Ученые узнали, сколько времени занимает полет к другим планетам Солнечной системы

Путешествие на Марсили другую планету Солнечной системы — это не просто вопрос расстояния и скорости, а сложный процесс, который зависит от движения планет, силы притяжения Солнца и технологических ограничений космических двигателей.

Простая модель и почему она не работает.

Если представить Солнечную систему в упрощенном виде, где планеты стоят на орбитах одна за другой, можно посчитать примерное расстояние между Землей и другой планетой.

Например, среднее расстояние Земли от Солнца — около 149,6 млн км, Марса — 227,9 млн км.

Кажется логичным: отнять первое от второго — получить 78,3 млн км, затем разделить на скорость космического корабля и получить время полета.

Но на практике такие подсчеты дают лишь очень грубые оценки, и даже могут вводить в заблуждение.

Например, минимальное время полета к Меркурию иногда больше, чем к Марсу, хотя расстояние до Меркурия меньше.

Полет к астероиду Веста занимал больше времени, чем полет к Юпитеру, являющемуся крупнейшим газовым гигантом.

Почему так получается.

Главная сложность в том, что планеты не стоят на месте — они движутся по орбитам с разными параметрами.

Каждая орбита имеет перицентр (ближнюю точку к Солнцу), афелий (самую отдаленную точку), а также эксцентриситет, который показывает, насколько орбита вытянута.

Расстояние планеты от Солнца постоянно меняется, а Земля и планета, к которой летит аппарат, движутся одновременно с разными скоростями, наклонами орбит и положением в пространстве.

Именно поэтому расстояние между Землей и другой планетой постоянно меняется и может варьироваться в довольно широких пределах.

Например, расстояние до Марса меняется от примерно 55,76 млн км в момент ближайшего сближения до 401 млн км в момент наибольшего удаления.

Физика движения в космосе.

Представление о движении, которое мы имеем на Земле (автомобиль едет по дороге, самолет летит в атмосфере), непригодно для космоса.

Здесь нет сопротивления воздуха или трения о поверхность — ускорение обеспечивается только благодаря реактивной силе двигателя, выбрасывающего часть массы с определенной скоростью.

Космический корабль может разогнаться, и затем двигаться без потери скорости в течение очень долгого времени, потому что в открытом космосе нет тормозящих сил.

Однако, чтобы выйти на орбиту планеты или приземлиться, нужно снова тормозить — тоже путем расходования топлива, выбрасывая массу.

Это требует больших запасов энергии и ограничивает скорость.

Траектории полета — не прямые линии, а сложные кривые.

Из-за постоянного действия силы притяжения Солнца, движение космических аппаратов происходит по сложным орбитам, часто напоминающим спирали или изогнутые траектории.

Важно помнить: аппарат не летит «прямо» от Земли к планете, а движется по своей околосолнечной орбите, которая пересекается с орбитой цели в определенной точке.

Если космический аппарат не затормозит в момент встречи с планетой, он просто пролетит мимо и продолжит вращаться вокруг Солнца.

Рекордные полеты и их особенности.

Некоторые полеты были рекордно быстрыми, однако они не включали выход на орбиту планеты, а лишь пролетали мимо нее.

Например, аппарат Dawn, исследовавший Весту, установил рекорд скорости среди пролетных миссий.

Полеты к Меркурию были сложными, ведь аппарат должен очень сильно тормозить, чтобы замедлить скорость относительно Солнца, и перейти на более вытянутую орбиту, похожую на кометную, а затем еще раз замедлиться, чтобы уменьшить орбиту.

Это приводит к большому расходу топлива.

Гравитационные маневры — способ ускорить путешествие.

Чтобы уменьшить время полета и экономить топливо, космические инженеры применяют гравитационные маневры.

Идея заключается в том, что аппарат пролетает близко к планете и использует ее гравитационное поле для увеличения скорости и изменения траектории без затрат топлива.

Так, аппарат Voyager-2 использовал четыре гравитационных маневра для прохождения к внешним планетам Солнечной системы.

Аэродинамическое торможение — торможение атмосферой.

Другой способ экономии топлива при выходе на орбиту планеты — аэродинамическое торможение.

Аппарат, влетая в верхние слои атмосферы, тормозит за счет силы трения об атмосферу.

Это снижает потребность в ракетном торможении, но требует особо прочной конструкции и тепловой защиты.

Этот метод пока используется нечасто из-за технических сложностей, но имеет перспективы для будущих миссий.

Стартовые окна и их влияние.

Из-за постоянного движения планет по орбитам, полеты возможны лишь в определенные периоды — стартовые окна.

Например, для полета на Марс они открываются примерно раз в два года, когда планеты максимально сближены.

Даже с учетом таких окон и использованием гравитационных маневров, время полета на внутренние планеты измеряется месяцами, а к внешним — годами.

Что может сократить время полетов.

Чтобы существенно сократить продолжительность межпланетных путешествий, нужно повысить эффективность разгона и торможения космических аппаратов.

Основной показатель эффективности двигателя — удельный импульс, то есть, какую скорость набирает единица выброшенной массы топлива.

Современные химические реактивные двигатели имеют ограниченный удельный импульс, поэтому используются ионные двигатели (например, на зонде Dawn) и магнитоплазменные, которые могут быть гораздо более эффективными.

В перспективе планируются ядерные и термоядерные двигатели, которые теоретически могут увеличить скорость в десятки и сотни раз.

Как изменится космическая динамика при более высоких скоростях.

Пока что аппараты летают со скоростями около третьей космической (примерно 16,6 км/с от Земли).

Если аппараты смогут достигать 100-300 км/с, орбитальная динамика сильно упростится.

Траектории полета станут более прямыми, а время полета к планетам сократится до дней и недель для внутренних планет и недель — месяцев для внешних.

Такие скорости значительно расширят стартовые окна и сделают межпланетные полеты значительно быстрее.

Хотя сейчас путешествия в Солнечной системе занимают много времени — месяцы и годы, — будущие технологии и методы, такие как усовершенствованные двигатели, гравитационные маневры, аэродинамическое торможение, могут существенно сократить эти сроки.

Но даже тогда космос будет оставаться огромным пространством, в котором даже свету нужны часы, чтобы добраться до края Солнечной системы.

Напомним, ученые из NASA и Центра инженерных исследований армии США совершили неожиданное открытие: не Венера, а именно Меркурий является ближайшей к Земле планетой в среднем.