Долететь до Марса: сложности и проблемы

Данная статья даст ответы на частые вопросы, сколько лететь до Марса, что для этого нужно, какие сложности с этим возникают, не вдаваясь в сложные вычисления.

Исследование Марса давно вызывает интерес и привлекает внимание не только ученых, все больше и больше звучат вопросы о потенциальной колонизации, а также появляются новые возможности в освоении Солнечной системы. Главная задача статьи — максимально разобраться, сколько времени займет полет с Земли до Марса и как туда лететь.

Расстояние от Земли до Марса

Несмотря на то, что «красная планета» является соседней с нами планетой и четвертой по удаленности от Солнца, расстояние между Землей и Марсом составляет  десятки или даже сотни миллионов километров в зависимости от положения планет. Орбита Марса, подобно орбите Земли, является эллиптической и находится примерно в той же плоскости, но есть и отличия. Ввиду того, что планеты находятся в постоянном движении расстояние между ними не постоянно, оно то увеличивается, то уменьшается. Максимальное сближение Марса с Землей происходит дважды в год, в этот момент расстояние составляет 55,76 миллионов километров. Это событие называется «оппозицией» или «противостоянием», когда Земля оказывается между Солнцем и Марсом.

Также каждые 15-17 лет и раз в несколько сотен лет происходят большие противостояния, когда Марс приближается к Земле еще ближе, но не так значительно. Например, в 2003 году планета находилась на расстоянии 55,758 миллионов километров от нас. Подобное событие повторится только в 2287 году или позднее. Это происходит из-за более вытянутой орбиты Марса, по сравнению с орбитой Земли.

Максимальное удаление Земли от Марса составляет 402 миллиона километров. Расстояние между нами и Марсом увеличивается, когда на прямой линии между планетами находится Солнце. Именно поэтому нельзя дать однозначный ответ на вопрос о времени и расстоянии полета до Марса. Все зависит от положения планет относительно Солнца и выбранной траектории полета.

Где должен быть Марс во время запуска корабля

Казалось бы, можно выбрать момент, когда Марс и Земля находятся ближе всего друг к другу, но не всегда самое кратчайшее расстояние между Землей и Красной планетой является оптимальным временем для полета. Полет по прямой от Земли до Марса невозможен из-за гравитационного влияния Земли и Солнца. Кроме этого, такой вариант потребовал бы огромного количества энергии, так как обе планеты постоянно движутся. Космическому кораблю пришлось бы догонять Марс, что на данный момент выходит за пределы земных технологий.

Поэтому специалисты всегда планируют запуск к Марсу в определенные периоды, называемые «стартовым окном». В этот оптимальный период Марс окажется в той же точке своей орбиты, где и корабль, когда тот прибудет на его орбиту. Другой вариант — корабль выходит на орбиту раньше Марса и «ждет», пока тот догонит его. Эти оптимальные положения Земли и Марса возникают каждые 2 года и 2 месяца, когда Земля обгоняет Марс на своей космической скорости.

Орбитальная механика, или сколько километров нужно преодолеть

Расстояние между Землей и Марсом постоянно меняется из-за движения планет. Даже во время «оппозиции», когда они находятся на противоположных сторонах Солнца, расстояние между ними может варьироваться от 55,76 до 101,39 миллионов километров в зависимости от года. Потому точно определить, сколько километров нужно пролететь от Земли до Марса, сложно из-за орбитальной механики. Расстояние до Красной планеты, которое нужно преодолеть космическому кораблю, значительно превышает минимальное расстояние между планетами. Большую часть пути к Марсу корабль преодолевает под воздействием гравитации небесных тел, по сути это половина гелиоцентрической орбиты между Марсом и Землей вокруг Солнца. По сути, приблизительно нужно пролететь около 600 миллионов километров от Земли до Марса. Однако это условно, поскольку в реальности нужно использовать для расчетов сложные алгоритмы.

Сколько времени лететь человеку до Марса

Время полета на Марс, кроме расстояния, зависит от скорости аппарата, выбранной траектории полета, расположение планет, веса корабля. Для оценки времени полета от Земли до Марса можно учесть следующие факты. Для достижения околоземной орбиты ракете необходимо развить скорость около 7,9 км/с (это примерно 29 000 км/ч). Для перелета между планетами требуется скорость около 11,2 км/с (это примерно 40 000 км/ч). Средняя скорость межпланетных полетов составляет около 20 км/с. К скорости корабля на гелиоцентрической орбите добавляется скорость Земли, примерно 30 км/с. Например, космический аппарат New Horizons был запущен со скоростью около 16,26 км/с и на гелиоцентрической орбите достиг скорости около 40 км/с (это примерно 59 000 км/ч).

Учитывая эти расчеты, на кратчайшей возможной траектории время полета от Земли до Марса составит примерно 941 час или 39 земных дней. Если маршрут будет соответствовать среднему удалению между планетами, то время в пути составит около 3 879 часов или 162 дня, что ближе к реальности. В случае максимального удаления Марса от Земли, полет продлится около 289 дней.

