Расстояние до Марса от Земли меняется каждый день — и именно от этого зависит, сколько лететь до Марса на ракете. Сейчас оно составляет от 55,76 до 401 млн км в зависимости от положения планет. При нынешних технологиях путь занимает от 150 до 300 дней. Все о расстоянии, времени полета, траекториях, способах его сократить и главных проблемах пилотируемой экспедиции на Красную планету — в материале.
Если бы Земля и Марс висели неподвижно в пространстве, все было бы просто: измерили — и готово. Но обе планеты движутся вокруг Солнца с разными скоростями по орбитам разного размера, и расстояние между ними меняется постоянно.
По данным NASA, цифры следующие:
Для сравнения: расстояние от Земли до Луны составляет около 384 000 км. То есть даже в ближайшей точке Марс примерно в 145 раз дальше Луны.
Орбиты обеих планет имеют форму эллипса, а не идеального круга. Марс обращается вокруг Солнца за 687 земных суток, Земля — за 365. Из-за этого несоответствия планеты то сближаются, то расходятся в разные стороны.
“Дело в том, что орбиты планет — это вложенные овалы, по которым они планеты движутся не синхронно, — объясняет технический директор компании Джой Сити Спейс Александр Шаенко. — И тогда, когда планеты оказываются с одной стороны овалов, то расстояние между ними становится наименьшим, а когда с разных, то самым большим”.
Именно поэтому для запуска межпланетных аппаратов важно выбирать момент: старт в неудачное время означает либо непомерный расход топлива, либо годы в пути.
Противостояние — момент, когда Земля оказывается точно между Солнцем и Марсом. В такой конфигурации планеты находятся на минимальном расстоянии друг от друга. Противостояния повторяются примерно раз в 26 месяцев.
Великое противостояние — особое событие, которое случается раз в 15–17 лет. В это время Марс оказывается в точке перигелия (ближайшей к Солнцу) одновременно с противостоянием. Расстояние до Красной планеты в такие моменты минимально — менее 60 млн км. Самое близкое сближение за последние 60 000 лет произошло в 2003 году: тогда Марс подошел к Земле на 55,76 млн км. Следующее противостояние Марса ожидается 19 февраля 2027 года.
Это вопрос, на который нет одного ответа — слишком много переменных. Расстояние между планетами в момент старта, выбранная траектория, тяга двигателей, масса корабля — все это влияет на итоговое время в пути.
По данным NASA, при использовании химических ракетных двигателей и оптимальной эллиптической траектории полет занимает 150–300 дней (примерно 6–9 месяцев). Именно такое время показывают реальные миссии:
Важный нюанс: в отличие от поездки на автомобиле, корабль не летит напрямую. Он стартует не в сторону текущего положения Марса, а туда, где планета окажется через несколько месяцев. Это похоже на то, как охотник целится не в зайца, а в точку, куда тот прибежит.
Если бы у нас был корабль со скоростью около 20 000 км/ч и Марс находился в минимальной точке, теоретически можно было бы добраться примерно за 115 дней. Но реальные траектории всегда длиннее теоретического минимума.
Обратный путь — отдельная история. Вернуться сразу не получится: нужно ждать, пока планеты снова выстроятся в подходящую конфигурацию. По оценкам NASA, полная миссия с пребыванием на Марсе и возвращением может растянуться до трех лет.
Выбор траектории — ключевое инженерное решение в любой межпланетной миссии. От него зависит расход топлива, время в пути и сложность навигации.
Самый распространенный способ добраться до Марса. Гомановский переходный эллипс — это полуэллиптическая дуга, которая соединяет орбиту Земли с орбитой Марса. Корабль разгоняется в точке старта, затем движется по дуге без включения двигателей и прибывает к Марсу в нужной точке его орбиты.
Главное преимущество — минимальный расход топлива. Именно поэтому все реальные миссии к Марсу летели именно так. Главный недостаток — длительность: 7–9 месяцев в одну сторону.
