Добро пожаловать в нашу Академию космического транспорта! Мы собрали с полей интернета максимум информации на эту тему и составили для вас руководство. Это самое подробное руководство, которое вы можете найти на просторах Сети. Ниже мы рассказываем об основных понятиях: межпланетная транспортная сеть, низкозатратные орбиты, космические туннели, гомановские орбиты, гало-перекрестки, точки Лагранжа, парковочные орбиты, окна запуска, гравитационные маневры, лестница Лагранжа. Мы расскажем как работают гравитационные колодцы и как их сегодня используют в космонавтике.
Окунемся в историю вопроса, подробно рассмотрим ключевое понятие дельта-V или как считается бюджет миссии. Расскажем как работать с картами дельта-V и покажем карту космического метро. В самом конце мы расскажем про веб-сайт, который сделал НАСА (Траджектори браузер), на котором вы самостоятельно можете рассчитать время, маршрут и стоимость полета к различным космическим объектам (планетам и астероидам).
Межпланетная транспортная сеть
"Межпланетная транспортная сеть" (МТС) - это не научная фантастика, а реально существующие и используемые подходы к путешествиям к другим космическим телам (планетам и астероидам) в Солнечной системе в современной космонавтике. Итак, добро пожаловать в Академию межпланетных путешествий!
Низкозатратные орбиты VS Прямолинейные
Ученые, отвечающие за проектирование траекторий межпланетных космических аппаратов, традиционно проводили свои расчеты так, как будто единственными объектами, имеющими какое-либо значение, были сам космический корабль и еще одно тело, обычно планета, расположенная поблизости. Например, на этапе вылета только Земля имела значение для их расчетов того, как будет двигаться космический аппарат. И по прибытии в пункт назначения засчитывалась только та далекая планета. Между тем траектория была рассчитана так, как если бы космический корабль двигался в одиночку по орбите вокруг Солнца. Хотя эта стратегия двух тел работает, траектория, которую она создает, очень затратна с точки зрения энергии. Прямолинейный полет от Земли к другой планете энергетически крайне невыгоден. Об этом существует большое кол-во расчетов. При таком варианте полета вам придется с собой везти невероятное кол-во топлива, а на полет обратно его просто не хватит.
Другой способ - это использование так называемых «низкозатратных (экономичных) переходных траекторий» (НПТ). Для этого необходимо использовать гравитационные притяжения разных планет Солнечной системы и их спутников. Ученые провели расчеты и создали так называемую Межпланетную транспортную сеть, в основе которой лежат идеи о "космических туннелях", проходя по которым возможно совершать космические путешествия даже без затрат топлива (или минимальных затратах). Ученые спроектировали обширную сеть таких туннелей (проходов), по которым космический корабль может путешествовать на большие расстояния.
МТС используется уже многие годы в космических полетах НАСА и других космических агентств. Однако для путешествий по ним требуется значительно больше времени, чем для траекторий более высоких энергий (с большими затратами топлива), таких как траектории Гомана (гомановские орбиты). Поэтому данный вид путешествий подходит только если у вас в запасе много времени и чаще всего не подходит для пилотируемых полетов. Таким образом, низкозатратная переходная траектория (НПТ) — это маршрут в космосе, который позволяет космическим аппаратам менять орбиты, используя очень мало топлива. Эти маршруты работают в системе Земля — Луна, а также в других системах, например, между спутниками Юпитера.
Наша Солнечная система пронизана обширной системой извилистых туннелей (или трубопроводов) в пространстве вокруг Солнца и планет, которую мы и называем МТС. Этот древний гигантский лабиринт вокруг Солнца создан точками Лагранжа всех планет и всех их крупных спутников. Для каждой системы трех тел (такой как система "Солнце-Земля-Космический корабль" или "Земля-Луна- космический корабль") есть пять точек Лагранжа L1,L2, L3 (менее устойчивые) и L4 , L5 (более устойчивые). Эти точки представляют собой особые места в пространстве, где силы гравитации и силы вращения в Системе трех тел уравновешены. Так что можно сказать, что система МТС практически такая же древняя как наша Солнечная система.
