Интервью профессора Владимира Асланова о перспективах межпланетных перелётов
В 2026 году в британском издательстве Taylor & Francis Group вышла книга профессора Владимира Асланова «Перспективные сценарии миссий в рамках задачи трёх тел».
Область научных интересов профессора связана с изучением особенностей движения планет и спутников в космосе и тем, как это взаимодействие влияет на космические миссии. А именно: Владимир Асланов объясняет, как разворачивать тросовые системы для самого разного применения, как уводить космический мусор с рабочих орбит, как двигаться космическим аппаратам при спуске на поверхность планеты.
Задача трёх тел
– В книге речь идёт о воздействии, которое оказывают на космический аппарат силы притяжения двух крупных небесных тел: Земли и Луны, или Марса и Фобоса. Космический аппарат в этом случае является третьим телом, движение которого можно рассчитать с помощью математических моделей, учитывающих влияние планет и их естественных спутников. При современном расчёте траектории учитывают влияние Земли до некоторой точки в космическом пространстве. Когда же космический аппарат преодолевает эту границу, то там начинают считать его траекторию, учитывая уже влияние Луны. Но это неправильно! Даже когда аппарат находится под влиянием планеты, притяжение Луны всё равно на него действует! Да, слабо, но если учесть эти силы в расчётах, то мы сможем скорректировать движение и сэкономить или ускорить время полёта. Но это «ограниченная задача трёх тел», так как массу аппарата не учитываем.
Когда же мы выходим за рамки системы Земля–Луна, например, летим на Марс, то в уравнения включаем ещё и воздействие Солнца. Да, наша звезда очень далека от нас, но её масса настолько велика, что забыть о Солнце при межпланетных перелётах – плохое решение. И в этом случае речь будет идти уже о задаче четырёх тел!
Манёвры и гало-орбиты
– Космические аппараты никогда не летают к цели напрямую. Они маневрируют, потому что в системе «планета–луна» на аппарат действует притяжение не одного, а двух тел. Кроме того, надо учитывать и то, что Луна вращается вокруг Земли (ну, почти, а на самом деле – вокруг центра масс системы, который не всегда совпадает с реальным центром планеты). А ещё вращается и сама система. А значит, появляется центробежная сила, которая хочет разорвать эту связь между планетой и спутником.
Итак, у нас есть три силы, которые влияют на космический аппарат. И это воздействие приводит к сложным траекториям на пути к цели, их называют «гало-орбитами» – периодическими трёхмерными орбитами возле точек Лагранжа – точек равновесия или либрации.
Манёвры, которые учитывают все эти космические силы, рассчитываются задолго до запуска корабля в орбиту. Но так ли тщательно? Можно ли оптимизировать эти расчёты? Есть ли другие варианты движения? Вот на эти вопросы я стараюсь ответить в своей книге. И в процессе поисков ответов на задачи небесной механики предлагаю решение для целого ряда актуальных космических миссий.
Геостационарная орбита и глобальная связь
– Если запустить спутник на высоту, на которой работает МКС, – то есть на 400 км, то за 1,5 часа он облетит Землю – это его период обращения. Чем выше, тем дольше период обращения. И вот на высоте 36 тысяч километров располагается уже геостационарная орбита – ГСО: она находится в плоскости экватора (перпендикулярно оси вращения планеты). Здесь период обращения равен суткам – 24 часам. Эта орбита позволяет разместить всего три спутника, чтобы обеспечить человечество глобальной связью практически со всеми точками планеты. Они не охватывают лишь полярные шапки.
На этих орбитах все места распределены, всё регламентируется международными соглашениями – фактически страны, размещая на этих высотах телекоммуникационные спутники, арендуют пространство.
Откуда в космосе мусор?
– Сколько сейчас на орбитах мусора – отработавших ступеней, спутников, осколков? Американская система NORAD – уникальная система наблюдения и прогноза – контролирует местонахождение 27 тысяч космических тел размером от 10 см и более. Эта система знает, что, куда и когда упадёт.
