужно сбрасывать. Вот и получается, что к близко расположенному Меркурию летели семь лет, а к Плутону – 9.
Пока мы, к сожалению, не можем уйти от использования химических ракет. И именно их применение и накладывает ограничения на скорость и время полетов к другим планетам. Возможно, в будущем мы сможем построить корабли на принципиально других основах, что позволит нам открыть дорогу к другим мирам. Эх, мечты, мечты…