Гало-перекрестки
Лагранжевые окрестности - это область (сфера) вокруг космического тела (например, планеты Земля), где действуют особые силы и ограничена она точками Лагранжа L1,L2 и L3. Неустойчивые гало-орбиты в этих точки дают космическому путешественнику интересные преимущества. Так как орбита вокруг точки Лагранжа является нестабильной, то любое тело рано или поздно должно сойти с такой орбиты. При проведении точных расчетов возможно проведение коррекции и выбор одного из многих путей, исходящих из точки Лагранжа. Многие из таких путей ведут к другим планетам или их спутникам. Это означает, что после достижения точки L2 системы Земля-Солнце (окрестности Лагранжа), возможен перелет к значительному количеству мест с небольшими дополнительными затратами топлива, либо вообще без них. Таким образом, небольшое отклонение (например, за счет кратковременного запуска корректирующего двигателя) - и можно улететь в один из туннелей МТС - либо на вход (зеленая область на картинке), либо в сторону выхода (оранжевая) без значительных затрат энергии. Окрестность Лагранжа для системы Солнце-Земля в данном случае - это сфера вокруг Земли радиусом 1,5 млн. км (напомним, что именно на таком расстоянии в точке Лагранжа сейчас работает Телескоп Джеймс Уэбб - но в отличие от межпланетных путешественников он все время корректирует свою орбиту, чтобы не улететь с неё). Во истину, у точек Лагранжа оказалось очень много разных применений!
Подведем предварительный итог. Туннель МТС - это по сути все многообразие траекторий. И хотя геометрически эта область выглядит как туннель, фактически это просто зона, где разумно прокладывать маршруты космических аппаратов. Физически она не существует (то есть её никто не построил). «Поверхность туннеля» порождается всеми траекториями, которые как бы наматываются на гало-орбиту без какого-либо маневра. Эта трубчатая поверхность называется устойчивым многообразием в теории динамических систем, особом разделе математики который также известен как «теория хаоса». Этот порождаемый «детерминированный хаос» является всего лишь результатом решения обыкновенных дифференциальных уравнений. Эта система имеет также так называемые "запретные" зоны - это зоны куда нельзя попасть используя низко-затратные переходы. В окрестностях каждой планеты или спутника существует своеобразная "автомобильная развязка", которую мы и назвали гало-перекрестком.
Парковочные орбиты
Теперь поговорим про "парковочные орбиты". Это временная орбита, используемая при запуске космического корабля. Ракета-носитель выходит на парковочную орбиту, затем некоторое время движется по инерции, а затем снова запускает двигатели, чтобы выйти на желаемую траекторию. Например, чтобы достичь Луны или планеты в желаемое время, космический корабль должен быть запущен в течение ограниченного периода времени, известного как окно запуска (еще одно важное понятие). Использование предварительной парковочной орбиты перед окончательным выведением может расширить это окно с секунд или минут до нескольких часов. Для пилотируемых лунных миссий программы «Аполлон» парковочная орбита давала время для проверки космического корабля, пока он еще находился недалеко от дома, прежде чем совершить путешествие на Луну. В буквальном смысле "на парковке" около МКС могут находиться служебные корабли в течение нескольких месяцев, ожидая возможности стыковки. В будущем парковочные орбиты могут быть использованы для размещения в них танкеров, которые могут быть использованы для дозаправки космических аппаратов перед долгим путешествием в другие миры.
Окно запуска — это интервал дат, в пределах которого эффективность запланированных гравитационных маневров максимальна. Ближе к краям «окна» эффект становится меньше, а потребности в топливе — больше. Если же выйти за его границы, то носитель просто не сможет вывести аппарат на нужную орбиту, что приведет к срыву полета или недопустимому возрастанию его длительности.
