Когда можно лететь на Марс?
Когда можно лететь на Марс?
Движение планет определяет время, когда можно осуществить экспедицию и продолжительность самой экспедиции. Обычно рассматривают два сценария экспедиции на Марс. Первый сценарий известен давно и основан на очевидных траекториях перелета между орбитами планет. Назовем его классическим вариантом экспедиц [1]. Здесь перелеты Земля - Марс и Марс - Земля обычно симметричны, а экипаж ожидает на орбите Марса удобной конфигурации планет. Общая продолжительность экспедиции около 3 лет.
Другой вариант, назовем его скоростной вариант, предполагает полет к Марсу всего на 30 суток и возвращение по траектории, пересекающей орбиту Венеры [2] (рис.1). Здесь экспедиция длится примерно на один год меньше чем в классическом варианте. Последний вариант часто выбирают исходя из соображений минимума пребывания экипажа в дальнем космосе. Предполагается, что таким образом можно уменьшить негативное влияние радиации и невесомости.
Рис.1. Проект экспедиции по быстрому варианту от РКК «Энергия» [3].
Экспедиция продлится примерно 550 суток.
Продолжительность экспедиции и время старта зависит от энергетики и типа используемых двигателей. Различают двигатели большой тяги, которые сообщают кораблю необходимую скорость так сказать за один прием и двигатели малой тяги которые работают долго и корабль постепенно набирает скорость. Зато такие двигатели благодаря большому удельному импульсу позволяют брать меньше топлива или увеличить массу полезной нагрузки. Такая возможность была очень соблазнительной для конструкторов, и было предложено много проектов с использованием двигателей малой тяги. К сожалению, для таких двигатели еще не завешен этап опытно-конструкторских работ. Из-за того, что ускорение создаваемое двигателями малой тяги очень мало корабль медленно набирает скорость. Это увеличивает продолжительность разгона вблизи Земли или Марса и в целом никак не уменьшает время перелета.
С другой стороны быстрый вариант экспедиции предполагает исследования, на орбите Марса включая посадку, всего в течение порядка 30 суток (рис.1). Сомнителен научный результат такой миссии. Поскольку научные исследования требуют скрупулезности, и последовательности, поспешность здесь неуместна.
Поэтому ниже обсуждается только классический вариант, которых хоть и более продолжителен, но позволяет провести серьезные исследования Марса.
По любому сценарию, где используются перелеты по экономичным траекториям и двигатели большой тяги старт к Марсу возможен в течение всего 20 суток в так называемое окно старта, которое начинается за 96 суток до очередного противостояния. Учитывая еще и энергетические соображения, окно для старта оказывается еще уже.
Рис.2. Орбиты планет и противостояния Марса.
Противостояния Марса случаются обычно летом или в начале осени и повторяются каждые два года. На рис. 2 показаны даты противостояний Марса и орбиты планет. Поэтому старт возможен примерно за три месяца до очередного противостояния. Хорошо лететь в год великих противостояний, которые повторяются каждые 15 или 17 лет. В год великого противостояния расстояние между Марсом и Землей минимально.
Ближайшее великое противостояние будет в июле 2018 г. Однако, в годы великих противостояний на Марсе часто бушуют сильные пылевые бури, которые могут затруднить исследования в первые месяцы экспедиции. Однако изучение развития самой пыльной бури так же представляет научный интерес. Если главная цель иная, то следует проводить пилотируемую экспедицию либо на один двухлетний цикл раньше либо на один цикл позже. Поскольку разница в расстоянии между планетами вблизи положения великого противостояния не слишком велика.
Само окно для старта открывается с интервалом в 780 суток. Поэтому запуск первого транспортного корабля следует осуществить за 2 года и примерно 50 дней до запуска второго корабля.
Минимальная скорость отлета при старте с орбиты высотой 200 км составляет 3.613 км/с. Траектория соответствует так называемой гомановской траектории. Она проходит по касательной к орбите Марса (I рис.3) [4]. На рис.3 показано положение Земли и Марса в момент старта для трех вариантов экономичных траекторий. Гомановская траектория наиболее экономична с точки зрения расхода топлива, но она самая длительная по времени перелета. В этом случае продолжительность перелета составит 258.9 суток.
Рис. 3. Экономичные траектории для полетов к Марсу
Существуют еще две траектории (II III), которым соответствуют начальные скорости 3.846 км/с и 4.046 км/с. Время перелета по траектор II ставляет уже 164.5 дня, а время перелета по траектор III ставит 144.1 дня.
Видно, что меж I II аекторией есть существенная разница во времени перелета, которая достигает 3 месяцев. Разница же в необходимой скорости старта составляет всего 0.2 км/с. Потребное приращение скорости меж II III аекторией составляет те же 0.2 км/с, но экономия времени составит всего 20 суток или 14% от времени перелета, что уже не является критической величиной. Поэтому наиболее рациональной для пилотируемого перелета является траектор II раектор I я грузового корабля.
