В ближайшей точке орбиты Землю и Юпитер разделяют почти 600 миллионов километров. Через пять месяцев после запуска, Juice (Jupiter Icy Moons Explorer) уже промчался 370 миллионов километров, однако по времени это лишь 5% пути. Разберемся, почему это занимает так много времени.
Ответ зависит от множества факторов: от количества используемого топлива до мощности ракеты, массы космического корабля и геометрии планет. На основании этого эксперты ЕКА по динамике полета разрабатывают маршрут. Мир орбитальной механики — противоречивое место, но, проявив немного терпения и тщательного планирования, он позволяет делать большие научные открытия с минимальными затратами топлива.
Прямые линии в пространстве — огромная трата энергии
Отслеживая движение планет, лун, звезд и галактик, можно заметить, что они всегда движутся вокруг другого объекта. Когда миссия запускается с Земли, она взлетает не с неподвижной планеты, а с движущейся вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с.
Таким образом, космический корабль, запущенный с Земли, уже обладает большим количеством «орбитальной энергии» — единственной единицы, которая имеет значение при определении размера орбиты вокруг центрального тела. Сразу после запуска космический корабль находится примерно на той же орбите, что и наша планета вокруг Солнца.
Чтобы вырваться с этой орбиты и пролететь по кратчайшей прямой от Земли до Юпитера, понадобится большая ракета и много топлива. И хотя это можно осуществить, есть следующая проблема, которая заключается в том, что понадобится еще больше топлива, чтобы затормозить и выйти на орбиту вокруг Юпитера, и не пролететь мимо него.
Ориентация в пустом пространстве
Юпитер и Земля всегда движутся относительно друг друга. В самом дальнем друг от друга месте, на противоположных сторонах Солнца, их разделяет 968 миллионов километров. Самое короткое расстояние между двумя планетами — это когда Земля и Юпитер находятся на одной стороне Солнца, а расстояние между ними составляет чуть менее 600 миллионов километров. Но они находятся в таком положении лишь мгновение, прежде чем расстояние снова увеличивается, никогда не оставаясь на постоянном расстоянии.
Все планеты движутся по своим орбитам вокруг Солнца с разной скоростью. Инженеры должны рассчитать идеальное время для прыжка по круговой траектории от орбиты Земли туда, где будет Юпитер, когда прибудет космический корабль, а не туда, где он будет, когда космический корабль покинет Землю.
Ранние космические миссии, такие как зонды «Вояджер» и «Пионер», совершили путешествие менее чем за два года, а самым быстрым из всех объектов, дошедших до Юпитера, была миссия «Новые горизонты». Запущенный 19 января 2006 года, аппарат «Новые горизонты» максимально приблизился к Юпитеру 28 февраля 2007 года, и для достижения планеты потребовалось чуть больше года. Все эти миссии продолжались и дальше, являясь прекрасными примерами для определения того, сколько времени потребуется, чтобы пролететь мимо Юпитера по пути куда-то еще.
Чем дольше пребывание, тем медленнее приближается
Чтобы выйти на орбиту вокруг огромной планеты, изучить ее со всех сторон и с течением времени, возможно, даже выйти на орбиту одной из ее лун, придется потратить часть энергии. Это «замедление» потребует много топлива для большого маневра по выведению на орбиту. Но если нет возможности запускать миссию с огромным количеством топлива, приходится выбираеь живописный маршрут с продолжительностью перелета 2,5 года.
Именно здесь масса космического корабля рассматривается как решающий фактор, определяющий время, необходимое для достижения цели. Инженерам необходимо контролировать массу космического корабля, балансируя количество топлива с инструментами, которые ему необходимы для выполнения своей миссии. Чем больше масса космического корабля, тем больше топлива ему необходимо нести, что увеличивает его вес и затрудняет его запуск.
И именно здесь на первый план выходят характеристики ракеты-носителя. Космический корабль необходимо запустить с достаточной скоростью, чтобы преодолеть гравитацию Земли и отправиться на пути к внешней части Солнечной системы. Чем лучше толчок, тем легче путешествие.