Гравитационные манёвры и грависёрфинг
Для перехода с одного туннеля в другой необходимо совершить гравитационный маневр. Гравитационный маневр практически не требуют расхода топлива. То есть по сути, все что нужно — это наличие вблизи трассы полета небесного тела, обладающего достаточно сильной гравитацией и подходящим для целей миссии положением. Подлетая к небесному телу, космический аппарат под действием его поля тяготения ускоряется или замедляется. Официально считается, что впервые подобный маневр выполнила в 1974 году американская станция «Маринер-10» (Mariner 10), которая, пролетев вблизи Венеры, направилась к Меркурию. От простых гравитационных маневров перейдем к более сложным.
Грависерфинг - это сложные гравитационные маневры около нескольких планет (спутников). К примеру, станция «Галилео», чтобы добраться до Юпитера, осуществила гравитационный маневр в поле тяготения Венеры, а потом еще два возле Земли. Такие полеты возможны не всегда, а лишь при определенном расположении планет. Самый знаменитый подобный «большой тур» совершил «Вояджер-2», который последовательно пролетел вблизи Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна.
Лестница Лагранжа
От грависерфинга двигаемся в сторону еще одного понятия, широко известного как "лестница Лагранжа". Представьте себе систему траволаторов (горизонтальных эскалаторов), которые движутся сами, а пешеходу не нужно предпринимать никаких усилий, просто стоять. Вы подъезжаете к другому траволатору. Легкое усилие и вы переходите на него и теперь движетесь в другом направлении. Это и есть лестница Лагранжа.
Полеты в точках Лагранжа L1 и L2 на самом деле сложнее, чем может показаться. Мы уже говорили, что равновесие в них неустойчиво. Стоит аппарату немного отклониться, как он начинает описывать вокруг точки Лагранжа медленно расходящиеся петли. Если вовремя не скорректировать орбиту, аппарат может быть выброшен в космос. Или в нужную сторону. Например, на другую гало-орбиту. Использовать способ лестницы Лагранжа имеет смысл для тех планет, у которых много спутников. Например, у Юпитера четыре больших спутника: Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. У каждого есть по паре точек Лагранжа. Двигаясь вокруг планеты, внутренние спутники обгоняют внешние, и если правильно подгадать, то ценой совсем небольших затрат топлива аппарат может перепрыгнуть с неустойчивой орбиты вокруг точки L2, скажем, спутника Ио на такую же орбиту вокруг точки L1 Европы. Покрутившись там и проведя наблюдения, можно подняться еще на одну ступеньку «лестницы» — к точке L2 Европы, а оттуда в нужный момент прыгнуть к L1 Ганимеда, а там и до Каллисто рукой подать. Спускаться по этой «лестнице Лагранжа» тоже не возбраняется.
