Добро пожаловать на борт космического корабля, готового к путешествию на Марс. Однако, прежде чем мы начнем этот перелет, стоит остановиться и обдумать все сложности, связанные с таким долгим путешествием.
Перелеты между планетами — это не прогулка по парку. Они требуют серьезных инженерных знаний и понимания принципов небесной механики. Один из основных вызовов — это время путешествия. Даже используя самые современные технологии, путешествие от Земли до Марса займет многие месяцы.
Длительность перелета ставит перед нами серьезную проблему: как обеспечить команду корабля всем необходимым на такой долгий срок? Речь не только о еде, воде и воздухе, но и о медицинском обслуживании, психологическом комфорте, а также о необходимости обеспечить защиту от космической радиации. Не говоря уже о том, что на протяжении всего полета нужно обеспечить безотказную работу всех технических систем корабля.
Космическая ракета - это самое быстрое средство передвижения, изобретенное человеком. Давайте попробуем разобраться, почему же рейс до Красной планеты займет столько времени?
Сколько времени займет перелет?
Один из наиболее важных вопросов, которые возникают при планировании межпланетных путешествий - время, необходимое для перелета. В случае с Марсом, это обычно занимает от 7 до 9 месяцев. Такой разброс может варьироваться в зависимости от конкретного пускового окна (взаимного расположения Земли и Марса) и может отличаться от года к году.
Чаще всего для межпланетных путешествий используется перелет по так называемой Гомановской траектории. Это наиболее энергоэффективный способ перелета от одной планеты к другой. Гомановская траектория представляет собой переходную эллиптическую орбиту, которая касается орбиты исходной планеты в одном месте и орбиты целевой планеты - в другом. Название получила по имени немецкого математика Вальтера Гомана, который внес значительный вклад в теорию орбит.
Важно понимать, что, несмотря на то что полет по такой траектории является наиболее энергоэффективным (требует минимальных затрат топлива), он также требует наибольшего времени. Тем не менее, на текущем уровне развития технологий это наиболее распространенный вариант для путешествий к Марсу.
Понятие пускового окна.
Пусковое окно - это специфический период времени, когда условия для полета на другую планету наиболее благоприятные. Для путешествия с Земли на Марс таким периодом обычно является момент, когда Земля "догоняет" Марс на своей орбите. Как видно на схеме выше, угол Земля-Солнце-Марс в этот момент составляет около 45 градусов. Только в такой момент аппарат может быть запущен по Гомановской траектории.
Однако такие условия не возникают каждый день. Земля и Марс движутся по своим орбитам с разными скоростями, и Земля "догоняет" Марс примерно каждые 26 месяцев. Это означает, что окно для отправки миссии на Марс открывается примерно раз в 2 года.
Такая периодичность означает, что миссии на Марс должны быть тщательно спланированы заранее, и все отклонения от графика могут привести к значительным задержкам. Для возвращения с Марса также требуется подобное планирование, так как возвращение на Землю возможно только в определенные периоды времени, когда Марс "догоняет" Землю.
Стоит учесть, что как только вы прибыли к Марсу по Гомановской траектории, Земля в этот момент ушла немного дальше по своей орбите. Такое расположение наименее благоприятно для обратного перелета. Поэтому космическому кораблю придется провести еще около полутора лет на орбите Марса (или на его поверхности), прежде чем откроется пусковое окно для обратного рейса. Суммируя все эти временные промежутки (9 месяцев до Марса, полтора года в его окрестностях и 9 месяцев обратно к Земле), можно понять, что для астронавтов это означает длительную, многолетнюю экспедицию.
Характеристическая скорость космического корабля.
Характеристическая скорость, или дельта-V, - это общее изменение скорости, которое требуется космическому аппарату для выполнения определенной миссии. Она является ключевым параметром при проектировании космического аппарата и планировании миссий, так как это определяет количество топлива, которое необходимо для миссии, и влияет на массу аппарата.
Для отправки космического аппарата с Земли на Марс, и затем возврата обратно, требуется определенное значение характеристической скорости. Для полета по самой "экономной", Гомановской траектории, с низкой околоземной орбиты до Марса необходимо около 4.2 км/с. Затем, для выхода на стабильную марсианскую орбиту требуется примерно 1.4 км/с для маневра торможения.
Итого, общая необходимая характеристическая скорость для такого перелета составляет примерно 5.6 км/с в одну сторону. При этом корабль достигает не поверхности Марса, а лишь выходит на его орбиту.
(Приведенные цифры являются приблизительными и могут варьироваться в зависимости от конкретных деталей миссии, таких как выбор конкретной траектории, точности маневров и так далее.)
Формула Циолковского.
Но как посчитать характеристическую скорость, которой способен достичь наш межпланетный корабль? В этом поможет формула Циолковского.
В простейшем виде она сводится лишь к двум параметрам:
- Удельный импульс двигательной установки.