Juice — один из самых тяжелых межпланетных зондов, когда-либо запускавшихся, его масса чуть более 6000 кг, с самым большим набором научных инструментов, когда-либо летавших на Юпитер. Даже мощного разгона тяжелой ракеты «Ариан-5» оказалось недостаточно, чтобы отправить зонд Juice прямо туда за пару лет.
Поэтому такие миссии, как Juice и Europa Clipper или подобные Galileo и Juno в прошлом, должны использовать маневры «гравитации» или «облета», чтобы набрать дополнительную скорость. Чем мощнее ракета, тем короче перелет.
Заимствование энергии у Солнечной системы
Плутон, находящийся на краю Солнечной системы, движется по гораздо большей орбите, чем Меркурий, самая внутренняя планета. Хотя Плутон движется медленнее относительно Солнца, его орбитальная энергия намного больше, чем у Меркурия.
Чтобы вывести космический корабль на орбиту вокруг другой планеты, необходимо соответствовать его орбитальной энергии. Когда BepiColombo был запущен, его орбитальная энергия была такой же, как у Земли. Ему пришлось потерять энергию, чтобы приблизиться к центру Солнечной системы, и он сделал это за счет потери избыточной орбитальной энергии, пролетая близко к соседним планетам.
То же самое происходит и в обратном порядке с путешествием за пределы Солнечной системы. Чтобы выйти на большую орбиту, дальше от Солнца, Juice идет по пути, который позволит ему позаимствовать орбитальную энергию у Земли, Венеры и Марса.
В зависимости от относительного направления движения планеты и космического корабля гравитационная помощь может ускорять, замедлять или менять направление миссии. Кстати, космический корабль тоже отклоняет планету, но в такой незначительной степени, что это становится незначительным. Тем не менее, третий закон движения Ньютона не прекратил свое действие: «каждому действию есть равное и противоположное противодействие».
Juice будет использовать серию облетов Земли, системы Земля-Луна и Венеры, чтобы выставить курс на встречу в июле 2031 года в системе Юпитера.
Орбита на острие ножа
Самая сложная часть управления полетом ЕКА наступит для команды, когда Juice наконец прибудет к Юпитеру в 2031 году и во время своего путешествия по планетарной системе Юпитера.
Сложная траектория Juice включает в себя многочисленные гравитационные маневры на пути к Юпитеру, включая первый в истории облет Луны и Земли, а также впечатляющие 35 облетов его галилеевых спутников: Европы, Ганимеда и Каллисто. В конце полета пристальное внимание будет сосредоточено на Ганимеде, что сделает Juice первым космическим кораблем, когда-либо вращавшимся вокруг другой луны, кроме нашей.
Самым наиболее важным маневром, за которым будут наблюдать команды управления полетами ЕКА в Германии, будет замедление зонда Juice примерно на 1 км/с всего через 13 часов после гравитационной помощи Ганимеда и «выхода», чтобы войти в систему Юпитера, выведя космический корабль на орбиту вокруг газового гиганта.
Выйти на орбиту другого небесного тела сложно. Космический корабль должен приближаться с идеальной скоростью под точным углом, а затем выполнять жизненно важный маневр в нужный момент, в определенном направлении и нужного размера.
Приближаясь слишком быстро или медленно, слишком мелко или круто, или маневрируя в неподходящее время, с неправильным расстоянием или в неправильном направлении, можно потеряться в пространстве или отклониться настолько далеко от маршрута, что для исправления пути потребуется много – возможно, даже слишком много – топлива.
Juice приблизится к спутникам Юпитера, обмениваясь с ними энергией, чтобы исследовать эту окружающую среду, как никогда раньше. Может ли быть жизнь под замерзшими океанами Ганимеда, Каллисто или Европы? Что можно узнать о формировании планет и спутников во Вселенной? Благодаря чуду динамики полета и обмену энергией со Вселенной мы скоро (уже) это узнаем.