Немного истории открытий
Первым исследованием в области межпланетных путешествий была работа Анри Пуанкаре в 1890-х. Он заметил, что пути к этим точкам и от них почти всегда на некоторое время превращаются в орбиты вокруг точек. Фактически, существует бесконечное количество траекторий, проходящих через точку и не требующих энергии. Если их нарисовать, то они образуют трубу (туннель), один из концов которой завершается орбитой у точки Лагранжа. Этот факт был установлен в 1960-х. В 1925 году немецкий инженер Вальтер Гоман показал, что минимальные затраты энергии на перелет между двумя круговыми орбитами обеспечиваются, когда траектория представляет собой «половинку» эллипса, касающегося исходной и конечной орбит. Вообще изменение плоскости орбиты — одна из самых дорогих операций в космонавтике: для поворота на 60 градусов аппарату надо добавить такую же скорость, с какой он уже движется по орбите. В случае околоземного пространства двигатель космического аппарата должен выдать всего два импульса : на высоте минимального сближения орбиты Луны с Землей (примерно 358 тыс. км) и максимального (примерно 405 тыс. км). Это было только начало и подобные простые орбиты стали называть "гомановскими" (или хомановскими). Кстати на научную деятельность ученого Гомана оказал большое влияние писатель-фантаст Курд Лассвиц своей книгой 1897 года «На двух планетах». Вот как научная фантастика стимулирует научные открытия! Первое использование низкозатратной переходной траектории сети МТС было произведено японским лунным зондом Hiten в 1991. При этом имевшийся остаток топлива не позволял бы достигнуть орбиты Луны по классическим переходным орбитам. Другой пример использования МТС — миссия NASA 2001—2003 годов Genesis, в которой космический аппарат более двух лет собирал материалы около точки L1 системы Солнце-Земля, затем посетил точку L2 и был возвращен на Землю, используя за все время лишь небольшие корректирующие маневры. Программа 2003—2006 годов ЕКА SMART-1 также использовала низкозатратную переходную траекторию. Были и другие миссии, в которых использовался этот метод, и были предложены миссии, которые могли бы использовать этот метод, например, для полного исследования всех спутников Юпитера или Сатурна. Путешествие со спутника на спутник, когда точки гравитации совпадают. Это было первое предложение использования "лестницы Лагранжа".В 2002 году специалисты NASA выдвинули новую концепцию проектирования межпланетных орбит с очень низкими энергозатратами. Получив громкое название «Межпланетный суперхайвей», она, по сути, является расширением «лестницы Лагранжа» на всю Солнечную систему. Авторы работы утверждают, что если вам удалось добраться до точки Лагранжа в системе Солнце — Земля, то, правильно подобрав коррекционный импульс, вы сможете с минимальными затратами энергии добраться почти до любой другой точки Лагранжа в Солнечной системе. Надо только верно рассчитать маневры у других планет и их спутников. И тут становится важным ещё одно понятие, так называемое "дельта-в".
Дельта-В
Дельта-В (delta-V) - это изменение скорости космического аппарата, которое необходимо для выполнения орбитального манёвра (изменения траектории). Например, для удержание аппарата в точках Лагранжа L1/L2 потребуется дельта-в 30—100 м/с за год. Удержание аппарата на окололунной орбите — дельта-в до 400 м/с за год. Таким образом эта величина напрямую влияет на расход топлива. Учеными были разработаны специальные карты «стоимости» delta-V для перемещения из одного «места» в другое. Космический корабль с топливом в баках имеет запас дельта-V (НАСА называет его дельта-V «бюджетом»). Космические корабли «тратят» delta-V из своего бюджета, чтобы «заплатить» за стоимость перемещения из одного места в другое (на самом деле они сжигают свое топливо, чтобы выполнить маневр). Денежной единицей бюджета дельта-V является метр изменения скорости в секунду (сокращенно «м/с»).
Гравитационные колодцы
Ранее мы рассказывали про Точки Лагранжа и гравитационные маневры, однако это всё является следствием, а причиной этих явлений - так называемые гравитационные колодцы (воронки), которые образуются около любого массивного тела в космосе, будь то Солнце, Земля, Луна, или даже астероид.
Чем массивнее тело, тем глубже и больше порождаемая им гравитационная воронка (или колодец). Так самый глубокая воронка образуется в гравитационном поле Солнца.
Гравитационная воронка - это попытка визуально продемонстрировать влияние гравитации крупного тела на находящиеся рядом с ним малые тела. Вообще понять искажения пространства очень сложно, но можно привести очень простой пример. Вы упали в колодец и хотите из него выбраться. Для этого вам потребуется определенная энергия, сила или приспособления. А до тех пор, вы будете находиться на дне колодца (или в том месте куда смогли добраться). Энергия, которая требуется телу, чтобы покинуть планету и будет той же энергией, что вы потратите чтобы выбраться из колодца. Если вы попали в поле действия гравитации планеты, то это будет равносильно оказаться на краю воронки, на которой вы будете постепенно сползать вниз, если не будете сопротивляться. При правильном расчёте времени, вы сможете проехать в одной гравитационно-сбалансированной точке и скатиться вниз по гравитационному холму в объятия другой планеты. Побудьте там немного, а затем прыгните на другую планету. Добро пожаловать в Межпланетную супермагистраль!