Стартовое окно для такой траектории открывается раз в 26 месяцев. Пропустить его — значит ждать следующего цикла. Именно это ограничение сильно усложняет планирование пилотируемых экспедиций.
Параболическая траектория предполагает бо́льшую начальную скорость — корабль разгоняется выше второй космической скорости (11,2 км/с). Это позволяет сократить время перелета, но требует значительно больше топлива.
Такой подход рассматривается для пилотируемых миссий, где критически важно сократить время воздействия радиации на экипаж. Однако при нынешнем уровне технологий стоимость и масса необходимого топлива делают параболические траектории практически недостижимыми для тяжелых кораблей.
Самый быстрый из трех вариантов — корабль движется по гиперболе, превышая вторую космическую скорость в несколько раз. Теоретически это позволило бы добраться до Марса за несколько недель вместо месяцев.
На практике для реализации такой траектории потребовались бы принципиально иные двигатели — ядерные или плазменные. Ни один из действующих кораблей не способен развить нужную скорость при разумном расходе топлива. Гиперболические траектории пока остаются в области перспективных разработок.
Интуиция подсказывает: самый короткий путь — прямая линия. Но в космосе это не работает.
“Это потребует очень много топлива для того, чтобы компенсировать влияние, которое вносят силы притяжения Солнца, Земли и других планет, — пояснил Александр Шаенко. — Это самая быстрая траектория перелета, но и самая энергозатратная. При современном уровне развития ракетной техники необходимо экономить топливо, поэтому сейчас обычно выбирают не самые быстрые траектории, а самые экономные”.
Если провести аналогию: это похоже на то, как речной паром не пересекает реку перпендикулярно берегу, а берет угол с учетом течения, иначе его снесет.
Главный вопрос для пилотируемых миссий — как довезти людей до Марса живыми и не позволить им провести в невесомости и под радиацией девять месяцев. Ответ — разработать двигатели, способные лететь быстрее.
Ядерный тепловой двигатель использует ядерный реактор для нагрева рабочего тела (например, жидкого водорода) до экстремальных температур. Истекающий газ создает тягу, в полтора–два раза превышающую эффективность химических двигателей при том же расходе топлива.
NASA активно исследует ядерную тягу в рамках программы Space Nuclear Propulsion. Теоретически такой двигатель мог бы сократить время полета до Марса до 90–120 дней. Однако на пути к реализации стоят проблемы радиационной безопасности, регуляторные ограничения и колоссальные технические сложности запуска ядерного реактора с поверхности Земли.
Ионный двигатель разгоняет ионизированный газ электрическим полем и выбрасывает его из сопла с высокой скоростью. Тяга очень мала, но двигатель может работать непрерывно месяцами, постепенно разгоняя корабль до высокой скорости.
Ионные двигатели уже применяются, в частности, на зонде Dawn и спутниках связи. Для межпланетных миссий перспективна плазменная версия — VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket). Ее разработчики заявляют о возможности достичь Марса за 39 дней при наличии достаточного источника энергии, например ядерного реактора. Пока технология находится на стадии прототипов.
Лазерный двигатель — концепция, при которой мощный лазер с Земли или орбитальной платформы передает энергию кораблю, нагревая рабочее тело или разгоняя парусный аппарат световым давлением.
Для небольших зондов технология уже частично опробована в рамках проекта Breakthrough Starshot. Для пилотируемых кораблей она пока остается теоретической: нужен лазер невероятной мощности и парус площадью в десятки квадратных километров. Но именно это направление называют одним из самых перспективных для сверхбыстрых межпланетных перелетов в будущем.
Скорость света в вакууме — примерно 299 792 км/с, или около 1,08 млрд км/ч. Если бы можно было двигаться с такой скоростью, расстояние до Марса преодолевалось бы за совсем короткое время.
При минимальном расстоянии (55,76 млн км) свет добирается до Марса примерно за 3 минуты 6 секунд.
