Планета Марс, наряду с Венерой — наш ближайший космический сосед, поэтому эта планета автоматически становится одной из первых в ряду космических тел, на которые рано или поздно высадится человек. Впрочем, даже в качестве «испытательного полигона» для автоматических планетоходов, Марс также не уступит никому лидерских позиций: лететь до него сравнительно не долго, условия, хоть и намного более суровые, чем на Земле, но все же похожие.

И, думаю в этой связи, многих читателей волнуют простые с виду вопросы — как долететь до Марса, какие двигатели для этого использовать, сколько месяцев или даже лет будет длиться полет к красной планете?

Почему просто не долететь на ракете до Марса?

Почему просто не долететь на ракете до Марса? Потому что наши современные космические корабли — это по сути «бочки с топливом», в которых горючее занимает 9 из 10 единиц объема. Для чисто «активного» полета к Марсу размер ракеты должен быть с вавилонскую башню!

Этапы полета к Марсу — активный и пассивный участок полета космического корабля

Если кто-то думает, что полет на Марс происходит как в фантастических фильмах, где космический корабль двигается к цели за счет тяги собственных реактивных двигателей, то спешу вас огорчить — в жизни все происходит куда «суровей».

Дело в том, что не смотря на семимильные шаги технического прогресса, двигатели современных космических ракет еще слишком несовершенны, очень «прожорливы» и потому применяются только на сравнительно небольших участках полета. Да и то, главным образом для коррекции направления полета, а не для придачи ускорения.

В основном же «космическим штурманам» прокладывающим маршруты к планетам, приходится прибегать к силам природы — чаще всего к силе тяготения Солнца. В связи с этим межпланетную траекторию можно условно разделить на участки двух видов.

Первый из них — это активный участок траектории полета, полет на котором совершается с работающими двигателями. Таких участков может быть несколько по пути следования космического аппарата.

В заранее рассчитанное время включаются двигатели разгонного ракетного блока, и межпланетный корабль стартует с околоземной орбиты.

гравитационные маневры аппарата Фобос-Грунт для изучения Марса

Как видно из рисунка объясняющего «гравитационные маневры» аппарата Фобос-Грунт для изучения Марса, о полетах по прямой космонавтам приходится только мечтать



Для достижения планеты назначения траектория полета должна быть рассчитана таким образом, чтобы после выхода из сферы действия Земли и попадания в поле тяготения Солнца наш корабль продолжал бы полет в намеченную точку до встречи с другой планетой.

С одной стороны, траектория космического аппарата определяется начальной скоростью и направлением движения (в момент старта с околоземной орбиты) космического корабля, с другой — притяжением самого Солнца. На полет также оказывают некоторое влияние планеты и их спутники — они своей гравитацией отклоняют его от расчетного пути. Но отклонения эти невелики и легко поддаются устранению путем кратковременного включения на трассе полета корректирующих ракетных двигателей.

Для выхода космического корабля на расчетную траекторию полета к Марсу ему необходим скорость не менее 11,6 км/с, то есть чуть больше второй космической скорости, что позволяет космическому кораблю «выскочить» за пределы гравитации нашей планеты.

Как только нужная скорость достигнута, начинается длительный полет с выключенными двигателями по второму, пассивному участку межпланетного полета.

Иными словами, космическому кораблю нужно «вырваться» из гравитационных «объятий» Земли с помощью двигателей, а дальше  полет межпланетного корабля происходит уже в основном по инерции, за счет тяготения Солнца.

Эта же сила формирует и межпланетную траекторию. Если скорость «отрыва» будет недостаточна для преодоления тяготения Земли, объект не полетит к другой планете, а перейдет на околосолнечную эллиптическую орбиту. То есть станет вращаться вокруг Солнца как его искусственный спутник.

Как космический корабль приземлится на Марс?

После длительного полета «по инерции», в поле тяготения Солнца, наш космический корабль попадает в сферу действия притяжения Марса и пройдет возле него по пролетной траектории. Но, поскольку скорость корабля превышает значение второй космической скорости вблизи Марса (5,0 км/с), то планета не сможет «остановить» космический корабль и удержать его около себя.

Что же надо сделать, чтобы корабль не улетел на окраину солнечной системы, а вышел на орбиту Марса?

Как мы уже знаем, переход с одной орбиты на другую совершается путем изменения скорости движения. Таким образом, скорость космического корабля нужно уменьшить примерно до значения первой космической скорости вблизи Марса, то есть до 3,55 км/с.

Это достигается путем кратковременного включения тормозного ракетного двигателя. И пока двигатель работает, полет снова является активным. Заметим, что необходимость в подобном маневре возникает каждый раз при выводе любого космического аппарата на орбиту любого космического объекта — хоть Марса, хоть Луны.