Карты Дельта-В
Все эти симпатичные спецификации космических кораблей, которые вы видите с записями вроде «дальность» или «максимальное расстояние», выдают ужасный недостаток знаний о космических полетах. Космический корабль — не автомобиль, если у него кончится бензин, он не остановится. Именно поэтому дельта-в является ключевым понятием и вокруг него построено множество исследований и нарисовано карт, которые мы сегодня покажем.
Дело в том, что расстояние между Стартовой планетой и Планетой назначения не так важно, как стоимость дельта-V. Почему? Потому что расстояние просто говорит вам, сколько времени займет поездка. Delta-V сообщит вам, способен ли ваш космический корабль вообще совершить путешествие.
Каждая миссия состоит из ракетных маневров, каждый из которых имеет «стоимость» с точки зрения дельта-V. У вашей ракеты есть «кошелек», содержащий ваш бюджет на дельта-V (в НАСА его так и называют "бюджет дельта-В"). Как только вы потратите все деньги (delta-V, или назовем их "V-коины", "V-доллары" или $ΔV) в своем кошельке, вы разоритесь и больше не сможете покупать маневры. Ваш корабль будет вечно дрейфовать по своей орбитальной траектории, пока вас не спасут или пока инопланетные археологи не перехватят ваш корабль через несколько миллионов лет, чтобы показать пальцем и посмеяться над вашими иссохшими останками. Все эти миллионы лет вы будете двигаться на той же самой скорости, на которой у вас закончились V-коины.«Кошелек» вашей ракеты можно пополнить дельта-V на заправочных станциях и орбитальных складах топлива (пока таких нет, но мы надеемся, что они когда-нибудь появятся). Имея в виду, что кошелек космического корабля может вместить только определенное количество дельта-V. Как только он заполнится, вы не сможете добавить больше.После того, как вы рассчитали или нашли дельту V вашего космического корабля, все, что вам нужно, это найти стоимость дельты V для маневров миссии. Карты Delta-V очень помогают. Рассмотрим некоторые из них.
На этой достаточно простой карте важны следующие обозначения. Точки между планетами - это различные виды орбит или переходов. Линии, соединяющие точки - это не расстояния. Они подписаны как значения дельта-В, хотя на этой карте длина линии никак не связана с величиной дельта-В, в общем они условны. Еще мы видим красные стрелочки у тех объектов, которые имеют атмосферу (около Земли они есть, около Луны нет). Наличие стрелочки также обозначает, что в этом месте возможно бесплатное "аэроторможение" благодаря наличию атмосферы (разгон как и торможение в космосе обычно возможно только за счет "дельта-В денег").Следующие точки имеют значения:
- "Низкие орбиты" (например "низкая околоземная орбита", подробнее о LEO написано ниже). Около этой орбиты также стоит цифра - для каждой планеты это своя высота от поверхности. Для Земли это Low Earth Orbit = 250 км, для Луны Low Moon Orbit = 100 км.
- Геостационарная орбита - подробнее описана ниже. А также точка перехода к ней.
- Точка перехода к спутнику (например, к Луне со стороны Земли).
- Точка Escape/Capture есть и у планет, и у спутников - это точка либо выхода, либо входа в гравитационное поле космического тела (есть у Луны и еще дальше у Земли, так как у Луны есть своя гравитация).
- Точка межпланетного перехода, например, Earth-Mars Transfer. Вообще говоря, чтобы узнать сколько нужно топлива необходимо сложить все цифры по пути от Земли до Марса и умножить на расход, требуемый для дельта-в 1 км/с.
