Техническая заметка (внимание: сложный научный текст!) о межпланетных орбитах
Если хотите попасть с Земли на Марс, необходимо выбрать соответствующий орбитальный маршрут.
Классический вариант межпланетного орбитального полета известен как перелет по траектории Гомана, названный в честь немецкого математика, открывшего его в 1925 году. Гоманова траектория — это эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце, а периметр касается орбиты Земли своей короткой частью большой оси (ближайшая к Солнцу точка, перигелий) и касается орбиты Марса другим концом большой оси (самая дальняя от Солнца точка, афелий). Итак, если вы выберете перелет по эллипсу Гомана, то, преодолев половину эллипса, облетите Солнце на 180 градусов. Если по циферблату вы стартовали с Земли в положении «6 часов», то прибудете к Марсу в положении «12 часов». Таким образом, эллипс (а точнее — полуэллипс) Гомана — это самый длинный прямой маршрут Земля — Марс. Несмотря на это, многие диспетчеры предпочитают именно его, поскольку для него требуется наименьший расход топлива. По этой причине перелет Гомана также известен под названием орбиты с минимальными затратами энергии. Он может быть не самым быстрым, но точно является наиболее дешевым и простым маршрутом между планетами. Применительно к Земле и Марсу время полета в одну сторону составляет 8,5 месяца.
Эллипс Гомана — это частный случай более общего понятия, известного как «орбита соединения». Древние астрологи со своим геоцентрическим восприятием мира полагали, будто Марс находится в «противостоянии» с Солнцем, когда эти два тела располагаются по разные стороны Земли, и что Марс в «соединении» с Солнцем, когда оба они располагаются с одной стороны. Последнее бывает, когда Марс находится за Солнцем (если наблюдать за ним с Земли), и это же пункт назначения Марса на его орбите в момент начала перелета с Земли по траектории Гомана. Космические инженеры XX века из лаборатории реактивного движения НАСА, очевидно, глубоко погрузились в астрологические бредни и назвали траекторию Гомана и ей подобные «орбитами соединения». С тех пор это название к ним и прилипло.
Ясно, что эллипс Гомана не единственная орбита соединения. Если залить в бак побольше топлива, то эллипс можно увеличить таким образом, что афелий окажется за орбитой Марса. В таком случае траектория перелета не будет касаться орбиты Марса, а пересечет ее в двух точках: при выходе за ее границы и при возвращении в них. Например, если вы покинете Землю в положении «6 часов» относительно Солнца, то сможете достичь Марса в положении не «12 часов», а «1 час» или «11 часов». Если, с вашей точки зрения, планеты и корабль движутся против часовой стрелки, то путь от положения «6 часов» к положению «1 час» окажется короче, чем полуэллипс Гомана, а от положения «6 часов», пересекая орбиту Марса и затем возвращаясь к ней в положении «11 часов», — длиннее. Оба эти маршрута до сих пор называют орбитами соединения. Но первый, более быстрый, маршрут известен как орбита соединения 1 типа, а второй — 2 типа.
В сравнении с траекторией Гомана, орбита соединения 1 типа имеет один недостаток: для нее требуется больше топлива. Но она же дает и преимущество в виде более короткого путешествия: скажем, 6 месяцев в один конец вместо 8,5. Таким образом, она является предпочтительным вариантом для межпланетного перелета. Орбита соединения 2 типа также требует больше горючего, чем перелет Гомана, но к тому же еще и увеличивает время путешествия до 11 месяцев.
То есть вот вам подсказка: если не хватает денег, выбирайте эллипс Гомана. Это самый дешевый вариант полета. Если же у вас есть лишние пиастры или вы работаете на того, у кого они есть, выбирайте 1 тип. Но не позволяйте себе даже думать о 2 типе, иначе придется заплатить бо?льшие деньги за более длинный перелет. Иногда корабли летают по орбите 2 типа, поскольку этого требует их стартовое расписание, но вам ее следует избегать.
