Сколько лететь до Марса и как туда добраться?
Активный и пассивный участок полета космического корабля - Как космический корабль приземлится на Марс? - Посадка на Марс? - Сложности полета на Марс
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?
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 несмотря 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.
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.
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?
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.