Теперь распределение по весу: 4 тысячи тонн космического мусора находится в районе орбиты МКС, и 2,5 тысячи тонн на геостационарной орбите. Почему? Потому что на геостационарной орбите находятся тяжёлые спутники – от 3 до 6 тонн каждый. Самый распространённый «житель» – американский спутник Intelsat (делает Boeing). Таких спутников там около 500 штук. Они запускаются на 15 лет. И, как любой механизм, выходят из строя, разрушаются. Два года назад разрушился Intelsat-33e. В результате зона, которую он «засеял» осколками, потеряна для размещения аппаратов навсегда: эти осколки уже никуда не денутся, они там будут вечно – время пребывания на ГСО равно бесконечности.
А теперь представьте, что таких «закрытых» областей станет больше. В какой-то момент мы просто не сможем вывести на уникальную геостационарную орбиту ни одного корабля, человечество окажется отрезанным от уже привычных космических технологий: связи, Интернета, научных исследований, нам придётся забыть о дальнем космосе.
Как убирать мусор с низких орбит
– На низких орбитах мы предлагаем использовать тросовые системы: подлетели на обычном космическом аппарате с химическими двигателями, выстрелили гарпуном или накинули сети и потянули в плотные слои атмосферы, а затем спустили на Землю. Это способ для уборки больших ступеней ракет – каждая может достигать нескольких метров в диаметре и весит несколько тонн. Таких глыб на орбите тысячи – ракеты запускали не только СССР, США, но и другие страны. И да, если разрушится хотя бы одна, образуется облако мелких осколков, которое уже очень трудно убрать.
Почему это опасно? Ещё в 1978 году астрофизик Дональд Кесслер выдвинул гипотезу о том, что в результате большого количества запусков аппаратов на низкие орбиты всё чаще будут происходить столкновения и разрушения крупных объектов, что приведёт к лавинообразному росту космического мусора. А значит, некоторые области орбит станут непригодными для работы. Это явление так и называют – эффект или синдром Кесслера. Сейчас, когда именно на такие орбиты тысячами запускают спутники «Старлинк» или китайские «Гован» и «Саньцзян», этот сценарий становится всё вероятнее.
Геостационарная орбита: проблема и уникальный эксперимент
– Теперь поднимаемся на геостационарную орбиту. Здесь уборщик с тросом не поможет: «поднять» на ГСО получится небольшой аппарат, так как ракета-носитель «Протон» при взлётной массе в 800 тонн «довезёт» в лучшем случае три-четыре тонны, включая топливо, сети, гарпун. А убирать ему придётся тяжёлые спутники и тянуть к планете. Это нерешаемая задача.
Поэтому нужна экономичная схема. На ГСО спутники не уводят вниз, а поднимают ещё выше – на 200 км на орбиту захоронения, своего рода «кладбище» кораблей.
Пока был всего один такой эксперимент. Американцы увели Intelsat. Такие спутники работают долго, им нужна постоянная энергия, поэтому они снабжены огромными солнечными батареями и двигателями. Эксперимент заключался в том, что к соплу Intelsat пристыковался другой, ещё активный спутник, и он уводил «товарища» выше. Но это не история для тиражирования: «буксировщик» не смог вернуться обратно. Это билет в один конец.
Так что мы ищем принципиально другие подходы.
Ионный обдув
– Сейчас космические аппараты снабжают ракетными двигателями, которые работают на химическом топливе: керосин плюс кислород. У них скорость истечения струи максимально – 3 км/с.
Предлагаем вместо них использовать электрореактивные двигатели, в которых главный источник энергии – солнечные батареи, которые передают напряжение на магнитную катушку: ионы газа разгоняются в сердечнике под действием электричества и выбрасываются с огромной скоростью – до 60 км/с. Для таких двигателей можно использовать массу рабочего тела в 20 раз меньше, чем для химических.
Таким образом появляется новый вариант уборки мусора – ионный обдув. Активный космический аппарат включает ионный двигатель, и получается своего рода плазменный факел, который сдувает мусор. Благодаря маршевому двигателю аппарат-уборщик удерживается на месте и толкает объект уборки с орбиты, не дотрагиваясь до него физически.
