Вчені дізнались, скільки часу займає політ до інших планет Сонячної системи

Подорож на Марс або іншу планету Сонячної системи — це не просто питання відстані та швидкості, а складний процес, який залежить від руху планет, сили тяжіння Сонця та технологічних обмежень космічних двигунів.

Про це пише Universe Space Tech.

Проста модель і чому вона не працює.

Якщо уявити Сонячну систему у спрощеному вигляді, де планети стоять на орбітах одна за одною, можна порахувати приблизну відстань між Землею та іншою планетою.

Наприклад, середня відстань Землі від Сонця — близько 149,6 млн км, Марса — 227,9 млн км.

Здається логічним: відняти перше від другого — отримати 78,3 млн км, потім поділити на швидкість космічного корабля і отримати час польоту.

Але на практиці такі підрахунки дають лише дуже грубі оцінки, і навіть можуть вводити в оману.

Наприклад, мінімальний час польоту до Меркурія іноді більше, ніж до Марса, хоча відстань до Меркурія менша.

Політ до астероїда Веста займав більше часу, ніж політ до Юпітера, що є найбільшим газовим гігантом.

Чому так виходить.

Головна складність у тому, що планети не стоять на місці — вони рухаються по орбітах із різними параметрами.

Кожна орбіта має перицентр (ближню точку до Сонця), афелій (найвіддаленішу точку), а також ексцентриситет, який показує, наскільки орбіта витягнута.

Відстань планети від Сонця постійно змінюється, а Земля і планета, до якої летить апарат, рухаються одночасно з різними швидкостями, нахилами орбіт і положенням у просторі.

Саме тому відстань між Землею та іншою планетою постійно змінюється і може варіюватися у досить широких межах.

Наприклад, відстань до Марса змінюється від приблизно 55,76 млн км у момент найближчого зближення до 401 млн км у момент найбільшого віддалення.

Фізика руху у космосі.

Уявлення про рух, яке ми маємо на Землі (автомобіль їде по дорозі, літак летить в атмосфері), непридатне для космосу.

Тут немає опору повітря чи тертя об поверхню — прискорення забезпечується лише завдяки реактивній силі двигуна, що викидає частину маси з певною швидкістю.

Космічний корабель може розігнатися, і потім рухатися без втрати швидкості протягом дуже довгого часу, бо у відкритому космосі немає гальмуючих сил.

Однак, щоб вийти на орбіту планети або приземлитися, потрібно знову гальмувати — теж шляхом витрачання палива, викидаючи масу.

Це вимагає великих запасів енергії і обмежує швидкість.

Траєкторії польоту — не прямі лінії, а складні криві.

Через постійну дію сили тяжіння Сонця, рух космічних апаратів відбувається по складним орбітам, що часто нагадують спіралі або вигнуті траєкторії.

Важливо пам’ятати: апарат не летить «прямо» від Землі до планети, а рухається по своїй навколосонячній орбіті, яка перетинається з орбітою цілі в певній точці.

Якщо космічний апарат не загальмує у момент зустрічі з планетою, він просто пролетить повз і продовжить обертатися навколо Сонця.

Рекордні польоти і їх особливості.

Деякі польоти були рекордно швидкими, проте вони не включали вихід на орбіту планети, а лише пролітали повз неї.

Наприклад, апарат Dawn, що досліджував Весту, встановив рекорд швидкості серед пролітних місій.

Польоти до Меркурія були складними, адже апарат повинен дуже сильно гальмувати, щоб уповільнити швидкість відносно Сонця, і перейти на більш витягнуту орбіту, схожу на кометну, а потім ще раз уповільнитися, щоб зменшити орбіту.

Це призводить до великих витрат палива.

Гравітаційні маневри — спосіб прискорити подорож.

Щоб зменшити час польоту та економити паливо, космічні інженери застосовують гравітаційні маневри.

Ідея полягає в тому, що апарат пролітає близько до планети і використовує її гравітаційне поле для збільшення швидкості та зміни траєкторії без витрат палива.

Так, апарат Voyager-2 використав чотири гравітаційні маневри для проходження до зовнішніх планет Сонячної системи.

Аеродинамічне гальмування — гальмування атмосферою.

Інший спосіб економії палива під час виходу на орбіту планети — аеродинамічне гальмування.

Апарат, влітаючи у верхні шари атмосфери, гальмує за рахунок сили тертя об атмосферу.

Це знижує потребу в ракетному гальмуванні, але вимагає особливо міцної конструкції та теплового захисту.

Цей метод поки що використовується нечасто через технічні складнощі, але має перспективи для майбутніх місій.

Стартові вікна і їх вплив.

Через постійний рух планет по орбітах, польоти можливі лише у визначені періоди — стартові вікна.

Наприклад, для польоту на Марс вони відкриваються приблизно раз на два роки, коли планети максимально зближені.

Навіть з урахуванням таких вікон і використанням гравітаційних маневрів, час польоту на внутрішні планети вимірюється місяцями, а до зовнішніх — роками.

Що може скоротити час польотів.

Щоб істотно скоротити тривалість міжпланетних подорожей, потрібно підвищити ефективність розгону і гальмування космічних апаратів.

Основний показник ефективності двигуна — питомий імпульс, тобто, яку швидкість набирає одиниця викинутої маси палива.

Сучасні хімічні реактивні двигуни мають обмежений питомий імпульс, тому використовуються іонні двигуни (наприклад, на зонді Dawn) та магнітоплазмові, які можуть бути набагато ефективнішими.

В перспективі плануються ядерні та термоядерні двигуни, що теоретично можуть збільшити швидкість у десятки й сотні разів.

Як зміниться космічна динаміка при вищих швидкостях.

Поки що апарати літають зі швидкостями близько третьої космічної (приблизно 16,6 км/с від Землі).

Якщо апарати зможуть досягати 100–300 км/с, орбітальна динаміка сильно спроститься.

Траєкторії польоту стануть прямішими, а час польоту до планет скоротиться до днів і тижнів для внутрішніх планет і тижнів — місяців для зовнішніх.

Такі швидкості значно розширять стартові вікна і зроблять міжпланетні польоти значно швидшими.

Хоча зараз подорожі в Сонячній системі займають багато часу — місяці і роки, — майбутні технології та методи, такі як вдосконалені двигуни, гравітаційні маневри, аеродинамічне гальмування, можуть суттєво скоротити ці строки.

Але навіть тоді космос залишатиметься величезним простором, у якому навіть світлу потрібно години, щоб дістатися до краю Сонячної системи.