Колко дълго ще се лети до Марс и коя траектория ще е по-добра

Полетите към Марс с човешко участие заемат все по-важно място в програмите на космическите агенции по света. Именно затова въпросите, свързани с това колко време ще продължават полетите до Марс и обратно, коя траектория е най-подходяща и кои са главните препятствия пред тях, стават все по-важни и търсят своето най-добро решение.

Ощв преди 3,5 хиляди години в Древен Египет са започнали да се изучават Марс, но едва с развитието на технологиите учените получиха истинско разбиране за загадъчната Червена планета. Сега знаем, че там има лед, атмосфера и дори органични вещества. Всичко това прави Марс потенциален кандидат за ролята на бъдеща колония на човечеството, но отвъд многото технически трудности при изпращането на хора до Червената планета, съществува и друго предизвикателство: разстоянието.

Колко е разстоянието до Марс от Земята?

Марс е четвъртата по отдалеченост от Слънцето планета и „съсед“ на Земята. Средното разстояние между Земята и Марс е 225 милиона километра. Но тази стойност постоянно се променя поради следните причини:

– И двете планети се въртят около Слънцето по елипсовидна орбита;

– Орбитите на Марс и Земята са наклонени една спрямо друга.

Марс и Земята са най-близо една до друга в момента, когато Червената планета е в най-близката на своята орбита точка до Слънцето (перихелий), а Земята е в най-отдалечената (афелий). В момента на това максимално сближаване – в положение на противостояние – разстоянието между тях е 54,6 милиона км. Когато планетите са от противоположните страни на Слънцето, разстоянието между тях е около 401 милиона км.

Периодите, в които Земята настига Марс и планетите се подреждат в една линия, се случват на всеки 26 месеца. Астрономите наричат този момент „опозиция на Марс“, защото Червената планета и Слънцето са в противоположните краища на небето. Според НАСА на 12 януари 2025 г. разстоянието между Земята и Марс ще бъде 96 млн. км, на 20 февруари 2027 г. – 101,4 млн. км, а на 29 март 2029 г. – 96,8 млн. км.

Веднъж на всеки 15-17 години планетите се срещат на разстояние по-малко от 60 милиона километра. Например през 2003 г. разстоянието между Марс и Земята е било 56 милиона км. Учените нарекоха това явление „великото противостояние между Земята и Марс“. Противостоянието на Марс е събитие, когато Слънцето, Земята и Марс, движейки се по своите орбити, са разположени в права линия.

Колко време ще отнема полетът до Марс?

Според изчисленията на професора по физика Крейг Патън от Калифорнийския университет в Сан Диего, пътуването до Марс ще отнемa около 270 дни (или девет месеца) в период на опозиция на Марс. Също толкова време ще отнема и връщането.

Трудности при изчисляването

Марс и Земята непрекъснато се движат по своите орбити, така че да се изпрати космически апарат по права линия е невъзможно. Основната роля при изчисляването на оптималното време за изстрелване на космическия кораб играе избраната траектория на полета.

Съвременните мисии използват елиптична траектория: все едно космическият апарат изстрелян от Земята догонва Марс. Елиптичната (хоманова) траектория е кръстена на немския учен Валтер Хоман, който я описва през 1925 г. При тази опция полетът до Марс продължава от 150 до 260 дни. Апаратът се изстрелва с втора космическа скорост от 11,2 до 12 км/сек в периода, когато Земята догонва Марс и планетите се подреждат в една линия– веднъж на 26 месеца.

Има и други траектории: параболична и хиперболична. С параболична траектория космическият кораб трябва да се изстрелва от Земята с трета космическа скорост – 16,65 km/s. При хиперболичната траектория космическият апарат трябва да се отправи към Червената планета със скорост, по-висока от трета космическа скорост. Тези траектории позволяват да се стигне по-бързо до Червената планета, но е необходимо много повече гориво както по време на излитане, така и за забавяне за да се влезе на орбита около Марс.

Ноам Айзенберг от Университета Джон Хопкинс през 2020 г. предложи алтернатива на класическия сценарий за полет до Марс – да се използва гравитацията на друго масивно небесно тяло. По пътя към или от Червената планета космическият кораб трябва да премине близо до Венера. Прилитайки близо до нея, екипажът ще може да използва гравитацията на Венера за ускоряване или промяна на курса на кораба. Такава гравитационна маневра не само ще намали времето на мисията, но и ще намали цената й. Технологията за гравитационни маневри съществува от доста години. Например Вояджър 1 и Вояджър 2 изпълниха подобни гравитационни маневри около Юпитер и Сатурн.

Намаляване времето за полет

Космосът е враждебна среда за хората. Затова учените търсят начини да намалят времето за полет до Марс. Например НАСА планира да построи ракета с ядрен двигател, която да може да достави човек до Марс само за 45 дни, използвайки елиптична траектория.