Мы с моим учеником, а теперь уже коллегой, Александром Ледковым предложили пойти в этой задаче дальше: ионным потоком переворачивать мусор в другую плоскость, чтобы увеличить площадь поверхности, которая находится под воздействием. На развитие этой идеи был выделен мегагрант правительства России в 2019 году и в 2022 году в издательстве Elsevier была опубликована книга «Динамика пространственного движения и управление космическим мусором при транспортировке ионным потоком».
Подобный космический «дворник» с ионными двигателями будет полезен не только на орбитальном «субботнике», но и в качестве спасателя спутников – например, он сможет подкорректировать ионным потоком орбиту работающего космического аппарата, чтобы увеличить срок его службы. Или же решить задачу довыведения, когда спутник оказался выведенным на нерасчётную орбиту – «спасатель» поможет сбившемуся с пути аппарату добраться до нужной орбиты.
В шкафу Владимира Степановича почётное место занимает подарок коллеги, доцента Физтеха (МФТИ) и, по совместительству, гончарных дел мастера Данилы Иванова – кружка с изображением космического буксира по бесконтактной уборке мусора. «Это классный подарок! – говорит профессор. – Тематике очистки орбит я посвятил почти четверть своей жизни и с каждым годом убеждаюсь – это первостепенная задача для человечества».
Кулоновское взаимодействие
– Есть и другой бесконтактный способ для смещения с орбиты отслуживших космических объектов – кулоновское взаимодействие. Школьный эксперимент: расчёска притягивает волосы, но может и отталкивать. В определённых условиях космический мусор заряжен (под влиянием Солнца) до напряжения 20 киловольт. Если создать такой же заряд (20 киловольт) на буксировщике, то он будет сталкивать осколки с орбиты. Электричество поступает от солнечных батарей, что очень экономно. Если же Солнце «не работает», то можно ионным потоком зарядить мусор положительным зарядом, аппарат-уборщик также окружается положительным зарядом – и толкает мусор за счёт взаимодействия зарядов.
Гравитационный коллектор
– А как собрать рой осколков, если на геостационарной орбите столкнулись два больших телекоммуникационных спутника? Нужно на этой орбите создать искусственную Луну – массой до 100 тонн, которая за счёт своей массы будет создавать гравитационное поле, притягивать к себе мелкие осколки, отводить их на орбиту захоронения, и там «стряхивать», развернувшись вокруг себя или за счёт смены зарядов. Фактически – это своего рода гравитационный коллектор. Представим ситуацию: разрушился Intelsat, в этот район подходит «Луна», и как пылесос всё к себе притягивает.
Почему 100 тонн – не проблема? Потому что вывод массивных модулей уже отработан: МКС весит 400 тонн. Как вариант, искусственной Луной может стать астероид: поймаем такой «камень» размером с девятиэтажный дом, заведём на геостационарную орбиту, и тогда у нас будет значительно больший охват.
Предлагаем создавать гравитационный коллектор в форме вертикального цилиндра, это позволит увеличить область захвата. Оснащать двигателями малой тяги, которые позволят переходить на орбиту захоронения и возвращаться за следующей порцией мусора.
Согласно одному из сценариев модели, собранный спутником мусор можно накапливать вокруг него, тем самым увеличивая полезную массу коллектора и повышая силу гравитационного захвата.
Космические лифты или причем тут Фобос
– Космический лифт придумал Константин Циолковский, а развил обычный инженер из Ленинграда Юрий Арцутанов в 50-х годах прошлого века. И весь мир загорелся этой идеей. К Юрию в Ленинград приезжал учёный и писатель-фантаст Артур Кларк. После той встречи вышел в свет роман «Фонтаны рая». Но дальше фантазий дело так и не пошло: мы до сих пор не можем зайти в кабину лифта и подняться на орбиту.