Это возвращает нас к вопросу о паромах. Давным-давно в чьем-то мозгу родилась светлая идея о целесообразности запуска на постоянную орбиту между Марсом и Землей одного или нескольких больших межпланетных паромов. Единожды стартовавшие, эти огромные обитаемые отсеки не нужно будет запускать снова и снова. Тогда люди смогут путешествовать, просто добравшись до них в маленькой и быстрой капсуле «такси», выстреливающей с Земли или с Марса в то время, когда паром пролетает рядом. Помимо риска пропустить момент встречи (у вас есть только одна попытка), идея звучит неплохо, но содержит и некоторые шероховатости. Например, перелет Гомана в один конец занимает 8,5 месяца; то есть полет туда и обратно — 17 месяцев. Это время нельзя синхронизировать с 12?месячным орбитальным периодом Земли. Таким образом, если бы корабль стартовал с Земли по эллипсу Гомана и вернулся по нему же, то он бы просто не застал Землю на том же месте. Поэтому космические паромы по эллипсу Гомана не летают. Чтобы вернуться к Земле через 24 месяца после старта и, таким образом, снова встретиться с родной планетой, паром мог бы использовать высокоэнергетическую орбиту, выходящую далеко за орбиту Марса. Но при этом план полета между Землей и Марсом включал бы в себя как короткий отрезок 1 типа, так и длинный 2 типа. Каждый из них может входить как в маршрут отлета, так и в маршрут возвращения, но в результате пассажиры, летящие либо туда, либо обратно, застрянут на тихом ходу. Более того, если станция с двухгодичным периодом обращения будет каждый раз встречаться с Землей, она окажется несинхронизированной с орбитой Марса, период которого составляет 23 месяца. Итак, чтобы такая транспортная система работала эффективно, нужно несколько паромов, каждый из которых подходит к Земле в разные моменты времени и используется для выполнения рейса Земля — Марс один раз в шесть-семь лет.
Поскольку все орбиты требуют большего реактивного импульса, чем перелет Гомана, дополнительное ускорение для выхода на среднеэнергетическую орбиту соединения 1 типа (или 2 типа) выглядит относительно скромно (если вы не пытаетесь покрыть путь в один конец менее чем за пять-шесть месяцев). Если же вы действительно хотите попасть на Марс как можно быстрее (допустим, за три и менее месяца), то нужно использовать высокоэнергетические орбиты. Но это отнюдь не практичный выбор для космического корабля, располагающего химическими (со скоростью истечения реактивной струи около 4,5 км/с) или даже термоядерными (со скоростью истечения 9 км/с) двигателями. Вместо них требуются более современные системы — например, ядерно-электрический ионный привод (скорость истечения 50 км/с и более). Проблема с этими ультравысокоэнергетическими орбитами состоит в том, что максимальная скорость на них выше скорости освобождения из Солнечной системы! То есть, если этот привод выйдет из строя после ускорения, но до торможения, то судно окажется на пути в бесконечность с билетом в один конец.
На диаграмме из древнего документа НАСА показан план экспедиции к Марсу по орбите противостояния. Обратите внимание на длительное время перелетов, абсурдно короткое время стоянки и жаркий пролет внутри орбиты Венеры, которым экипаж насладится в полной мере на обратном пути. Что курили эти ребята? (Предоставлена НАСА)
Последний тип перелета, который стоит кратко упомянуть, — это орбита противостояния. При ее использовании полет на Марс делится на две неравные части. Одной из них может быть орбита соединения, но второй служит траектория, проходящая через внутреннюю область Солнечной системы (примерно на расстоянии Венеры от Солнца), — чтобы резко завернуть корабль и направить его к Земле, находящейся с той же стороны от Солнца, где был Марс в момент старта. Поэтому такая траектория и называется орбитой противостояния — по аналогии со старыми геоцентрическими понятиями астрологов из лаборатории реактивного движения.
Орбита противостояния требует большего импульса, чем любая орбита соединения, а один из ее отрезков очень длинный — он продолжается от 14 до 15 месяцев. Более того, действие радиации и теплового излучения на пассажиров и экипаж при пролете внутри орбиты Венеры близко от Солнца (так называемая венерианская прожарка) может оказаться пагубным. Короче, это очень плохой план, поэтому в наши дни его почти не используют. Разработанный мечтателями из НАСА в XX веке, он уменьшает время полета на Марс за счет обратного пути, поскольку отпадает необходимость сидеть на Красной планете и ждать разрешения старта по орбите соединения. В старые добрые времена лететь по последней означало две траектории 1 типа в оба конца с 18?месячной стоянкой на Марсе. Или один полугодовой полет на Марс и один 14?месячный — обратно, но при этом на самой Красной планете вы могли провести только месяц. Однако, поскольку весь смысл перелета на Марс заключался в том, чтобы исследовать его (а для этого требуется время), второй вариант был нерациональным даже в те далекие времена первооткрывателей. Компенсирующее преимущество обратной траектории по минимизации времени нахождения вдали от дома звучит вообще абсурдно: в конце концов, если главным критерием удачной миссии для вас является быстрое возвращение домой, так лучше здесь и оставайтесь!
В любом случае, вы летите на Марс, чтобы там остаться. Поэтому выбирайте орбиту соединения.