Ученый нашел "кратчайший путь" на Марс, но не все так просто

Космический аппарат стартует с Земли 20 апреля 2031 года и через 56 дней он выходит на орбиту вокруг Марса. Экипаж проводит пять недель на поверхности, затем включает двигатели для возвращения на Землю и приводится в движение через 135 дней. Об этом пишет Daily Galaxy.

Отмечается, что по меркам всех когда-либо разработанных концепций пилотируемых миссий на Марс, этот срок абсурдно короток. Современные химические двигатели требуют от семи до девяти месяцев только на один перелет. Но, согласно исследованию, опубликованному в Acta Astronautica, 226-дневный перелет туда и обратно - это не фантазия. Это математически обоснованная траектория, которая находится на виду в рамках существующей орбитальной геометрии Солнечной системы.

Марсело де Оливейра Соуза, астрофизик из Государственного университета Северного Флуминенсе в Бразилии, не разрабатывал новый двигатель и не прибегал к экзотической физике. Он взял предварительную орбиту астероида 2001 CA21, полученную в 2015 году, и использовал её в качестве геометрического шаблона.

Интересно, что ранние данные по астероиду набросали вытянутый эллипс с малым наклоном, пересекающий траектории Земли и Марса. Более поздние наблюдения уточнили эту орбиту, придав ей другую форму, но исходные данные предложили нечто редкое: чистую опорную плоскость для проверки экстремальных углов перехода.

Де Оливейра Соуза установил строгое правило. Любая предполагаемая траектория должна была оставаться в пределах пяти градусов от плоскости орбиты астероида. Затем он пропустил три будущих окна противостояния Марса через решатель Ламберта - стандартный инструмент астродинамики, вычисляющий возможные пути между двумя точками в пространстве. 2027 и 2029 годы не прошли проверку. Либо потребление энергии резко возросло, либо геометрия отказалась замкнуть цикл для обратного полёта.

Важно, что окно 2031 года повело себя иначе. Оно дало две полные архитектуры кругового путешествия, обе с запуском с Земли в один и тот же апрельский день. Первый вариант, обозначенный как экстремальный, сочетает в себе 33-дневный полет туда, 30-дневное пребывание на поверхности и 90-дневный обратный путь, в сумме 153 дня. Второй вариант сочетает 56-дневный полет туда с 35-дневным пребыванием на поверхности и 135-дневным обратным путем, в сумме 226 дней.

Скорость, которая превосходит возможности химической двигательной установки

Интересно, что скорость в межпланетных путешествиях измеряется гиперболической избыточной скоростью - остаточной скоростью космического аппарата после выхода из гравитационного поля Земли. Для 56-дневной траектории эта цифра достигает примерно 16,9 километров в секунду.

Для запуска требуется примерно в 15 раз больше энергии, чем для обычной миссии на Марс, и примерно в 1,5 раза больше энергии, чем NASA заложило в зонд New Horizons на пути к Плутону. Пилотируемый марсианский аппарат, включающий систему жизнеобеспечения, жилой модуль и взлетный модуль, будет иметь массу во много раз большую.

33-дневный вариант требует примерно в 40 раз больше энергии, чем стандартная миссия. Его стартовая скорость 27,5 километров в секунду превышает теоретический потолок любой когда-либо использовавшейся химической ступени.

Отмечается, что 56-дневная траектория врезается в Марс со скоростью 16,6 километров в секунду и входит в атмосферу Земли со скоростью 15,1 километров в секунду. Оба показателя проверяют верхний предел теплозащитных материалов, которые все еще находятся в разработке, - экранов, которые должны выдерживать нагрев со скоростью, намного превышающей скорость при возвращении на Луну.

Почему ядерные двигатели - единственный рычаг

В статье проводится жесткая грань: химические ракеты не могут закрыть этот пробел. Альтернативой, которую она называет, является ядерная тепловая двигательная установка, которая нагревает жидкий водород через ядро реактора и выбрасывает газ примерно вдвое эффективнее химического сгорания.

Важно, что эта технология не является гипотетической. В 2023 году французское исследовательское агентство CEA запустило технико-экономическое обоснование программы NTP под названием Alumni, работая совместно с ArianeGroup и Framatome для Европейского космического агентства. Явная цель, подробно изложенная в заявлении агентства, - сокращение времени прохождения Марса, что позволит снизить радиационное облучение астронавтов.

В рамках программы CEA параллельно ведется работа над проектом RocketRoll, посвященным ядерно-электрическим двигательным установкам для миссий, где солнечный свет слишком слаб для солнечных панелей. Оба проекта являются частью европейской технологической дорожной карты, цель которой - создание демонстрационного образца примерно к 2035 году, что достаточно близко к стартовому окну 2031 года, чтобы иметь значение. Руководитель программы Ксавье Аверти заявил:

"CEA участвует в исследованиях, касающихся ядерной космической техники, с 1980-х годов".

Организация является единственным европейским исследовательским органом, занимающимся как тепловыми, так и электрическими ядерными космическими двигательными установками.

В статье не рассматриваются вопросы проектирования космических аппаратов. Нет данных о массе, профилях входа в атмосферу, расчетах теплового воздействия. Этот метод предоставляет численные доказательства того, что быстрая, замкнутая геометрия марсианской миссии существует внутри реальных данных, и что 226-дневное решение остается неизменным при колебаниях положения, отражающих неопределенность наблюдений на ранних орбитах.

Теперь вопрос заключается в том, содержат ли другие решения для астероидов ранней эпохи аналогичные шаблоны. На данный момент 226-дневное путешествие туда и обратно существует только на бумаге. Превращение его в реальность потребует двигателя, соответствующего амбициям геометрии, которую он описывает.