Дело в том, что в системе Земля – Луна высота космического лифта должна быть 110 тысяч километров. Если строить лифт от Луны, то ещё больше, так как точка либрации находится на расстоянии 150 тысяч километров от Луны. Это колоссальные размеры, требования к материалам и конструкции! Почему так? Чтобы "космический лифт" работал максимально устойчиво и надёжно, необходимо, чтобы центр масс тросовой системы находился в одной из точек Лагранжа. В этих особых точках космического пространства различные физические силы настолько успешно компенсируют взаимное воздействие друг на друга, что небольшой объект, оказавшийся в такой точке, оказывается как бы в гравитационной «невесомости» или гравитационном равновесии – его не притягивает ни к одному из двух массивных вращающихся небесных тел (например, Земля-Луна или Марс-Фобос), под чьё общее влияние он попал.
Теперь обратимся к системе Марс – Фобос. Марс похож на Землю, но его притяжение меньше. Фобос – это камень неправильной формы, 25 км в поперечнике. Ускорение свободного падения на Фобосе в 200 раз меньше, чем на Земле, то есть фактически притяжения нет. И самое главное: расстояние между поверхностями этих двух тел всего 6000 километров! Сравните: между Землёй и Луной 386 тысяч километров! Точка либрации, от которой зависит длина лифта, находится всего в 3,4 км от Фобоса! Построить здесь лифт – пара пустяков. Напомним, Европейское космическое агентство совместно с самарским "Прогрессом" в 2007 году провело эксперимент YES2 (Young Engineers' Satellite 2), в рамках которого на орбите выпустили трос на 8 километров! В подготовке этого эксперимента участвовали и учёные Самарского университета им. Королёва.
Парящий космический лифт
– Так что создать на Фобосе лифт в сторону Марса – это не проблема. Зачем? Такая конструкция позволит изучать Марс с гораздо меньшими затратами. Например, можно спускать оборудование и датчики на специальном тросе с борта космического аппарата, находящегося в точке либрации. Или спланировать траекторию перелётов с использованием импульсных манёвров и космических тросовых систем для доставки космического аппарата с грузом с поверхности естественного спутника планеты на планету.
В книге «Перспективные сценарии миссий в рамках задачи трёх тел» я ввёл новое понятие - «парящий космический лифт» (hovering space elevator). Откуда парение? Даже если кабина лифта располагается на высоте 5 км, 100 км или 6000 км, это не меняет того факта, что вся система «планета–спутник» вращается. Вращение создаёт центробежные силы. И вот в системе Фобос–Марс точка равновесия находится на расстоянии 3,4 км. Выше точки либрации размещается конечная станция космического лифта с Фобоса. Получаем транспортный коридор: с Фобоса доставляем в эту точку образцы грунта, сюда же подлетает космический аппарат, загружается и отправляется на Землю. Но если с конечной станции лифта выпустить зонд в сторону Марса, то он полетит без двигателей – его будет притягивать планета. Получается парящий космический лифт. Он поднимается (от Фобоса) или опускается (с позиции наблюдателя на Марсе) за счёт гравитационных и центробежных сил.
В системе Земля – Луна такое тоже возможно.
Если кабину прикрепить к станции тросом, то она может мониторить поверхность планеты, если открепить трос, то она (или груз) опускается на поверхность планеты. Получается доставка грузов, при этом не используется топливо.
Тросы для изучения Фобоса
– В 2026 году планируется запуск миссии по исследованию марсианских лун – Martian Moons eXploration (MMX). Роботизированный космический зонд MMX приземлится и соберёт образцы с Фобоса, а также проведёт наблюдение во время облёта Деймоса и мониторинг климата Марса.
Космический аппарат будет двигаться по квазиспутниковым орбитам, так как Фобос – основная цель миссии – не полноценная Луна, а скорее камень. Космический аппарат будет летать очень низко – на высоте всего 10 километров. Потом будет сброшен ровер, своего рода фобосоход, который должен будет собрать грунт и вернуться на корабль. Самарские учёные предлагают авторам миссии добавить трос, на конец которого прикрепить приборный блок. Регулировать высоту троса несложно, а в результате прибор обогнёт рельеф Фобоса на высоте от 50 до 100 метров. Это позволит собрать гораздо больше информации о поверхности этого спутника.