Многие из упомянутых выше точек на карте на самом деле являются не точками, а орбитами. То есть «местоположения» — это по сути просто полезные путевые точки, которые космический корабль использует для перехода с одной интересной планеты/луны/чего-либо на другую. На самом деле этих точек (ну или «локаций») бесконечно много, но большинство из них никуда не ведут, кроме путешествия в один конец в чернильные глубины космоса. Авторы не удосужились нанести на карту все такие бесполезные локации, потому что какой в этом смысл?
Если есть планета с атмосферой, а ваш космический корабль имеет аэродинамическую оболочку, то можно использовать «аэроторможение» (т. е. нырять сквозь атмосферу планеты, чтобы использовать трение для бесплатного торможения вместо расходования дорогого топлива).
Существует предел тому, от какой дельта-V можно избавиться с помощью аэродинамического торможения. Общее правило состоит в том, что аэродинамическое торможение может снизить скорость, примерно равную скорости убегания планеты, на которой выполняется аэродинамическое торможение (10 км/с для Венеры, 11 км/с для Земли, 5 км/с для Марса, 60 км/с для Юпитера и др.). Вот еще несколько примеров карт:
Наконец, на всех этих картах показана минимальная стоимость проезда по дельта-V. Это связано с тем, что для большинства космических аппаратов ближайшего будущего их бюджеты дельта-V довольно малы. Другими словами, космические корабли бедны и могут позволить себе покупать некачественные услуги на космической АЗС. В данном случае под «некачественными услугами» подразумеваются гомановские орбиты или уже упомянутые низкозатратные орбиты Межпланетной транспортной сети. Они некачественные, потому что для путешествия требуется много времени (например, около девяти месяцев, чтобы добраться с Земли на Марс) и потому, что вы можете использовать их только тогда, когда открывается окно запуска (например, каждые 26 месяцев для Земли на Марс).
На второй прикольной карте, где зелеными квадратиками отмечены парковочные орбиты, также показаны возможные идеи для размещения искусственных космических объектов.
Вот еще одна более сложная карта, где также отмечены Точки Лагранжа и больше различных обозначений для разных типов объектов. Кроме большой карты вырезали кусочек, чтобы показать подробности.
Ну, что ж, приятного использования этих карт в космической навигации! Теперь напишем про некоторые другие важные понятия.
Низкая околоземная орбита
Низкая околоземная орбита (Low Earth Orbit или LEO, также у каждой планеты есть своя такая низкая орбита) — это космическая орбита вокруг Земли, имеющая высоту над поверхностью планеты в диапазоне от 160 км до 2000 км (для каждой планеты своя величина). Объекты, находящиеся на высотах ниже этой орбиты, испытывают очень сильное влияние атмосферы и нестабильны. На настоящий момент все обитаемые космические станции и большая часть искусственных спутников Земли используют или использовали LEO. Также на LEO сосредоточена большая часть космического мусора.
Геостационарная орбита
Геостационарная орбита (GEO) — круговая орбита, расположенная над экватором Земли на высоте 35 786 км и находясь на которой, искусственный спутник обращается вокруг планеты с той же скоростью. Таким образом спутник «висит» в небе неподвижно. Именно указанная высота обеспечивает спутнику период обращения, равный периоду вращения Земли относительно звёзд (Звёздные сутки: 23 часа 56 минут 4 секунды).
Межпланетное метро
С одной стороны, это просто еще одна визуализация карт Дельта-V, с другой это метро имеет смысл, если не воспринимать "туннели" как физические объекты, а думать о них, как о "гравитационных туннелях", о которых мы уже писали и которые действительно существуют и приносят пользу современным космическим исследованиям.