Удельный импульс (Isp) — это ключевая характеристика ракетного двигателя. Это мера эффективности двигателя: как много импульса двигатель может произвести из единицы массы реактивного топлива.
У химических ракетных двигателях Isp обычно варьируется от 2700 до 4500 м/с. Например, водородный двигатель RS-25 установленный на Space Shuttle, имеет Isp около 4400 м/с в вакууме, а метановый двигатель Raptor для корабля Starship — около 3750 м/с.
Удельный импульс имеет прямое влияние на характеристическую скорость, которую может достичь ракета. Чам больше удельный импульс двигательной установки, тем большую характеристическую скорость получит корабль при той же массе топлива. Однако стоит помнить, что химические ракетные двигатели уже фактически достигли предела данного показателя. Поэтому для планирования миссии к Марсу стоит сосредоточиться на вопросе, что именно представляет собой физическая структура аппарата, и на что приходится основная часть ее массы.
- Структурное соотношение масс корабля.
На самом деле не важно, какую конкретно массу имеет ракета, 10 или 100 тонн, важно то, какое отношение имеет масса полностью заправленного корабля к его конечной массе (когда будет израсходовано все топливо). Если пропорции сохраняются и соотношение массы заправленного корабля к массе пустого остается неизменным, то при одинаковом удельном импульсе двигателей характеристическая скорость двух разногабаритных аппаратов будет одинаковой.
Для простоты понимания, конечная масса корабля (Мк), указанная в формуле - это масса корпуса ракеты, двигателей и всех прочих составляющих конструкции. Она так же может включать в себя массу полезной нагрузки, если таковая имеется.
Начальная масса корабля (Мн) включает в себя вес описанной выше конструкции плюс масса топливной смеси. Обычно топливно-окислительная смесь представляет собой бОльшую часть массы ракеты, поэтому структурное соотношение масс современных аппаратов обычно принимает значения чисел около 5...20.
Итак, согласно формуле Циолковского, достаточно перемножить лишь два параметра, что бы получить искомую характеристическую скорость. (Однако вы должны были заметить, что второй множитель в формуле представлен натуральным логарифмом от соотношения масс, а не самим этим отношением.)
На примере Starship.
Рассмотрим подробно, как рассчитать характеристическую скорость на примере Starship от SpaceX. Этот корабль имеет внушительные характеристики, которые делают его подходящим для межпланетных перелетов. Рассмотрим ситуацию, когда Starship с полезной нагрузкой на борту уже выведен на низкую околоземную орбиту и полностью заправлен.
Согласно формуле Циолковского:
- Начальная масса корабля - около 1420 тонн. (Из них 1200 приходится на топливную смесь, 120 на конструкции самого корабля и 100 на полезную нагрузку)
- Конечная масса корабля - около 220 тонн. (Вычитаем из начальной массы все отработанное топливо)
- Удельный импульс двигательной установки - около 3750 м/с
Подставим все значения в формулу, и получим что характеристическая скорость корабля (дельта-V) составит около 6.9 км/с. Учитывая, что необходимая для путешествия к Марсу дельта-V составляет 5.6 км/с, легко сделать вывод, что Starship способен выполнить такой маршрут даже с некоторым запасом хода.
Однако для дальнейших операций, таких как посадка на планету, взлет с нее и возвращение на Землю потребуется дозаправка. Этот фактор мы обсудим в другой раз, а пока отметим, что 100 тонн полезной нагрузки, которую способен доставить корабль от SpaceX, это достаточно солидный показатель. Такая масса полезной нагрузки может включать в себя всю аппаратуру, необходимую для миссии, научное оборудование, запасы и системы жизнеобеспечения для астронавтов.
Можно ли сократить время перелета?
Как и в любом путешествии, быстрота перемещения между двумя точками зависит от скорости. В контексте межпланетных путешествий, это означает, что для сокращения времени путешествия до Марса нам нужно увеличить скорость нашего корабля. Однако исходя из принципов ракетного движения, увеличение скорости космического аппарата становится серьезной проблемой.
Чтобы посчитать время путешествия до Марса, нельзя просто разделить расстояние на скорость передвижения, поскольку важную роль играет орбитальная механика. Важно учитывать, что в случае с межпланетным перелетом, та скорость, которую вы придаете аппарату на разгоне, будет пропорционально увеличивать скорость, необходимую для торможения. И если стандартная характеристическая скорость для полета на Марс по Гомановской траектории составляет около 5.6 км/с, то для сокращения времени вдвое нам потребуется приблизительно около 12 км/с.
Это весьма значительное значение, которое кратно превосходит возможности большинства современных ракет.
Способны ли ракеты на химических ракетных двигателях к таким показателям?
В случае с химическими ракетными двигателями, мы сталкиваемся с ограничением, связанным с удельным импульсом.
Как мы уже обсудили, двигатели такого типа уже достигли предела показателя удельного импульса, и это связано с фундаментальными физическими законами. Несмотря на все преимущества химических двигателей, им требуется большой расход топлива. Если же мы хотим увеличить дельта-V аппарата в разы, то расход топлива будет расти в геометрической прогрессии.