Поскольку траектор II III ресекают орбиту Марса, то возможно новая встреча с планетой, если в первый раз это не удается сделать. На рис. 3 эти точки встречи показаны цифрами со штрихами. Время перелета до нового сближения с планетой составить 419 суток и 497.6 суток соответственно для траектор II III. Однако как видно точка 2’ совсем не удобна для выполнения каких-либо маневров, так как между Землей и Марсом будет находиться Солнце. Тем не менее, подобный вариант с двумя пролетами мимо Марса может быть полезным при отказе по техническим причинам от выхода на орбиту Марса. Тогда можно дважды провести исследования планеты хотя бы с пролетных траекторий.
Поскольку плоскости орбит Земли и Марса не совпадают, существует дополнительные трудности для перелетов в те или иные временные интервалы. Кроме того, следует учитывать большой эксцентриситет орбиты Марса. Из-за этого оптимальное время старта приходится на тот момент, когда Земля пересекает линию узлов Марса (рис.4).
Можно ожидать, что ситуация подобная великому противостоянию 1971 г. повторится 2018 г. Тогда противостояние должно наступить в начале июля. Соответственно прохождение Землей линии узлов будет происходить в начале мая. Старт же следует осуществить за три месяца до противостояния или в начале апреля. Тогда мы получаем что, запустив корабль в начале мая, мы автоматически попадем в плоскость орбиты Марса, так как старт происходит вблизи линии узлов (рис.4). Такой перелет позволит увеличить массу полезной нагрузки.
Если лететь по гомановской траектории с угловой дальность 180°, то прибытие к Марсу произойдет в январе 2019 года. Если лететь по более быстрой траектор II, то прибытие ожидается конце октября 2018 г.
Благоприятная конфигурация для обратного старта наступает, когда Марс немного опережает Землю. Для траектор II ережение должно составить 42,6°. Такая ситуация возникает в апреле 2020 г.
На рис. 4 отмечены одинаковыми цифрами положения планет в один и тот же момент времени.
Предположим, что окно для старта откроется в апреле 2018 г. Рассмотрим возможный сценарий пилотируемой экспедиции.
· Старт 15-20 апреля 2018 г. (1)
· Перелет к Марсу 162 суток (синяя кривая).
· Прибытие в окрестности Марса в сентябре 2018 г. (2)
· 20-25 сентября 2018 г.- выход на орбиту вокруг Марса (2).
· Октябрь 2018 г. - стыковка с техническим модулем, начало исследовательского этапа экспедиции (2).
· Примерно 1.5 года проводятся исследования с орбиты Марса. Высадка (3). Возможности для посадки на Марс рассмотрим дальше.
· Март 2020 года завершение исследовательского этапа, подготовка к возвращению.
· 20 апреля 2020 г. - старт к Земле (4).
· Перелет к Земле - 160 суток (оранжевая кривая)
· Посадка - октябрь 2020 г. (5)
Общая продолжительность исследовательского этапа на орбите Марса 1 год и 6 месяцев.
Продолжительность экспедиции 2.5 - 2.7 года.
Однако перелеты могут быть совершены и за более длительный срок, например, за 250 суток, тогда соответственно уменьшится время работы на орбите Марса
Продолжительность экспедиции должна рассчитаться из выражения:
Тпол Тс ×Тз, где Тс 80 суток (26 месяцев) или синодический период для Марса. И надо прибавить удвоенный интервал от момента старта до противостояния планет. Если старт происходит за 90 дней до противостояния, то получим полную продолжительность 960 суток или 32 месяца, или 2 года и 8 месяцев. Скорее всего, более точные расчеты для сценария пилотируемого этапа позволят сократить это срок на 1-2 месяца.
Данный вариант рассчитан при условии, что противостояние в 2018 г наступит 27 июля[5], а старт должен предшествовать противостоянию примерно на три месяца. Однако сдвиг противостояния на несколько дней или недель приведет к сдвигу времени старта только лишь сдвинет сроки, но не изменит всей программы по сути.
Любопытно, что сокращение времени перелета мало влияет на общую длительность экспедиции. Для случая перелета по самой медленной траектории экспедиция продлится 972 суток против 964 суток для быстрой траектории.
Для посадки на Марс есть только два окна. Одно из них начинается вскоре после прилета на орбиту Марса. Но сразу после прилета высаживаться не рационально, так как следует провести детальное исследование и выбрать район посадки. Единственный более менее удобный момент может наступить через три месяца, когда уже можно успеть провести разведку. Это может быть середина декабря 2018 года. Однако расстояние между Землей и Марсом в этот момент будет примерно 240 млн. км. Время прохождения сигнала в один конец достигнет почти 14 минут. Если высадку запланировать на более поздний период, то условия для связи станут еще менее благоприятными, так как возрастет расстояние, да еще и между планетами будет располагаться Солнце.
