Отправление космического аппарата на Марс сопряжено со множеством хлопот. Транспортные расходы выливаются в сотни миллионов долларов, даже если запускать транспорт в «окне запуска» — когда орбиты Марса и Земли оптимально располагаются каждые 26 месяцев. И все для чего? Чтобы шокировать мир: мы на Марсе. Космический аппарат разгоняется на тысячи километров в час, а затем пытается затормозить, чтобы не впечататься в поверхность планеты. Все это требует сотен килограммов дополнительного топлива, которое не только дорогое, но и может подвести, и судно не достигнет пункта назначения.

Этот подход грубой силы для достижения орбиты, который также называется гомановской траекторией, сложился исторически, позволяя космическим агентствам набивать карманы и расходовать огромные бюджеты. Но в эпоху сокращения бюджетов гомановская траектория становится слишком дорогой.

Новое исследование предлагает более гладкий и безопасный путь для достижения орбиты Марса, не ограниченный окнами запуска или дырами в бюджете. Так называемый «баллистический захват» может открыть марсианский горизонт для множества роботизированных миссий, будущих экспедиций с людьми и даже колонизаторских усилий.

«Он раскрыл нам глаза, — говорит Джеймс Грин, директор планетарного отдела науки NASA. — Это может быть большой шаг для нас в плане экономии ресурсов и возможностей; мы всегда ищем подобное».

Суть баллистического захвата в следующем: вместо того чтобы стрелять по местоположению Марса, когда планета будет на орбите, на которой ее встретит космический аппарат, как это происходит с гомановской траекторией, космический аппарат просто забрасывается на марсоподобную орбиту так, что он летит перед планетой. Хотя стоимость запуска и обеспечения полета остается прежней, сжигать топливо для торможения — как в случае с гомановской траекторией — больше не нужно.

В случае с баллистическим захватом космический аппарат курсирует немного медленнее, чем Марс на своем орбитальном пути вокруг Солнца. В конце концов Марс наползает на аппарат, гравитационно захватывая его на планетарную орбиту.

Работа, посвященная новому методу отправки космических аппаратов на марсианскую орбиту, была опубликована в arXiv.

Осторожный танец

Идея баллистического захвата, также известного под низкоэнергетической траекторией, не нова. Еще четверть века назад в Лаборатории реактивного движения NASA Эдвард Бельбруно предложил экономически выгодный метод вывода на орбиту для лунных зондов. Японское судно Hiten впервые использовало его в 1991 году, а в 2011 году методику повторили в ходе миссии GRAIL.

Бельбруно работал над тем, как можно использовать конкурирующие гравитации Земли, Солнца и Луны, чтобы аккуратно затащить космический аппарат на необходимую лунную орбиту. Все три тела рассматриваются как чашеобразные провалы в пространстве-времени. Выстраивая траекторию космического аппарата через эти провалы, чтобы импульс ослабевал по мере прохождения по маршруту, можно просто «закатить» аппарат на дно небольшой чаши Луны, сэкономив массу топлива.

«Это осторожный танец», — говорит Бельбруно.

К сожалению, проведение подобного маневра с Марсом (или другим небесным объектом) казалось невозможным, потому что скорость Красной планеты намного выше, чем скорость Луны. Не было способа замедлить космический аппарат достаточно, чтобы он скользнул в гравитационный провал пространства-времени, потому что сама «чаша» была быстродвижущейся целью.

«Я отказался от этой идеи», — вспоминает Бельбруно.

Тем не менее, консультируя недавно Boeing, крупного подрядчика NASA, который занимается строительством Space Launch System (ракеты, которая в 2018 году будет готова для полетов на Марс), Бельбруно и его коллеги задумались о следующем: почему бы не взять курс на точку рядом с Марсом? Если отправить космический аппарат на орбитальный путь как угодно, от миллиона до десятков миллионов километров перед Красной планетой, Марс со временем догонит судно и осуществит баллистический захват. Boeing, заинтригованная новой идеей, вложилась в исследование, и вскоре авторы работы разработали несколько моделей.

Расширяя марсианские горизонты

Баллистический захват — не единственная техника экономии топлива при выходе на орбиту. Другой подход — аэрозахват — подразумевает, что прибывающий космический аппарат погружается в атмосферу Марса и позволяет трению съесть избыточную скорость, не тратя топливо зря на торможение. Этот метод, однако, требует наличия мощного теплового щита, что добавит дополнительную массу, а значит, и стоимость на взлете, а взамен позволит сэкономить немного топлива. Баллистический захват, говорят авторы исследования, «медленнее и мягче».

Баллистический захват предлагает множество преимуществ по сравнению с нынешними подходами по достижению Марса. Помимо отказа от сжигающей топливо гомановской траектории, он сокращает риски миссии, позволяя судну не использовать торможение в жестком окне перед Марсом, что может привести к промаху мимо цели. Также этот подход сокращает общее количество необходимого для миссии топлива на 25%, по грубым оценкам Бельбруно. Экономия топлива позволит нести большую нагрузку «за те же деньги». Большая нагрузка означает доставку на Марс большего количества роботов, материалов или что там еще может понадобиться.

Отказ от необходимости отправлять ракету в строго обозначенное окно запуска тоже очень важен, поскольку мы знаем — задержки взлета случаются часто. Если пропустить окно, миссия может отложиться на два года.

Для роботов и людей

Безусловно, баллистический захват выполняется с большим количеством оговорок. Прямой выстрел с резким торможением на Марс занимает порядка шести месяцев, тогда как поездка с использованием баллистического захвата продлится еще на пару месяцев. Без топлива высота захвата тоже довольно высока — на высоте 20 000 километров от Марса, это намного выше, чем расстояние, с которого спутники могут тщательно исследовать планету. Но если взять немного дополнительного топлива, можно легко подтолкнуть судно на стандартную орбиту в пределах 100-200 километров или прямо на поверхность Марса для приземления.

Для пилотируемых миссий баллистический захват будет смешанным удовольствием. С одной стороны, путешествие продлится дольше и усугубит проблемы перевозки людей на Марс. Мы переживаем, что команда исследователей Марса, закрытая в консервной банке на полгода, сойдет с ума — что уж говорить о восьми месяцах и о повышенной дозе радиации. По этой причине первыми испытателями нового метода Бельбруно будут роботизированные аппараты.

С другой стороны, поскольку уйдет необходимость ждать окна запуска, баллистический захват позволит сохранить устойчивый поток поставок на планету. Любые длительные миссии на Марсе однозначно будут зависимы от поставок материалов с Земли, пока на Красной планете не разовьется самодостаточное сельское хозяйство и промышленность.

В октябре Грин обсуждал вопрос использования новой концепции в переброске людей на Марс с Космическим центром Джонсона. Баллистический захват будет идеален для размещения спутников на ареостационарную орбиту — это как геостанционарная, только для Марса (Арес). Интернет и мобильные телефоны на Марсе лишними не будут, ведь так? Если подобный метод доставки грузов получится реализовать на примере Марса, в теории его можно использовать с любым миром в Солнечной системе.

Потенциально революционное исследование нового метода все еще находится в теоретической фазе. Текущие работы включают в себе переработку расчетов, связанных с гравитацией Марса и размерами космических аппаратов. Грин говорит, что агентство хочет испытать метод баллистического захвата на Марсе уже в 2020-х годах.

Бельбруно скрестил пальцы: «Я думал, дорога на Луну, которую я нашел в 1991 году, была единственным применением моей теории. И я очень рад, что ее может получиться повторить с Марсом».