Как только скорость будет снижена до нужной величины и планета, наконец, сможет «поймать» аппарат своим притяжением, его полет снова войдет в пассивную фазу, только теперь не за счет сил Солнца, а за счет планетной гравитации.

этапы посадки спускаемого аппарата миссии «Скиапарелли» на поверхность Марса

Так разработчики видели этапы посадки спускаемого аппарата миссии «Скиапарелли» на поверхность Марса

Как происходит посадка на Марс?

Наконец, остается самый последний участок территории полета космического корабля — участок снижения спускаемого аппарата на поверхность планеты, то есть посадка.

Если атмосфера у планеты отсутствует, как, например, на Луне, или сильно разрежена, как на Меркурии или на Марсе, то для торможения и обеспечения мягкой посадки спускаемого аппарата следует применять специальные тормозные ракетные двигатели. Так осуществляются посадки на Луну советских и американских лунных станций.

Для обеспечения мягкой посадки космического аппарата на поверхность планеты, обладающей плотной атмосферой, приходится прибегать к услугам аэродинамического торможения (спуск на парашюте). Этим способом осуществлялись спуск и посадка советских автоматических межпланетных станций на поверхность Венеры или американских на Марс (в этом случае также использовались и тормозные двигатели).

К слову: полет полет в обратном направлении — к Земле — будет происходить таким же образом.

Проблемы и недостатки современных систем для космических перелетов по эллиптическим орбитам и сложности полета на Марс

Межпланетные полеты по эллиптическим орбитам, доступные нам в настоящее время и подробно описанные выше имеют очень существенное преимущество — они очень экономичны, так как всю работу делает солнечная и планетная гравитация, что позволяет очень ограниченно использовать двигатели (и тратить топливо).

Но полеты по эллиптические орбиты имеют и существенный недостаток: слишком велика продолжительность полета. Так, например, полет по полу эллипсу до Марса займет 259 суток, то есть более 8,5 месяца.

В случае полета на Марс корабля с экипажем возникает проблема обязательного возвращения людей па Землю. И пока эта проблема не будет решена, ни о каких полетах человека к планетам не может быть и речи. Сколько же времени понадобится на весь полет?

Начнем с того, что межпланетный корабль необходимо отправлять в полет в период удобного расположения планеты назначения относительно Земли. Иначе он ее не достигнет. Такие «стартовые окна» при запусках к Марсу повторяются в среднем через 2 года и 2 месяца. А чтобы экипаж смог благополучно возвратиться на Землю, люди должны выжидать на Марсе 450 суток, пока не наступит «стартовое окно» для полета к Земле. В конечном счете все путешествие продлится 2 года и 8 месяцев!

Вполне понятно, что такие сроки неприемлемы. Как же быть?

Сложности полета на Марс

Для примера изображена схема полета межпланетной станции «Мессенджер» к Меркурию. Как видите аппарат совершил в общей сложности 6 гравитационных маневров, тормозя сперва «об Венеру» и только сбросив скорость до приемлемой, двинулся дальше к Меркурию

Добиться существенного сокращения продолжительности межпланетного полета можно за счет увеличения начальной скорости в момент старта. Допустим, что при старте с околоземной орбиты ракета придаст кораблю не вторую, а третью космическую скорость — 16,7 км/с. Тогда полет будет совершаться уже не по эллипсу, а по скоростной параболической траектории и паши путешественники смогут достичь Марса всего за 70 суток! В этом случае время пребывания на Марсе можно сократить до 12 суток, а вес путешествие по трассе Земля—Марс—Земля продлится 152 дня.

Но чем дальше нужно лететь, тем большую скорость требуется сообщить межпланетному кораблю при старте. Так, если для полета к ближайшим планетам — Венере и Марсу — минимальные начальные скорости относительно Земли составляют 11,5 и 11,6 км/с соответственно, то для полета к Юпитеру начальная скорость должна быть не меньше 14,2 км/с., а для достижения далекого Плутона — 16,3 км/с, то есть почти равна третьей космической скорости.

Последнее объясняется тем, что для полетов к окраинам Солнечной системы корабль должен располагать еще некоторым дополнительным запасом энергии, необходимой для преодоления силы тяготения Солнца.

И наконец, если отправиться в межпланетный полет со скоростью, превышающей значение третьей космической скорости, то наш корабль будет лететь уже не по параболе, а по самой скоростной — гиперболической трассе. Достижение гиперболических скоростей позволит максимально сократить сроки межпланетных полетом.

Но как получить такие большие скорости? Ученые и конструкторы новой космической техники видят решение этой проблемы в создании межпланетных кораблей с атомными и электрическими ракетными двигателями.


Список источников литературы