Марс является самой изученной планетой Солнечной системы после Земли. Но интерес к ней не ослабевает, и за последнее десятилетие практически каждые несколько лет к Красной планете отправляются новые АМС (автоматические межпланетные станции). Сколько лететь до Марса таким аппаратам и, в перспективе, пилотируемым кораблям – предстоит узнать в этой статье.
Первые полеты людей на Красную планету
В начале XX в. появились первые публикации К. Э. Циолковского и других исследователей, посвященные проблемам межпланетных перелетов человека, а в 60-е и 70-е гг. советскими и американскими учеными уже разрабатывались проекты марсианских экспедиций.
Совершенные в те годы достижения в освоении космоса позволяли надеяться, что человек, вслед за Луной, вот-вот посетит и соседний Марс.
Этого, однако, до сих пор не произошло, а полеты АМС, многие из которых закончились провалом, продемонстрировали, насколько технически трудно решение этой задачи. Одна из главных – огромное расстояние между планетами.
Сколько времени нужно лететь от Земли до Марса
Чтобы выяснить время полета от нашей планеты до ее соседки, следует знать расстояние между ними. Но дело в том, что планеты не стоят на месте, а их соседство в Солнечной системе не всегда было установленным фактом.
Расстояние между планетами в километрах
История исследования Марса началась в глубокой древности. Наблюдения были впервые произведены еще вавилонскими и египетскими астрономами, но это были самые общие представления о движении светящейся точки на ночном небе.
Античные философы и астрономы заметили, что эта точка никогда не заслоняла собой ни Солнце, ни Луну – значит, она находилась дальше от Земли, чем эти светила, что отображалось в предложенных тогда геоцентрических системах.
Подсчеты расстояний между объектами были во многом умозрительны.
Так, Пифагор, основываясь на аналогии с музыкой и философском представлении о гармонии космоса, делил это пространство на 7 тонов: дистанция между Луной и Землей равнялась одному тону, и такова же была дистанция между находившимися еще дальше Солнцем и Марсом.
Плиний Старший, изложивший эту систему, справедливо заключил, что мысль «тонкая, но более развлекающая, чем доказательная». И добавил, что для выяснения расстояния между объектами Солнечной системы «нет другого вполне приемлемого пути, кроме метода непогрешимого геометрического умозаключения».
Это «умозаключение» было сделано лишь в XVII в. астрономами Джованни Доменико Кассини и Жаном Рише. Первый наблюдал за Красной планетой, находясь в Париже, а второй – в Южной Америке.
Момент для наблюдения был выбран неслучайно: осенью 1672 г. Марс находился в противостоянии с Землей (т.е. на продолжении линии Солнце–Земля) и на перигелии своей орбиты (т.е. на кратчайшем расстоянии до Солнца).
Ученые вычислили расстояние по прямой между точками наблюдения (около 6 700 км) и выяснили параллакс Марса – угол его смещения относительно далеких, «неподвижных» звезд созвездия Водолея, через которое в то время проходила планета.
Размеры этого угла составили лишь незначительные доли градуса, но с его помощью Д. Кассини смог определить расстояние до Марса, а впоследствии подсчитать и расстояние от Земли до Солнца. Причем с погрешностью менее 10%.
Полученные значения перевернули представление о расстояниях между планетами. Последующие уточнения позволили выяснить, что теоретически возможное минимальное расстояние между Землей и Марсом составляет ни много ни мало 54,6 млн км. Это примерно треть расстояния от Земли до Солнца.
Но для этой близости планетам нужно соблюсти ряд условий:
- Оказаться в противостоянии, что случается примерно раз в 26 месяцев.
- Марс должен находиться в точке своего перигелия, что происходит раз в 15–17 лет. Такое событие называется великим противостоянием.
- Земля должна достичь наиболее удаленной точки своей орбиты (афелия), а такого события не случалось за всю историю наблюдений.
Утешением служит то, что разница между такой идеальной ситуацией и периодами противостояния не столь велика, а в великое противостояние расстояние не превышает 60 млн км. Ближайшим станет сближение 2035 г., когда удаленность до Красной планеты составит 57 млн км.
Свету потребуется чуть больше 3 минут, чтобы преодолеть его. У солнечного зонда «Паркер», скорость которого к 2024 г. достигнет рекордных 692 000 км/ч, путь займет около 95 часов.
Куда менее быстрый аппарат («Новые горизонты») летел бы почти полтора месяца. Но эти вычисления не учитывают движения планет по орбите: их взаимное расположение постоянно меняется, поэтому идеально прямого пути не получится.
Скорости движения на орбитах
Марс находится в среднем в 1,5 раза дальше от Солнца, чем Земля, а период его обращения равен 687 земным суткам. Средняя орбитальная скорость планеты составляет 24,13 км/с, тогда как Земля движется несколько быстрее, со скоростью 29,783 км/с. К тому же орбита Марса немного наклонена относительно орбиты Земли – все эти обстоятельства следует учитывать при планировании перелета.
Варианты траекторий полета до Марса
Добраться до Марса от Земли можно несколькими маршрутами. Все они требуют калькуляции, данные для которой во многом зависят от предполагаемой даты запуска. В результате длительность полетов разнится.
Быстрее всего Красной планеты достиг запущенный в 1969 г. «Маринер-6». Его путь занял 131 сутки, тогда как другим кораблям требовалось куда больше времени. Например, «Викинг-2» добирался до цели своей миссии почти год.
Эллиптическая
Эта траектория известна также как «гомановская» (по имени своего разработчика – немецкого ученого Вальтера Гомана). Графически она представляет собой половину эллиптической орбиты вокруг Солнца. Начальная скорость и протяженность дуги влияют на продолжительность перелета.
Параболическая
Еще одним возможным путем для корабля может стать параболическая траектория. С ее помощью можно выиграть во времени перелета (до 70 суток), но такая поспешность обойдется в повышенные затраты топлива при запуске и торможении.
Гиперболическая
«Красной дорожкой», требующей всего полутора месяцев времени, является гиперболическая траектория корабля, но для ее осуществления кораблю необходимо разогнаться как минимум до 16,7 км/с, что потребует максимально возможных затрат топлива и разработки нового типа двигателя.
Как рассчитать топливо для полета на Марс и обратно
Рассчитать необходимое количество топлива для полета на Марс и обратно – это сложная инженерная задача, которая зависит от множества факторов, включая тип и характеристики космического судна, планируемую траекторию полета, массу груза и экипажа, а также многие другие параметры.
Интересным проектом является Testudo, подразумевающий создание целой эскадры ракет, часть которых являются исключительно грузовыми топливными блоками.
Компоновка эскадры в единый пакет, при которой эти блоки монолитным поясом окружают жилые отсеки обитаемых ракет, позволит защитить экипаж от космической радиации.
Способы уменьшить время полета на Марс
Орбитальный запуск межпланетных кораблей сэкономит топливо, даст большую полезную нагрузку и, ко всему прочему, безвреден для атмосферы Земли. Для увеличения скорости корабля за счет вращения Земли вокруг своей оси следует осуществлять запуск в восточном направлении и максимально близко к земному экватору.
Применение ядерных ракетных двигателей способно снизить затраты времени, но несет в себе риски ядерной безопасности при выведении и эксплуатации.
Электрические двигатели с высоким уровнем специфической импульсной тяги (ISP), такие как ионные двигатели, могут обеспечивать более эффективное ускорение в пространстве.