К примеру, если удельный импульс сохраняется на уровне двигателей Starship'а, для того чтобы он достиг характеристической скорости в 12 км/c потребуется 6 тысяч тонн топлива. Напомним что реальная загрузка баков этого корабля составляет 1,2 тысяч тонн.
Вот почему уменьшение времени полета к Марсу с использованием химических ракетных двигателей на практике остается недостижимым.
Электрические ракетные двигатели.
Для решения проблемы долгого перелета к Марсу многие исследователи и инженеры обращают внимание на потенциал электрических (ионных) ракетных двигателей. Они работают на принципе ускорения ионизированных газов в электрическом магнитном поле, и предлагают значительно более высокий удельный импульс, чем традиционные химические ракетные двигатели. Это теоретически может придать космическому кораблю более высокую характеристическую скорость.
Рассмотрим такую технологию на примере VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) - это проект ракетного двигателя, разрабатываемый компанией Ad Astra Rocket Company.
Этот двигатель использует радиочастотную индукцию для нагрева аргона или другого газа до плазменного состояния. Магнитные поля затем используются для ускорения плазмы и создания тяги. Этот процесс позволяет VASIMR генерировать очень высокий удельный импульс - порядка 50000 м/с, что в 10 раз превышает показатели химических двигателей.
Однако, несмотря на высокий удельный импульс, VASIMR и подобные ему двигатели сталкиваются с серьезными проблемами, связанными с их использованием для межпланетных перелетов, мы рассмотрим их далее.
Ограничения электрических ракетных двигателей.
Главным ограничением электрических ракетных двигателей, таких как VASIMR, является их низкая тяга. Несмотря на то, что они обеспечивают высокий удельный импульс и, следовательно, могут достичь высокой характеристической скорости, электрические двигатели генерируют очень мало тяги. VASIMR, в лабораторных условиях показывает максимальную тягу порядка 5 Ньютонов. Для сравнения, химический двигатель Raptor от SpaceX развивает тягу в 2,2 миллиона Ньютонов.
Химические двигатели позволяют ракете набрать необходимую скорость буквально в считанные минуты, а потом большую часть времени ракета летит с выключенными двигателями.
В случае с электрическими двигателями, настолько низкая тяга означает, что маневры разгона и торможения, необходимые для перехода на трансмарсианскую орбиту и выхода с нее, могут занимать несколько месяцев. Это в свою очередь делает бессмысленной идею использования таких двигателей для более быстрого перелета к Марсу.
Кроме того, электрические ракетные двигатели требуют огромного количества энергии для работы. Это требует либо больших и тяжелых солнечных панелей, либо на борту корабля должен быть установлен ядерный реактор, что связано с дополнительными проблемами безопасности и массы.
Наконец, существует и более общая проблема. Электрические ракетные двигатели все еще находятся на стадии разработки и экспериментов. VASIMR, например, до сих пор не был протестирован в космосе. Поэтому реальные характеристики и возможности таких двигателей могут существенно отличаться от расчетных.
Ядерные двигатели.
Интересным и весьма обещающим решением проблемы долгих межпланетных перелетов могут стать ядерные ракетные двигатели. Они обещают как высокий удельный импульс, так и относительно высокую тягу. Они работают, используя тепловую энергию от ядерного реактора для нагрева и испускания рабочего тела, что создает тягу.
Однако использование ядерных двигателей не лишено проблем. Ядерная безопасность является первоочередной проблемой. Любая авария во время запуска может привести к ядерной катастрофе. Также существуют проблемы с управлением радиоактивными отходами после завершения миссии.
Дополнительная проблема - это стоимость. Ядерные ракетные двигатели могут быть значительно дороже в разработке и производстве, чем их химические аналоги.
Несмотря на эти проблемы, интерес к ядерным ракетным двигателям продолжает существовать, и некоторые предполагают, что они могут играть ключевую роль в будущем исследовании космоса.
Итог.
Путешествие к красной планете - это задача, которую люди пытаются решить уже многие десятилетия.
Несмотря на длительное время полета, и все сопутствующие этому сложности, использование химических ракет и полет по Гомановской траектории остаются наиболее актуальным и реалистичным способом путешествия к Марсу. Это метод, который мы уже обкатали с помощью беспилотных аппаратов. Это метод, который у нас получается, и требует минимальных инноваций для осуществления полета.
Безусловно, длительный перелет подвергает астронавтов стрессу и ряду проблем, связанных с обеспечением жизнедеятельности на продолжительный срок.
Поэтому, одним из главных направлений исследований в области межпланетных путешествий, должно стать создание систем жизнеобеспечения, способных обеспечивать комфортное и безопасное пребывание астронавтов в космосе. Исследования в этой области позволят нам не только успешно осуществить миссии к Марсу, но и сделать шаг к дальнейшему освоению Вселенной.