Калифорнийский студент Ulysse Carion создал эту карту (скачать полностью можно тут), которая показывает, как космический корабль может исследовать Солнечную систему. Небольшим телам, таким как крошечный спутник Марса Деймос, требуется столь же небольшое ускорение, чтобы избежать гравитационного притяжения. Для того, чтобы космический корабль мог покинуть гораздо более крупное тело, такое как Юпитер или Сатурн, ему также нужно гораздо больше топлива и большее изменение скорости (которое и есть Дельта-В). Карта была создана с использованием ракетного уравнения Циолковского, разработанного русским ученым Циолковским в 1903 году.
Обычная проблема: вы хотите посетить другую планету в Солнечной системе, но не знаете, как лучше всего туда добраться.
Эта карта космического метро должна вам пригодиться, так как она показывает, сколько энергии вам понадобится, чтобы отправиться в межпланетное путешествие. От Земли до Нептуна вы никогда больше не потеряетесь в космосе, поскольку карта показывает скорость, которую вам нужно достичь, чтобы избежать гравитационного притяжения различных планет и лун или посетить новое место назначения.
Цифры на карте обозначают различное количество «дельта-V» (в метрах в секунду), которое потребуется космическому путешественнику для посещения различных мест. Указаны основные "станции перехода", на которых вы можете выбрать нужную ветку, а также специальным значком отмечены места, где вы можете воспользоваться бесплатным торможением атмосферой (торможение, как вы помните тоже платное в космосе), что и называется "аэроторможение").
Например, чтобы попасть с Земли на околоземную орбиту, космонавту необходим космический корабль, способный разгоняться до 9400 метров в секунду.
"Карта в некоторых отношениях вводит в заблуждение, когда речь идет о сложности космических путешествий" - говорит создатель карты. - "Некоторые вещи довольно точны — например, обратите внимание, что требуется дельта-v 27 000 м/с, чтобы перейти от поверхности Венеры к низкой орбите Венеры. Это почти в три раза больше, чем эквивалентная стоимость маневра на Земле. Это огромное число связано с невероятной толщиной венерианской атмосферы».
Каждая интересующая планета или спутник обозначен на карте кружком. Области «перехвата» обозначают области, где можно изменить траекторию движения к другому миру. Каждое число на графике обозначает, сколько «дельта-v» или скорости и топлива необходимо, чтобы добраться до разных пунктов назначения. Чем больше планета или луна, тем выше ее гравитация и тем больше требуется дельта-v.
Например, для того, чтобы покинуть Юпитер, самую большую планету в Солнечной системе, требуется колоссальные 62 200 метров в секунду дельта-v.
Между тем, чтобы покинуть поверхность крошечного спутника Марса Деймоса, требуется всего шесть метров в секунду дельта-v.
Наконец, как объясняет Карион, карта требует, чтобы космический корабль использовал «переходную орбиту Гомана», когда космический корабль перемещается с орбиты одного тела на другое, «прыгая» на его орбиту с увеличением скорости. При этом используется так называемый «эффект Оберта», согласно которому ракета, летящая с высокой скоростью, генерирует больше полезной энергии, чем ракета с низкой скоростью.
Trajectory browser
Для любителей космонавтики (ну и конечно специалистов космических транспортников, а также желающих почувствовать себя таковыми) НАСА создало специальный онлайн-инструмент "Trajectory browser", который позволяет рассчитать маршрут для полета на другие космические объекты. А мы решили сделать небольшой обзор. Взяли для примера полет космического аппарата к астероиду 2003 YT124, который вращается вокруг Солнца по вытянутой эллиптической орбите. Для маневрирования мы будем использовать Марс. Важное замечание по работе с сайтом - он может не всегда загружаться и показывать ошибку. Просто попытайтесь позже. Итак начнем.
Заходим на главную страницу проекта: https://trajbrowser.arc.nasa.gov/.
