Умови польоту на марс

Коли можна летіти на Марс?

Рух планет визначає час, коли можна здійснити експедицію і тривалість самої експедиції. Зазвичай розглядають два сценарії експедиції на Марс. Перший сценарій відомий давно і заснований на очевидних траєкторіях перельоту між орбітами планет. Назвемо його класичним варіантом експедиції [1]. Тут перельоти Земля - ​​Марс і Марс - Земля зазвичай симетричні, а екіпаж чекає на орбіті Марса зручною конфігурації планет. Загальна тривалість експедиції близько 3 років.

Інший варіант, назвемо його швидкісний варіант, передбачає політ до Марса всього на 30 діб і повернення по траєкторії, що перетинає орбіту Венери [2] (рис.1). Тут експедиція триває приблизно на один рік менше ніж в класичному варіанті. Останній варіант часто вибирають виходячи з міркувань мінімуму перебування екіпажу в далекому космосі. Передбачається, що таким чином можна зменшити негативний вплив радіації і невагомості.

Рис.1. Проект експедиції по швидкому варіанту від РКК «Енергія» [3].

Експедиція триватиме приблизно 550 діб.

Тривалість експедиції і час старту залежить від енергетики і типу використовуваних двигунів. Розрізняють двигуни великої тяги, які повідомляють кораблю необхідну швидкість так би мовити за один прийом і двигуни малої тяги які працюють довго і корабель поступово набирає швидкість. Зате такі двигуни завдяки великому питомому імпульсу дозволяють брати менше палива або збільшити масу корисного навантаження. Така можливість була дуже спокусливою для конструкторів, і було запропоновано багато проектів з використанням двигунів малої тяги. На жаль, для таких двигуни ще не завішаний етап дослідно-конструкторських робіт. Через те, що прискорення створюване двигунами малої тяги дуже мало корабель повільно набирає швидкість. Це збільшує тривалість розгону поблизу Землі або Марса і в цілому ніяк не применшує час перельоту.

З іншого боку швидкий варіант експедиції передбачає дослідження, на орбіті Марса включаючи посадку, всього протягом близько 30 діб (рис.1). Сумнівний науковий результат такої місії. Оскільки наукові дослідження вимагають скрупульозності, і послідовності, поспішність тут недоречна.

Тому нижче обговорюється тільки класичний варіант, яких хоч і більш тривалий, але дозволяє провести серйозні дослідження Марса.

За будь-якого сценарію, де використовуються перельоти по економічним траєкторіях і двигуни великої тяги старт до Марса можливий протягом всього 20 діб в так зване вікно старту, яке починається за 96 діб до чергового протистояння. Враховуючи ще й енергетичні міркування, вікно для старту виявляється ще вже.

Рис.2. Орбіти планет і протистояння Марса.

Протистояння Марса трапляються зазвичай влітку або на початку осені і повторюються кожні два роки. На рис. 2 показані дати протистоянь Марса і орбіти планет. Тому старт можливий приблизно за три місяці до чергового протистояння. Добре летіти в рік великих протистоянь, які повторюються кожні 15 або 17 років. У рік великого протистояння відстань між Марсом і Землею мінімально.

Саме вікно для старту відкривається з інтервалом в 780 діб. Тому запуск першого транспортного корабля слід здійснити за 2 роки і приблизно 50 днів до запуску другого корабля.

Мінімальна швидкість відльоту при старті з орбіти висотою 200 км становить 3.613 км / с. Траєкторія відповідає так званої гомановской траєкторії. Вона проходить по дотичній до орбіти Марса (I на рис.3) [4]. На рис.3 показано положення Землі і Марса в момент старту для трьох варіантів економічних траєкторій. Гомановская траєкторія найбільш економічна з точки зору витрат палива, але вона найтриваліша за часом перельоту. У цьому випадку тривалість перельоту складе 258.9 діб.

Мал. 3. Економічні траєкторії для польотів на Марс

Існують ще дві траєкторії (II і III), яким відповідають початкові швидкості 3.846 км / с і 4.046 км / с. Час перельоту по траєкторії II становить вже 164,5 дня, а час перельоту з траєкторії III складе 144,1 дня.

Видно, що між I і II траєкторією є істотна різниця в часі перельоту, яка досягає 3 місяців. Різниця ж в необхідної швидкості старту складає всього 0.2 км / с. Потрібне збільшення швидкості між II і III траєкторією становить ті ж 0.2 км / с, але економія часу складе всього 20 діб або 14% від часу перельоту, що вже не є критичною величиною. Тому найбільш раціональною для пілотованого перельоту є траєкторія II і траєкторія I для вантажного корабля.

