Спросите Итана №55: смогут ли члены миссии на Марс отменить полёт?

Если случится что-то ужасное, можно ли будет вернуться на Землю?

Порою я ловлю себя на том, что смотрю на Луну и вспоминаю, как менялась удача в нашем долгом путешествии, думаю о тысячах человек, работавших ради того, чтобы вернуть нас домой. Я смотрю на Луну и думаю – когда люди вернутся туда, и кто именно?
— Том Хэнкс

Мало есть идей, будоражащих наше воображение так же, как путешествие за пределы земной гравитации и в глубины нашей Вселенной – к планетам и звёздам. Вы шлёте мне свои вопросы, как обычно, и на этой неделе мне приятно обратиться к следующему вопросу, который задаёт Джоан:
Может ли миссия Марс-один [Mars One] повернуть назад с полпути, если у них возникнут сомнения? Когда они увидят, как наша прекрасная голубая планета становится меньше, в то время как они летят к мёртвой и токсичной планете, или же когда солнечный ветер и излучение превысят все безопасные пределы.
Представьте: вас выбрали для путешествия всей жизни, и вы оказываетесь одним из первых членов команды первой пилотируемой миссии на Марс!

https://geektimes.ru/post/277268/
Никто из людей не путешествовал дальше, чем команда Apollo 13, когда они облетели дальнюю сторону Луны вблизи лунного апогея, достигнув в максимальной точке отдаления дистанции в 400 171 от поверхности Земли 15 апреля 1970 года. Но когда произойдёт первый пилотируемый полёт к другой планете, этот рекорд будет побит всего за несколько дней.



Способ, который при наших сегодняшних технологиях используется для достижения других миров, состоит из трёх шагов:

Первичный запуск, преодолевающий земное притяжение и запускающий космический корабль с достаточно большой скоростью (порядка нескольких км/с) относительно движения Земли вокруг Солнца.
Корректировки курса, когда небольшие включения маневровых двигателей ускоряют корабль по направлению к оптимальной траектории.
Гравитационная помощь, когда мы используем гравитацию других планет, вращающихся вокруг Солнца, для изменения скорости нашего корабля, с каждым разом увеличивая или уменьшая её.

Комбинируя три этих шага, мы с помощью сегодняшних ракетных технологий, при условии терпения и тщательного планирования, можем достичь любой точки.



Сейчас первичный запуск – это очень сложный этап. Огромное количество ресурсов требуется для преодоления гравитации Земли, для ускорения значительной массы до первой космической скорости, и для поднятия её через атмосферу Земли. Всё это должно происходить одновременно, и именно поэтому мы мечтаем о космическом лифте, с которым когда-нибудь мы сможем легко и надёжно избежать трат такого количества энергии и топлива, просто поднимаясь над атмосферой.



Но пока он не воплотился в реальность, нам остаются только ракеты. И это не так сложно – просто дорого в расчёте на ту полезную нагрузку, которую нам надо вывести в космос, если мы хотим достичь другой планеты.

Когда мы говорим о пилотируемой миссии на Марс, мы обсуждаем несколько разных планов. Самый оптимальный из них для полёта в один конец, который, если вам интересно, минимизирует полётное время и требуемое количество энергии, подразумевает подстройку под нужное время запуска.



Каждые 780 дней открывается окно для запуска продолжительностью примерно в два месяца, когда Земля догоняет Марс на его орбите, и тогда полётное время до Марса составит около 243 дней – 8 с половиною месяцев. Сложность в том, что на пути туда вы двигаетесь с огромными скоростями, и у вас нет с собой достаточного количества топлива для коррекции траектории.

Отчего же нет?

Потому, что каждый лишний килограмм груза удорожает запуск ракеты, и уменьшает количество полезного пространства корабля для хранения еды, воды и других припасов. В результате, остаётся меньше пространства для ошибок. Если бы печально известная миссия Apollo 13 не планировала опуститься на Луну, подняться для воссоединения с командным модулем и вернуться на Землю, у них не хватило бы горючего для корректировки курса и возвращения домой.



