Полет на Марс
Молодое поколение, вступившее в третье тысячелетие, непременно будет свидетелем первого в истории межпланетного полета по трассе Земля-Марс-Земля, а некоторым доведется быть и непосредственными его участниками. Марс - следующее небесное тело, на которое ступит человек. Как же будет происходить полет экипажа на Марс?
Пока двигатели современных космических ракет еще недостаточно совершенны, ими пользуются только на сравнительно небольших участках полета. В основном же приходится прибегать к силе тяготения Солнца. В связи с этим межпланетную траекторию можно условно разделить на участки двух видов.
Первый из них - это активный участок, полет на котором совершается с работающими двигателями. Таких участков может быть несколько.
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 встречи с планетой. С одной стороны, траектория космического аппарата определяется его начальной скоростью и направлением движения (в момент старта с околоземной орбиты), с другой - притяжением самого Солнца. На полет КА оказывают также возмущающее влияние планеты и их спутники - они 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 (КК) на расчетную траекторию к Марсу ему необходимо сообщить скорость не менее 11,6 км/с. И как только нужная скорость достигнута, начинается длительный полет с выключенными двигателями по второму, пассивному участку межпланетной трассы.
Таким образом, полет межпланетного корабля происходит в основном по инерции в поле тяготения Солнца. Эта же сила формирует и межпланетную траекторию. При отлете с Земли с минимальной скоростью она представляет собой не что иное, как околосолнечную эллиптическую орбиту.
После длительного полета в поле тяготения Солнца наш посланец попадает в сферу действия Марса и движется возле него по пролетной траектории. Поскольку скорость корабля превышает значение второй космической скорости вблизи Марса (5,0 км/с), то планета не в состоянии удержать его около себя. Пролетев около Марса, КК должен неминуемо стать спутником Солнца. Что же надо сделать, чтобы корабль не удалился от цели, а вышел на орбиту спутника Марса?
Как мы уже знаем, переход с одной орбиты на другую совершается путем изменения скорости движения. В данном случае скорость КК требуется уменьшить примерно до значения первой космической скорости вблизи Марса, то есть 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 спутника Луны, Марса и любой другой планеты. Движение по орбите вокруг Марса, так же как и вокруг Земли, пассивное. И наконец, последний участок территории - участок снижения спускаемого аппарата на поверхность планеты.
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. Подобным образом совершали мягкую посадку на поверхность Луны лунные кабины "Аполлонов" с американскими астронавтами. Для обеспечения мягкой посадки космического аппарата на поверхность планеты, обладающей плотной атмосферой, приходится прибегать к услугам аэродинамического торможения. В качестве при мера мы уже знакомились с тем, как совершались спуск и посадка советских автоматических межпланетных станций на поверхность Венеры. Полет в обратном направлении - к Земле - будет происходить таким же образом, поэтому мы не станем повторяться.
Хотелось бы отметить, что эту классическую схему полета на другие планетные миры разработал выдающийся советский ученый Юрий Васильевич Кондратюк (1897-1942). В его книге "Завоевание межпланетных пространств", изданной в 1929 году, содержится подробное теоретическое обоснование полетов к Луне и планетам Солнечной системы. А спустя 40 лет она была успешно применена на практике. Именно по схеме Кондратюка совершались полеты на Луну американских "Аполлонов".
Межпланетные эллиптические траектории (одну из них мы только что рассмотрели) считаются самыми экономичными, так как полеты по ним космических аппаратов осуществляются с минимальными энергетическими затратами. Но эллиптические орбиты имеют существенный недостаток: слишком велика продолжительность полета. Так, например, полет по полуэллипсу до Марса займет 259 суток, то есть более 8,5 месяца.
В случае полета на Марс корабля с экипажем возникает проблема обязательного возвращения людей на 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 третью космическую скорость - 16,7 км/с. Тогда полет будет совершаться уже не по эллипсу, а по скоростной параболической траектории и наши путешественники смогут достичь Марса всего за 70 суток! В этом случае время пребывания на Марсе можно сократить до 12 суток, а все 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 полетов.
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.
Коротцев О.Н.