Съвременната астронавтика използва химически ракетни двигатели с твърдо и течно гориво. Тези, които използват течно ракетно гориво, имат по-висок специфичен импулс. Такава система за задвижване се състои от отделни резервоари с течен окислител и гориво, горивни камери и центробежни помпи за подаване на гориво към тях. В наши дни тези ракетни двигатели практически вече са достигнали предела на своите възможности и не се предвиждат начини за съществено увеличаване на техния специфичен импулс. Това ограничава възможностите на ракетната техника, базирана на химически двигатели.

Ядрените ракетни двигатели ще създават тяга благодарение на ядрената енергия. Предвижда се топлината, получена след разпада на радиоактивните вещества, да се използва за нагряване на течен водород. За да се избегне рискът от инцидент при изстрелването, реакторът ще бъде включван едва след излизане на орбита. Появата на ядрени ракети ще реши редица ключови проблеми. Първо, те ще могат да достигнат високи скорости, което ще намали времето за пътуване до Марс от девет месеца на шест седмици. Второ, дизайнът на космическия кораб ще изисква по-малък обем за горивото. Освободеното пространство ще може да се използва за допълнително оборудване. Трето, при пристигането си на Червената планета астронавтите ще могат да използват реактора като източник на енергия.

За реализирането на тази идея НАСА обедини усилията си с Агенцията за напреднали изследователски проекти на Министерството на отбраната на САЩ (DAPRA) , военно-промишлената корпорация Lockheed Martin и BWX Technologies. Планира се работещ прототип да бъде готов до 2025 г.

Перспективни мисии

През 60-те години на миналия век полетяха да изследват Марс първите космически апарати. За този период 50 космически апарата се опитаха да влязат на орбита около Марс или да направят меко кацане на повърхността на планетата. Не всички мисии завършиха успешно.

През 2020 г., по време на поредното сближаване на двете планети, мисии от Китай, САЩ и ОАЕ бяха изстреляни към Марс. Всички космически апарати успяха да постигнат целите си.

Космическият кораб на ОАЕ, наречен Al Amal има за цел да изучава атмосферата, промените във времето на различни места на Марс и търси връзки между сегашния и древния климат на планетата.

Американският марсоход Perseverance кацна на повърхността на Марс на 18 февруари 2021 г. На борда имаше устройство за получаване на кислород от атмосферата на Червената планета, което съвсем наскоро генерира първите количества, а също така там беше и безпилотния хеликоптер Ingenuity, предназначен за изследвани на повърхността и атмосферата на Червената планета.

В рамките на китайската космическа мисия Тянвен-1 към Марс беше изстрелян роботизиран космически кораб, състоящ се от 5 части : орбитална камера, разгъваема камера, спускаем апарат, падаща камера и марсохода Журонг. Космическият кораб с обща маса близо пет тона е една от най-тежките сонди, изстреляни до Марс и носеше 13 научни инструмента и достигна Червената планета на 10 февруари 2021 година. Китайският марсоход Zhùróng осъществи меко кацане на планетата на 15 май 2021 г. Основната задача пред марсохода беше търсенето на признаци на живот на Марс. През 2022 г. марсоходът влезе в режим на хибернация, след като работи 358 дни.

В обозримото бъдеще се планира и хора да полетят към Марс. За постигането на тази цел работят не само космическите агенции от много страни, но и частни корпорации. Например, основателят на SpaceX Илон Мъск широко рекламира целта си да създаде колония на Марс. Преди две години специалисти от SpaceX, от изследователския център на НАСА Еймс (Ames Research Center), от института SETI и няколко престижни американски университети и институти публикуваха проектен документ , в който относително детайлно бе представен планът, според който ще бъде изграждана първата база на Марс. Мъск смята, че тази цел може да бъде постигната до 2028 г., а до 2033 г. подобен сценарий е още по-вероятен. Ръководителят на НАСА Бил Нелсън смята, че хората ще кацнат на Марс не по-рано от 2040 г., но преди това трябва да се решат редица ключови проблеми, а именно:

Времето за полет. Със сегашната ракетна технология за пътуване до Марс и обратно ще са нужни около 21 месеца, , като астронавтите ще трябва да изчакат около три месеца там, за да бъдат двете планети в позициите, необходими за завръщане. По този начин астронавтите ще трябва да бъдат дълго време в затворено пространство без гравитация и с прекъсваща комуникация със Земята. Подобни условия изискват специална физическа и психологическа подготовка от екипажа.

Отсъствие на подходящи космически кораби. В момента няма технология, позволяваща изпращането на хора до Марс и обратно. Междупланетна мисия от такъв мащаб вероятно ще бъде едно от най-скъпите и сложни инженерни предизвикателства.

Високи нива на радиация. Основната пречка пред пилотираните мисии е космическата радиация. Докато корабът е близо до Земята, магнитното поле и атмосферата на планетата защитават екипажа от въздействието на галактическите космически лъчи – енергийни частици, пътуващи със скорост, близка до скоростта на светлината, и проникващи в човешкото тяло. Един ден в космоса е еквивалентен на радиационното облъчване, получено на Земята за една година. Вторият източник на космическа радиация са слънчевите космически лъчи. Високо ниво на радиация е регистрирано и на повърхността на самата Червена планета. За да могат астронавтите да останат дълго време на Марс, ще са необходими специални костюми.