При среднем расстоянии (225 млн км) — около 12,5 минуты.
При максимальном расстоянии (401 млн км) — около 22 минут.
Это имеет прямое практическое значение: сигнал от наземного управления до марсохода идет с таким же запозданием. Команда на марсоход Perseverance в среднем доходит примерно через 13 минут в одну сторону — именно поэтому марсоходы должны уметь принимать автономные решения, а не ждать указаний с Земли в режиме реального времени.
Технические сложности с расстоянием и траекторией — это лишь часть задачи. Пилотируемый полет к Марсу сопряжен с рядом проблем, каждая из которых требует отдельного решения.
“В принципе, технологии 1960-х годов уже были достаточно адекватными для того, чтобы долететь до Марса. Сейчас это стало еще проще, но все еще довольно дорого. Основная проблема не в отсутствии необходимых технологий, а в целеполагании, — считает Александр Шаенко. — Работы по подготовке пилотируемых экспедиций к Марсу, которые проводились в СССР и США так не были доведены до конца, и можно лишь надеяться, что современные программы США и Китая приведут эти страны к успеху”.
В открытом космосе нет защитного магнитного поля Земли. Экипаж будет постоянно облучаться солнечными протонами и галактическими космическими лучами. По данным NASA, суммарная доза радиации за перелет туда-обратно многократно превышает нормы безопасности для профессиональных астронавтов.
Прибор RAD на борту Curiosity зафиксировал радиационный фон около 1,8 миллизиверта в сутки во время перелета к Марсу. За девятимесячный полет экипаж получил бы дозу, сопоставимую с несколькими годами работы на МКС. Решения пока в разработке: активная радиационная защита, укрытия из воды или полиэтилена, мониторинг вспышек на Солнце.
Девять месяцев в замкнутом пространстве небольшого корабля — серьезное испытание для психики. Эксперимент «Марс-500», проведенный в 2010–2011 годах в России, моделировал изоляцию экипажа на 520 дней. Участники показали признаки нарушения сна, снижения активности и конфликтного поведения.
Корабль должен везти с собой все необходимое для перелета туда, пребывания на Марсе и возвращения. По подсчетам, на полную миссию продолжительностью около трех лет нужно несколько тонн продовольствия, системы регенерации воды и кислорода, а также топливо для посадки и взлета с Марса.
Ключевая идея — производить часть ресурсов на месте. Эксперимент MOXIE на борту Perseverance доказал: из марсианской атмосферы (которая на 95% состоит из CO₂) можно получать кислород. За 16 запусков прибор выработал 122 грамма кислорода — немного, но как демонстрация принципа это прорыв.
Из-за задержки сигнала от 3 до 22 минут в одну сторону диалог в режиме реального времени невозможен. Если на борту возникнет нештатная ситуация, экипаж не сможет оперативно получить консультацию с Земли. Это означает, что астронавты должны быть полностью автономны в принятии медицинских, технических и навигационных решений — уровень подготовки и бортовых систем принципиально выше, чем на МКС.
Человечество пытается изучить Марс уже больше 60 лет. Первые попытки были провальными: из 26 попыток долететь до Красной планеты между 1960 и 1996 годами лишь 12 оказались частично или полностью успешными.
1960–1964. СССР запустил несколько аппаратов, но все они не достигли цели из-за технических неполадок.
1964–1965. Первый успех: американский Mariner 4 стартовал 28 ноября 1964 года и 14 июля 1965 года пролетел мимо Марса, передав 21 снимок поверхности. Это были первые в истории фотографии другой планеты крупным планом. Полет занял около 228 дней.
1971. Mariner 9 стал первым космическим аппаратом, вышедшим на орбиту другой планеты. Он передал более 7 300 изображений и впервые показал вулканы, каньоны и признаки древних речных русел на Марсе.