Нам доступен поиск, документация с подробным описанием всех обозначений и примеры запросов (Example queries). Туда и пойдем. Эта страница предлагает выбрать одну из двух категорий - это Траектории роботизированных (автоматических) миссий (Trajectories for Robotic Missions) и Траектории пилотируемых миссий (Trajectories for Human Missions). Все полеты представлены в двух видах полет в одну сторону (Rendezvous) и полеты в обе стороны, то есть с возвращением на Землю (Round-trip rendezvous).
В первой категории представлены примеры полетов к известным астероидам, диаметр которых более 2 км, полет к кометам, а также пролеты (flyby) мимо Марса и Венеры.
Во второй категории 90-дневная встреча туда и обратно с сближающимися с Землей объектами, а также 180 и 365 -дневные рандеву, пролет к Венеры в течение 1 года и к Марсу, длительностью 2,5 года.
Ниже страница поиска. Итак выбрав одну из категорий, рассмотрим что там есть.
В начале вы можете выбрать самостоятельно параметры поиска по типу объекта, близость к земле, его размера (параметр магнитуда), тип орбиты и пр. Можно даже указать объекты по имени, как они представлены в базе данных НАСА (там же ссылка).
Следующий блок Specify Trajectory Constraints - параметры миссии: тип миссии (посадка "randevouz" или пролет мимо "flyby"), продолжительность миссии, год запуска, максимальная дельта-В, а также оптимизация маршрута по длительности или по экономии дельта-В. Вот, например, роботизированная миссия к астероидам, диаметром менее 2-х км.
Следующий блок - графическая визуализация всех найденных траекторий. По вертикали - длительность миссии (чем выше, тем дольше), по горизонтали дата запуска, цвет шарика означает суммарный бюджет дельта-В (то есть сумма всех дельта-в за миссию): более темный красный - максимальное значение, синий - минимальное. Так на представленной картинке только 1 миссия имеет синий кружок и ее бюджет дельта-в составит всего 6 км/с, продолжительность этой миссии составит примерно 4,5 года.
Наконец таблица с данными. Чтобы посмотреть анимацию миссии нужно кликнуть на View. В таблице основные параметры, расшифровка что означает каждая из колонок тут же. В таблице есть данные о дате запуска, размерах астероида, дате окончания и продолжительность миссии, требуемое дельта-В на разных этапах. Нажмите View на любой из объектов. Откроется не только анимация, но и детали миссии. В скриншоте ниже показана только часть таблицы7
Мы сделали короткий скринкаст интерфейса TrajectoryBrowser.
https://vk.com/video-49647789_456239047?list=af2f6ca5a8009c7384
Дадим пояснения. Вот как работать с этим интерфейсом и краткие этапы миссии (показаны на видео):
- Справа от анимации, если навести мышкой на этап, то он подсветится на видео. Запуск с Земли обозначен зеленым крестом и состоится 20 декабря 2024 года. Орбита Земли синяя, орбита Марса - красная, орбита астероида - серая. Требуемое ускорение с Земли 3,8 км/с (дельта-В1).
- Через 1,27 года аппарат будет пролетать мимо Марса (Mars flyby) и эта точка также отмечена крестом. Тут произойдет небольшая корректировка орбиты (всего дельта-в 29 м/с) и аппарат выходит на более вытянутую орбиты (путь аппарата - зеленая линия) на которой будет лететь еще 2,5 года.
- 12 октября 2028 года аппарат сможет состыковаться с астероидом - место отмечено крестом на серой траектории. Это миссия в один конец. Общие расходы достаточно скромные и потребуют всего 7,7 км/с бюджета дельта-В.
Как найти нас в Телеграме?
Присоединяйтесь к нашему каналу https://t.me/scifi_blog
Мы пишем о Вселенной на доступном языке, делимся интересной научной фантастикой и новостями из мира наук, которые помогут вам лучше разобраться как устроен мир, законы Вселенной, откуда мы произошли и, возможно, куда мы все идем!