Приветствую вас, мои космические друзья. Время от времени в СМИ появляются статьи с громкими заголовками, вроде : "Ученый случайно обнаружил короткий путь к Марсу, который может сократить путешествие к Красной планете вдвое".
Речь идет о статье под названием "Использование данных о ранних орбитах астероидов для быстрых миссий на Марс", которая была опубликована бразильским физиком Марсело де Оливейра Соуза из Государственного университета Северного Рио-де-Жанейро (UENF), в апреле этого года в журнале Acta Astronautica.
Станем ли мы свидетелями революции в технологии космических полетов?
Но как это обычно бывает, когда научная статья об орбитальной механике попадает в прессу, ее реальность гораздо менее впечатляюща, чем броский заголовок СМИ.
Как многие из вас знают, что космический полет к Марсу в среднем занимает около 10 месяцев при использовании траекторий с минимальной затратой энергии (так называемых орбит Гомана) в пределах стартовых окон, которые открываются каждые 26 месяцев, когда положения двух планет определенным образом совпадают. Точная продолжительность космического полета будет зависеть от стартового окна, но прежде всего она будет зависеть от характеристической скорости орбитального манёвра - Δv, то есть фактически от того количества топлива которое мы готовы потратить на набор этой скорости. Мы можем сократить продолжительность путешествия к любому небесному телу настолько, насколько захотим, просто затратив на это больше топлива.
Задача Ламберта — это фундаментальная задача небесной механики, заключающаяся в определении орбиты космического аппарата между двумя точками пространства за фиксированное время полета. Она позволяет рассчитать необходимую траекторию и скорость для перелета, являясь основой проектирования межпланетных миссий.
В 2015 году Соуза изучал предварительные орбиты околоземных астероидов и сосредоточил внимание на астероиде под наименованием 2001 CA21 - потенциально опасном объекте диаметром около 600 метров с очень эксцентричной орбитой. Его орбита имеет перигелий на расстоянии 0,37 а.е. от Солнца и афелий на расстоянии 2,95 а.е. Астероид наблюдался в течении трех дней в феврале 2001 года. За это время было выполнено всего 13 астрометрических наблюдений, что дало лишь очень приблизительные расчеты параметры орбиты, которые вместе с последующими данными и более тщательным анализом, оказались совершенно отличными от фактических. Первый вариант расчета орбиты астероида показал что она пересекала орбиты Земли и Марса и имела небольшой наклон относительно эклиптики. Соуза решил использовать эту начальную так называемую "фантомную орбиту" в качестве своего рода "геометрического шаблона" для поиска вариантов быстрых перелетов с Земли на Марс с помощью классической задачи Ламберта, ограничив решения отклонением орбит не более 5° относительно этой плоскости. Применение этого варианта к стартовым окнам полета на Марс в 2027, 2029 и 2031 годах дало очень интересные результаты.
Эти цифры собственно говоря и попали в заголовки СМИ. Согласно расчетам пилотируемая миссия на Марс и обратно займет всего 153 дня, из которых 33 дня уйдет на путешествие к Красной планете, 30 дней уйдет на исследование поверхности Марса, и еще 90 дней уйдет на возвращение обратно. В статье также был опубликован и менее энергозатратный вариант миссии который может занять 226 дней, 56 из которых уйдут на перелет к Марсу.
Пока что всё звучит довольно обнадеживающе, но проблема кроется в энергозатратах. Для 33-дневного путешествия к Марсу, как упоминается в статье, необходима начальная скорость около 32,5 км/с относительно Земли и скорость достижения Марса около 30 км/с. Для сравнения, обычный перелёт к Марсу по Гомановской траектории с низкой околоземной орбиты требует изменения скорости на 3,6 км/с. Зонд "Новые горизонты" (New Horizons) — самый быстрый объект, когда-либо запущенный с Земли, — стартовал к Плутону со скоростью 16,26 км/с. Предлагаемый Соузой "быстрый" вариант предполагает вдвое большую начальную скорость, чем у зонда "Новые горизонты", а также запуск пилотируемого космического аппарата массой в несколько десятков тонн.
Вариант 226-дневной миссии потребует изменения скорости на 16,5 км/с, что практически соответствует начальной скорости зонда "Новые горизонты". В самой статье Соуза говорит о том, что в настоящее время не существует системы посадки на Марс которая могла бы затормозить космический аппарат на столь огромной скорости. В настоящее время не существует ракетного двигателя с помощью которого можно было бы осуществить столь быстрый космический перелет. Ни "Старшип" от компании SpaceX, ни ракета New Glenn от компании Blue Origin не способны развить таких огромных скоростей.
Собственно в этой статье нет ничего нового. Тот факт, что сокращение времени полета требует больших затрат топлива, вряд ли можно назвать революцией в космических перелетах. Исследование Оливейры Соузы заключается в том, как оно решает задачу Ламберта для расчета траекторий полета. При первом наблюдении околоземных объектов параметры их орбиты изначально имеют высокую степень неопределенности. Новизна метода Соузы заключается в использовании ограничения на плоскость орбиты, полученного из орбитальной геометрии астероидов, и использовании его для фильтрации возможных новых траекторий полета к другим планетам на основе задачи Ламберта. В отличие от этого, традиционные методы расчета траекторий полагаются исключительно на энергозатраты.
Посему существует большая разница между броскими заголовками в СМИ, вроде: "Ученый случайно обнаружил короткий путь на Марс" и научными физическими расчетами, которые не являются научной сенсацией.