Второе удобное окно откроется уже в конце экспедиции. В конце декабря 2019 г, за четыре месяца до старта домой расстояние будет 220 млн. км. В конце января 2020 г. за три месяца до старта домой расстояние между Марсом и Землей будет примерно таким же, как и первом случае (3-3, рис.4).
Дальше расстояние будет сокращаться. В момент старта к Земле расстояние между планетами составит 142 млн. км, с временем прохождения сигнала менее 8 минут (4-4. Рис.4).
Однако перед стартом домой трудно обеспечить надежную работу экипажа во время столь ответственной операции. Здесь может сработать эффект «чемоданного» настроения и общая усталость. Последний месяц будет занят подготовкой к обратному полету, поэтому март реально выпадет. Возможно, посадку на Марс есть смысл планировать, начиная с конца ноября 2019 г. - конец февраля 2020 г. Например, перед Рождеством [6] (3-3 рис.4), хотя это и не самый оптимальный с точки зрения удобства телетрансляции период времени из-за сравнительно большого расстояния.
Во время экспедиции случится еще одно событие. Через 1 год и 53 дня (когда Земля пройдет 413°) после начала экспедиции наступит зона радиотени, когда между Землей и Марсом будет находиться Солнце. Если предположить, что Солнце служит экраном диаметром от ±2Rс ±10Rс то получим, что зона радиотени будет продолжаться от 4 до 20 суток. В это период прямая связь с экспедицией либо будет вообще физически невозможна либо сильно затруднена из-за радио помех от Солнца.
Подобная ситуация повториться через 780 суток или через один синодический период обращения Марса. От момента начала экспедиции пройдет 1198 суток. Если экспедиция не останется на «зимовку», то зона радиотени будет только один раз за время экспедиции. Поэтому вряд ли следует на случай кратковременной потери связи прилагать особые усилия. Возможно следует предусмотреть резервный канал связи через одну из автоматических станций видимую, как с Земли так и с Марса и которая так или иначе уже запущена с некой миссией в космос. Например, к Венере.
За два года до начала основной экспедиции или весной 2016 года должен стартовать технический корабль, который прибудет к Марсу поздней осенью 2016 года, и до сентября 2018 года будет ожидать основную часть экспедиции.
Если в положенное окно старта с орбиты Марса по тем или иным причинам старт не может произойти, экипажу предстоит «зимовка» на орбите Марса. В качестве одной из мер безопасности будет подготовка к старту транспортного корабля-буксира. В это момент есть возможность сразу отправить транспортный корабль-буксир по симметричной траектории подобной той, что двумя годами раньше летела экспедиция. На рис.4 взаимное положение планет в начале экспедиции 1-1 примерно такое же, как и в конце 4-4. Спустя примерно 6 месяцев транспортный корабль достигнет орбиты Марса и экипаж получит техническую помощь. Дальнейшие действия экипажа уже зависят от конкретных энергетических возможностей буксира. В минимальном варианте им предстоит «зимовка» в течение еще 960 дней. На этот случай им потребуются запасы, которые должны быть на борту первого технического корабля как НЗ.
Однако возможет и более быстрое возвращение, если корабль «нырнет» примерно до орбиты Венеры и таким образом догонит Землю по быстрому варианту, описанному выше.. Однако все подобные варианты должны быть проработаны заранее.
Из симметрии конфигураций следует и такая возможность как отправка в момент времени 4-4 корабля снабжения для следующей экспедиции, он прибудет спустя примерно полгода к Марсу, как раз когда экспедиция уже вернется на Землю. Но есть и возможность отправить следующую экспедицию в апреле 2020 г. Получится, что одна экспедиция возвращается, а другая летит к Марсу. Где-то в середине пути корабли окажутся на минимальном расстоянии друг от друга. Гипотетически даже смогут пролететь один мимо другого. Пересечение оранжевой и синей кривой на рис.4. Хотя практически осуществить это будет сложно. Да и зачем? Разве, чтобы помигать друг другу лазером и символически передать вахту?
Marsmet, 2007 г.
Литература и сноски
1. В англоязычной литературе такой вариант называется «conjuction» - соединение, потому, что Марс находится с Землей в соединении.
2. В англоязычной литературе такой вариант называется «opposition» - противостояние, потому, что Марс находится с Землей в противостоянии.
3. Наука и жизн http://www.nkj.ru/archive/articles/11014/
4. В.И.Левантовский. Механика космического полета в элементарном изложении. М.: Наука 1980.
5. Насколько мне сейчас известно противостояние должно состояться 2 июля 2018 г.
6. Американцы в первый раз облетали Луну как раз на Рождество в 1968 г.