В 2003 году на Марс отправились сразу несколько аппаратов, включая Spirit и Opportunity. В 2020-м - снова скопление миссий: Perseverance от NASA, Тяньвэнь-1 от Китая, Hope от ОАЭ. А в промежутках между ними - тишина. Почему же все марсианские миссии запускаются волнами?
Дело не в бюрократии и не в бюджетах. Дело в физике орбит. Существует короткое окно - всего несколько недель раз в 26 месяцев, когда полет на Марс становится возможным. Вне этого окна добраться до красной планеты либо невозможно физически, либо потребует в разы больше топлива, что делает миссию экономически абсурдной.
Проблема двух планет на разных скоростях
Земля и Марс вращаются вокруг Солнца с разной скоростью и на разных расстояниях. Земля совершает полный оборот за 365 дней, двигаясь со скоростью около 30 км/с. Марс находится дальше от Солнца (в 1,52 раза дальше Земли) и движется медленнее - ему требуется 687 земных дней, чтобы завершить один оборот.
Это значит, что две планеты постоянно меняют положение относительно друг друга. Иногда они находятся по одну сторону от Солнца - на минимальном расстоянии друг от друга (около 55 млн км). Иногда - по разные стороны, на расстоянии более 400 млн км.
Если запустить ракету в произвольный момент, она либо промахнется мимо Марса (потому что планета уже уйдет дальше по орбите), либо вообще не сможет добраться туда, потому что потребуется колоссальное количество топлива для изменения траектории.
Орбита Хоманна: эллипс экономии
В 1925 году немецкий инженер Вальтер Хоманн рассчитал самый энергоэффективный способ перелета между двумя орбитами. Суть проста: космический аппарат не летит по прямой. Он разгоняется на орбите Земли, выходит на эллиптическую орбиту вокруг Солнца, где точка старта (перигелий) находится на расстоянии орбиты Земли, а самая дальняя точка (афелий) - на расстоянии орбиты Марса.
Аппарат летит по этому эллипсу около 9 месяцев, постепенно удаляясь от Солнца. Если всё рассчитано правильно, в момент, когда аппарат достигает афелия, там его уже ждет Марс. Второй импульс двигателей замедляет аппарат, и гравитация Марса захватывает его на орбиту.
Эта траектория требует всего двух включений двигателей: один разгон у Земли, один тормозной импульс у Марса. Всё остальное время аппарат просто падает по эллипсу вокруг Солнца.
Почему 26 месяцев?
Земля и Марс выстраиваются в правильную позицию для переходной орбиты Хоманна раз в 26 месяцев (точнее, 25,6 месяца). Этот период называется синодическим периодом.
Вот что происходит за это время:
- Марс делает примерно 1,09 оборота вокруг Солнца.
- Земля делает 2,13 оборота.
- В итоге планеты снова оказываются в том же взаимном положении.
Если вы пропустили это окно - придется ждать еще 26 месяцев. Никак иначе. NASA запускало Viking 1 и Viking 2 летом 1976 года. Spirit и Opportunity - летом 2003-го. Curiosity - в 2011-м. Perseverance - в 2020-м. Все эти даты разделены примерно 26 месяцами.
Что если запустить в другое время?
Технически можно. Но цена вырастает катастрофически. Вместо орбиты Хоманна придется использовать траекторию с гораздо большим изменением скорости (delta-v). Это означает в разы больше топлива, а значит - либо меньше полезной нагрузки (научных приборов), либо ракета размером с небоскреб.
Есть и экзотические варианты. Например, миссия ESCAPADE в 2025 году использовала нестандартную траекторию: сначала аппарат улетел к точке Лагранжа (где гравитация Земли и Солнца уравновешены), провел там 12 месяцев на петлеобразной орбите, затем вернулся к Земле для гравитационного маневра и только потом отправился к Марсу. Это заняло почти два года вместо девяти месяцев, но позволило запуститься вне окна.
Но такие фокусы - исключения для специфических задач. Для тяжелых грузовых миссий или пилотируемых полетов единственный реальный вариант - классическое окно.
Окно возвращения: ловушка на Марсе
Проблема не только в том, чтобы добраться до Марса. Нужно еще и вернуться. И здесь физика снова диктует свои правила.
После прибытия на Марс экипаж (или автоматический аппарат с образцами) не может улететь обратно сразу. Нужно ждать, пока Земля и Марс снова выстроятся в правильную конфигурацию для обратного перелета по орбите Хоманна. Это происходит примерно через 1,5-2 года после прибытия.
Итого: полет на Марс занимает 9 месяцев, ожидание окна на Марсе - около 1,5 лет, обратный полет - еще 9 месяцев. Минимальная длительность пилотируемой миссии на Марс - около 3 лет. Из них 2,5 года тратится на космические перелеты и ожидание правильного положения планет.
Будущее: тысячи кораблей в одно окно
SpaceX планирует отправлять на Марс сотни и тысячи кораблей Starship. Но даже Илон Маск не может обмануть орбитальную механику. Все эти корабли будут запускаться именно в окна - раз в 26 месяцев.
В презентации 2025 года Маск заявил, что если миссия 2026-2027 годов будет успешной, SpaceX планирует около 20 запусков в окно 2028-2029, 100 запусков в 2030-2031 и до 500 запусков к окну 2033 года. Но все равно - только внутри окон.
Это создает уникальную логистическую задачу. У вас есть всего 3-4 недели раз в два года, чтобы запустить все грузы, топливо, оборудование и людей на Марс. Пропустил окно - жди еще 26 месяцев.