1976. Американские аппараты Viking 1 и Viking 2 совершили первые успешные посадки на поверхность Марса. Они провели анализ грунта в поисках признаков жизни — результаты оказались неоднозначными и до сих пор обсуждаются в научном сообществе.
1997. Посадочный модуль Mars Pathfinder доставил на Марс первый ровер — Sojourner. Он доказал саму возможность передвижения по марсианской поверхности с дистанционным управлением.
2004. Роверы Spirit и Opportunity обнаружили убедительные свидетельства того, что в прошлом на Марсе было жидкое воды. Opportunity проработал почти 15 лет вместо запланированных 90 дней.
2012. На Марс приземлился Curiosity — самый крупный и технически оснащенный ровер того времени. Он подтвердил, что в прошлом в кратере Гейл существовали условия, пригодные для микробной жизни.
2021. Perseverance приземлился в кратере Езеро и развернул вертолет Ingenuity — первый летательный аппарат, взлетевший с поверхности другой планеты. Ровер собирает образцы грунта для будущей доставки на Землю. В июле 2024 года Perseverance обнаружил на камне «Шейава-Фоллс» признаки возможных биосигнатур, это стало ближайшим приближением к открытию следов жизни на Марсе.
Это вопрос, на который сегодня нет точного ответа — только планы, прогнозы и амбиции.
SpaceX планирует отправить первый беспилотный Starship к Марсу в конце 2026 года. На борту должен быть гуманоидный робот Tesla Optimus. Илон Маск оценивал вероятность успеха этой миссии в 50%. Если беспилотные полеты окажутся успешными, первый пилотируемый полет возможен в 2029–2031 годах. Впрочем, Маск неоднократно сдвигал свои прогнозы: он называл 2022, 2024 и 2026 год датами пилотируемых миссий, которые так и не состоялись.
NASA придерживается более консервативного подхода. Пилотируемая миссия к Марсу в американской программе запланирована на 2030-е годы. Сначала планируется вернуть людей на Луну с помощью того же Starship по программе Artemis, и лишь затем двигаться к Красной планете.
Китай заявил о намерении доставить образцы марсианского грунта к 2030 году, а в перспективе рассматривает и пилотируемые экспедиции.
— До тех пор, пока не будет решен вопрос о существовании или отсутствии на Марсе реликтовых форм жизни, реализация марсианских пилотируемых экспедиций представляется потенциально опасной для жизни на Земле, — предупреждает доктор физико-математических наук, член Ученого совета Института космических исследований РАН Игорь Митрофанов. — Возврат на Землю экипажа и бортовой аппаратуры может доставить в земную биосферу чужеродные биологически активные структуры, присутствие которых может иметь для нее отрицательные последствия.
Дело в том, что орбиты планет — это вложенные овалы, по которым они, планеты, движутся не синхронно. И тогда, когда планеты оказываются с одной стороны «овалов», то расстояние между ними становится наименьшим, а когда с разных — то самым большим.
Почему же, можно. Но это потребует очень много топлива для того, чтобы исправлять «искажения», которые вносят силы притяжения Солнца, Земли и других планет. Это самая быстрая траектория перелета, но и самая энергозатратная. При современном уровне развития ракетной техники необходимо экономить топливо, поэтому сейчас обычно выбирают не самые быстрые траектории, а самые экономные.
В принципе, технологии 1960-х годов уже были достаточно адекватными для того, чтобы долететь до Марса. Сейчас это стало еще проще, но все еще довольно дорого. Основная проблема не в отсутствии необходимых технологий, а в целеполагании.
Работы по подготовке пилотируемых экспедиций к Марсу, которые проводились в СССР и США так не были доведены до конца, и можно лишь надеяться, что современные программы США и Китая приведут эти страны к успеху.
Если человека от радиации не экранировать, то, конечно, она повлияет негативно. Но вообще уровни излучения не настолько велики, чтобы от них нельзя было защититься имеющимися средствами, так что именно радиация не станет блокирующей проблемой.
Источник: РИА