Если вы летите к Марсу, и вдруг решаете вернуться на Землю, использовать имеющееся на борту горючее для изменения курса на обратный путь домой просто не получится: это слишком затратно с точки зрения топлива. Иначе говоря, Джоан, отвечая на один из твоих вопросов, если тебя будет убивать излучение – то, о чём, в принципе, имеет смысл беспокоиться, поскольку люди ещё никогда не проводили так много времени за пределами защитного магнитного поля Земли – ты просто умрёшь.

Но если бы тебя не поджимало время, у тебя было бы достаточно еды, воды и припасов для выживания, и топливо для полёта до Марса, у тебя был бы шанс на возврат домой. Это может иметь жизненно важное значение для такой миссии, на которую ты ссылаешься – Марс-один – поскольку сейчас она запланирована как миссия для смертников.



Когда вы летите от внутренней планеты (Земля) до внешней (Марс), вам надо придерживаться гомановской траектории [эллиптическая орбита, используемая для перехода между двумя другими орбитами, обычно находящимися в одной плоскости]. Проще говоря, вам надо увеличить скорость до нужной величины в нужный момент, чтобы увеличить вашу дистанцию от Солнца, при этом одновременно выходя на конечную скорость для встречи с планетой, на которую вы направляетесь. В случае приземления вам надо ещё раз поменять скорость, чтобы начать спуск в атмосферу планеты, и именно это мы планируем делать для посадки на Марсе.

Мы уже успешно проделали это несколько раз!



Но что, если нам надо отменить миссию и вернуться домой? Существует фантастический эффект, о котором я уже упоминал: использование гравитации планеты для изменения траектории корабля. То есть, для изменения как направления, так и скорости полёта!

Вы вспомните про сохранение энергии и задумаетесь о том, как это возможно. Ведь для любого действия существует равное противодействие, поэтому как мы можем заставить взаимодействовать корабль и планету с тем, чтобы наш корабль поменял скорость? Ответ в том, что у нас есть третье тело – Солнце!





Когда планета вращается вокруг Солнца, в этой системе присутствует много энергии, гравитационной и кинетической. Когда третье тело участвует во взаимодействии, оно может получить энергию, украв её у системы Солнце-планета, или потерять энергию, отдавая её системе Солнце-планета. Количество энергии, используемое двигателями корабля, обычно не превышает 20% от полученной или отданной энергии при взаимодействии!

Именно так корабль НАСА Messenger вышел на орбиту вокруг Меркурия, отдав много энергии при гравитационных контактах, и именно так Вояджеры и Пионеры оказались на пути прочь из Солнечной системы!



Так что, если по пути к Марсу вы решите вернуться, вашим единственным реальным шансом, учитывая количество топлива, которое поместится на корабле, будет использование гравитации Красной планеты для разворота к Земле. Это выльется в путешествие длительностью от 400 до 450 дней. При отсутствии инфраструктуры между планетами это ваш лучший шанс.



И хотя это не совсем тот ответ, что вы хотели получить, но именно такой ответ позволяют законы гравитации вкупе с ограничениями технологии. Чтобы вас приободрить, скажу, что максимальная безопасная доза излучения за всю жизнь для космонавта подсчитана в 1 зиверт, и даже путешествие длительностью в 450 дней, до самого Марса и обратно, обеспечит вам лишь 0,66 зиверт. Так что вряд ли этот фактор послужит ограничением, но пока планировщики пилотируемых миссий на Марс не возьмутся всерьёз за вопрос долгосрочного выживания, вы не найдёте меня среди желающих. Год в аризонской пустыне – самое моё сильное приближение к мечте о путешествии на Марс!


Это, кстати, не Аризона, а Марс. Но как их отличить?

Если вы достаточно рано примете решение, ещё до того, как запустите двигатели и уйдёте с орбиты вокруг Земли, вы можете просто пролететь по эллипсу и вернуться домой. Это будет идеальным вариантом в случае, если что-то пойдёт не так при взлёте. Если вы захотите использовать гравитацию Земли, у вас будет на это несколько шансов до того, как закроется последнее окно возможности.



Но значительно промедлив, вы улетите гораздо дальше, прежде чем у вас появится надежда на возвращение. Спасибо за отличный вопрос, Джоан, и если вы хотите получить ответ на свой вопрос в следующий раз, присылайте их мне!