Оскільки траєкторія II і III перетинають орбіту Марса, то можливо нова зустріч з планетою, якщо в перший раз це не вдається зробити. На рис. 3 ці точки зустрічі показані цифрами зі штрихами. Час перельоту до нового зближення з планетою скласти 419 діб і 497.6 діб відповідно для траєкторій II і III. Однак як видно точка 2 'зовсім не зручна для виконання будь-яких маневрів, так як між Землею і Марсом буде знаходитися Сонце. Проте, подібний варіант з двома прольотами повз Марса може бути корисним при відмові з технічних причин від виходу на орбіту Марса. Тоді можна двічі провести дослідження планети хоча б з прогонових траєкторій.

Оскільки площини орбіт Землі та Марса не збігаються, існує додаткові труднощі для перельотів в ті чи інші тимчасові інтервали. Крім того, слід враховувати великий ексцентриситет орбіти Марса. Через це оптимальний час старту доводиться на той момент, коли Земля перетинає лінію вузлів Марса (рис.4).

На рис. 4 відзначені однаковими цифрами положення планет в один і той же момент часу.

· Переліт до Марса 162 діб (синя крива).

· Приблизно 1.5 року проводяться дослідження з орбіти Марса. Висадка (3). Можливості для посадки на Марс розглянемо далі.

· Переліт до Землі - 160 діб (помаранчева крива)

Загальна тривалість дослідницького етапу на орбіті Марса 1 рік і 6 місяців.

Тривалість експедиції 2.5 - 2.7 року.

Однак перельоти можуть бути здійснені і за більш тривалий термін, наприклад, за 250 діб, тоді відповідно зменшиться час роботи на орбіті Марса

Тривалість експедиції повинна розрахуватися з виразу:

Тополь = Тс + 2 × Тз. де Тс = 780 діб (26 місяців) або синодичний період для Марса. І треба додати подвоєний інтервал від моменту старту до протистояння планет. Якщо старт відбувається за 90 днів до протистояння, то отримаємо повну тривалість 960 діб або 32 місяці, або 2 роки і 8 місяців. Швидше за все, більш точні розрахунки для сценарію пілотованого етапу дозволять скоротити це термін на 1-2 місяці.

Цікаво, що скорочення часу перельоту мало впливає на загальну тривалість експедиції. Для випадку перельоту по найповільнішої траєкторії експедиція триватиме 972 діб проти 964 діб для швидкої траєкторії.

Далі відстань буде скорочуватися. У момент старту до Землі відстань між планетами складе 142 млн. Км, з часом проходження сигналу менше 8 хвилин (4-4. Рис.4).

Під час експедиції трапиться ще одна подія. Через 1 рік і 53 дня (коли Земля пройде 413 °) після початку експедиції настане зона відсутності сигналу, коли між Землею і Марсом буде знаходитися Сонце. Якщо припустити, що Сонце є екраном діаметром від ± 2 R з до ± 10 R з то отримаємо, що зона відсутності сигналу триватиме від 4 до 20 діб. У цей період прямий зв'язок з експедицією або буде взагалі фізично неможлива або сильно утруднена через радіо перешкод від Сонця.

Подібна ситуація повторитися через 780 діб або через один синодичний період обертання Марса. Від моменту початку експедиції пройде 1198 діб. Якщо експедиція не залишиться на «зимівлю», то зона відсутності сигналу буде тільки один раз за час експедиції. Тому навряд чи варто на випадок короткочасної втрати зв'язку докладати особливих зусиль. Можливо слід передбачити резервний канал зв'язку через одну з автоматичних станцій видиму, як із Землі так і з Марса і яка так чи інакше вже запущена з якоїсь місією в космос. Наприклад, до Венери.

Якщо в належний вікно старту з орбіти Марса з тих чи інших причин старт не може статися, екіпажу належить «зимівля» на орбіті Марса. У якості одного із заходів безпеки буде підготовка до старту транспортного корабля-буксира. У цей момент є можливість відразу відправити транспортний корабель-буксир за симетричною траєкторії подібної до тієї, що двома роками раніше летіла експедиція. На рис.4 взаємне положення планет на початку експедиції 1-1 приблизно таке ж, як і в кінці 4-4. Через приблизно 6 місяців транспортний корабель досягне орбіти Марса і екіпаж отримає технічну допомогу. Подальші дії екіпажу вже залежать від конкретних енергетичних можливостей буксира. У мінімальному варіанті їм належить «зимівля» протягом ще 960 днів. На цей випадок їм будуть потрібні запаси, які повинні бути на борту першого технічного корабля як НЗ.

Однак можливий і більш швидке повернення, якщо корабель «пірне» приблизно до орбіти Венери і таким чином наздожене Землю по швидкому варіанту, описаного вище. Однак всі подібні варіанти повинні бути опрацьовані заздалегідь.

Література і виноски

1. В англомовній літературі такий варіант називається «conjuction» - з'єднання, тому, що Марс знаходиться з Землею в з'єднанні.

2. В англомовній літературі такий варіант називається «opposition» - протистояння, тому, що Марс знаходиться з Землею в протистоянні.

4. В.І.Левантовскій. Механіка космічного польоту в елементарному викладі. М. Наука 1980.

6. Американці вперше облітали Місяць якраз на Різдво в 1968 р