Кстати, Госкорпорация «Роскосмос» анонсировала миссию «Бумеранг» («Фобос-Грунт 2» - автоматическая межпланетная станция), целью которой также является исследование спутников Марса, её запуск должен состояться после 2030 года. Датчики на тросе и здесь могут найти своё применение.
Новый сценарий двухимпульсного перелёта
– И здесь задача по транспортировке грузов со спутника на планету перешла на новый уровень. На сегодня самый важный транспортный коридор – это трасса Луна – Земля. Сейчас траектория возврата на Землю с нашего естественного спутника выглядит так: запускается корабль с Луны, чтобы преодолеть притяжение Луны и выйти на окололунную орбиту, включается ракетный двигатель, затем даётся ещё один импульс – и корабль летит в сторону Земли.
Предлагаем использовать в полёте точки Лагранжа. Включаем стартовый двигатель, разгоняем, рассчитываем траекторию. Стартуем, выбираем необходимый угол и тягу, чтобы прийти в точку начала свободного падения, как в «парящий лифт». В этой точке относительная скорость корабля должна равняться нулю. Для этого выдаётся второй импульс, на этот раз с помощью электрореактивного двигателя малой тяги (скорость истечения в 20 раз больше), но в противоположную сторону, происходит торможение. Корабль «останавливается», после чего переходит в свободный полёт и контролируемо падает в нужную нам точку планеты. Такой сценарий быстрый, достаточно экономный, а ещё подходит как резервный для аварийных ситуаций.
В результате миссия тратит в разы меньше драгоценного топлива для химического двигателя. Увеличивается и масса самого аппарата. Например, при массе аппарата в тонну химический двигатель доставит полтонны, а на малой тяге – 750–800 кг.
Точка спасения и альтернативный трансфер
– Теперь история спасения миссии «Аполлон-13». В той американской лунной миссии взорвался кислородный баллон. Шансы выжить были близки к нулю. Корабль летел по «восьмёрке», учёные-баллистики всё же смогли рассчитать, куда направить тормозные импульсы (их было очень много), чтобы корабль приземлился в заданной точке. С тех пор эта «восьмёрка» – стандартный путь.
Мы полагаем, что для «восьмёрки» можно организовать «точку экстремального спасения», в которой относительная скорость космического корабля должна быть равна нулю. Эта точка будет для всех одна, под неё можно сформировать команду спасения. Это своего рода альтернативный трансфер. Такую точку можно рассчитать и заложить в программу полёта уже сейчас.
О книге, издательстве и рецензентах
– В основе каждой главы этой книги лежат статьи, вышедшие в журналах уровня Q1, и в то же время это целостный взгляд на современные проблемы небесной механики. Такая монография позволяет сформулировать тему максимально целостно и объёмно. И потом, когда автор перерабатывает свой накопленный опыт при написании книги, получается единый подход.
Taylor & Francis Group – британское издательство со штаб-квартирой в Нью-Йорке, входит в топ-3 по рейтингам цитируемости в научном сообществе. Издательство отличается своим подходом к научной литературе: тут требуют пять рецензентов, из них трое американцы – все известные учёные, мировые лидеры. Во-вторых, автору не предоставляют даже pdf-версию книги, а только 5 бумажных экземпляров. В-третьих, в договоре прописывают фактически «право первой ночи»: прежде чем автор решит издать следующую книгу, он обязуется сначала предоставить её редакторам Taylor & Francis Group. И уже если не договорится об условиях публикования, то может уйти в другое издательство. Но автор пока не пробовал, как это работает!
Отмечу скорость принятия решения об издании книги – она была практически мгновенной: «Да! Присылайте рукопись!» Больше скажу, что в момент, когда монография уже была принята издательством, мне пришёл в голову новый поворот темы. И издатели добавили в книгу ещё одну главу. И, к счастью, этот новый материал, пока издательство работало над книгой, был быстро опубликован в журнале Aerospace Science and Technology.