Наиболее эффективно запускать аппараты на орбиту, приближая их медленно к Марсу. Под воздействием гравитационного поля Солнца (эффект "рогатки"), корабль получает дополнительное ускорение для преодоления расстояния. В подходящий момент корабль покидает гравитационное поле и входит на орбиту Марса. В итоге полет в одну сторону занимает от 150 до 300 дней (5-10 месяцев).

Все вышесказанное хорошо в теории. На практике при вычислениях нужно учитывать массу нюансов:

• эллиптическая форма обеих орбит и разница между ними;
• отличающаяся скорость обеих планет (Марс медленнее);
• тот факт, что Солнце не является центральной точкой орбит;
• скорость и ее приращение, вес и другие характеристики космолета;
• необходимость своевременного возвращения космонавтов на Землю;
• оптимальная траектория для пассажирских межпланетных перевозок.

Поэтому в расчеты нужно включать количество топлива и размер топливных баков, запасы пищи, кислорода и многое другое.

Хотя ни одна человеческая нога еще не ступила на Марс, множество миссий было направлено на эту планету. Время, необходимое для достижения ее поверхности, варьировалось от 128 до 335 дней (в случае миссий Mariner-7 и Mars Polar Lander). Например, при выборе Гомановской траектории (эллиптической орбите, используемой для перехода между двумя другими орбитами, обычно находящимися в одной плоскости), путешествие до Марса в одну сторону занимало бы 6-9 месяцев (180-274 суток), но в этом случае для экипажа слишком высок риск облучения солнечной радиацией. Большинство пилотируемых полетов на Марс разрабатываются по гиперболическим траекториям, что позволяет достичь Красной планеты примерно за полгода, при этом доза облучения находится в пределах допустимых норм. Однако для такого полета потребуется в 4,5 раза больше топлива для дополнительного разгона с орбиты Земли. По расчетам ученых, задействованных в проекте Mars One, полет займет 210 дней или 7-8 месяцев. В будущем Илон Маск обещает сократить время путешествия до 80 дней, а затем до 30 дней. Однако специалисты NASA менее оптимистичны и предсказывают, что полет займет 6 месяцев в одну сторону и еще 6 месяцев обратно. Кроме того, путешественникам придется провести 18-20 месяцев на Марсе, ожидая, пока расстояние между планетами станет достаточным для возвращения.

Если обобщить, ученые предполагают, что путешествие на пилотируемом аппарате до Марса и обратно займет около 450 земных дней (10 800 часов или 1,2 года).

Почему лететь так долго

При отсутствии поломок и непредвиденных обстоятельств путешествие до Марса займет около 2,5 лет. Это включает полгода на перелеты между планетами и 18-20 месяцев, которые путешественники проведут на Марсе, ожидая следующего близкого сближения с Землей. Ограниченные возможности наших современных технологий и огромного расстояния — вот две основные причины такой продолжительности путешествия.

Реактивные двигатели, используемые для запуска космических аппаратов, расходуют практически всё топливо на преодоление силы притяжения Земли во время взлета. Затем космический корабль перемещается в основном за счет инерции. В настоящее время конструкция кораблей не позволяет взять с собой дополнительные запасы топлива и достичь более высокой скорости. 

В настоящее время для межпланетных путешествий мы можем использовать только химические ракетные двигатели, которые имеют очень высокий расход топлива. Даже при минимальной скорости около 12 км/с (примерно 40 000 км/ч), требуется огромное количество горючего. Более того, с увеличением веса космического корабля увеличивается и его потребность в топливе для запуска с Земли и торможения около Марса. Также требуется топливо для работы систем жизнеобеспечения.

Если использовать для полета эллиптическую (Гомановскую) траекторию, экономичный способ добраться до Марса с минимальным расходом топлива, то это будет самым простым вариантом, но и самый длительным. Корабль разгоняется до скорости 11,59 км/с и летит по инерции по эллипсу, касающемуся орбит Земли и Марса. Он пересекает орбиту Марса в момент, когда планета будет на том же уровне, что и корабль. Затем происходит разгон, чтобы перейти на орбиту Марса. Траектория корабля образует большую дугу, что значительно увеличивает пройденное расстояние. Большинство кораблей отправляются именно по эллиптической траектории. 

При использовании параболической траектории — более быстром, но более затратном варианте, — можно достичь Марса за 70-80 суток, что позволяет сэкономить расход топлива, провизию, улучшить защиту от радиации. Однако для этого корабль должен быть разогнан до третьей космической скорости — 16,7 км/с. Из-за этого как для запуска, так и для замедления потребуется гораздо больше топлива, примерно в 4 раза больше, чем при полете по эллиптической траектории. Полет в обе стороны по параболе займет всего 5 месяцев.

Гиперболическая траектория — оптимальный, но пока сложно реализуемый вариант. Он позволяет достичь Марса быстрее, чем при эллиптической траектории (менее 80 суток в одну сторону, до полугода в обе стороны), но требует гораздо больше энергии (в 4,5 раза). В отличие от параболического маршрута, двигаясь по гиперболе, космический аппарат получит скорость, превышающую третью космическую, и диапазон траектории будет шире.

Основной проблемой является сложность разгона космического корабля до требуемой скорости (более 16,7 км/с), что возможно только с помощью ионных двигателей, которые в настоящее время находятся в стадии разработки и совершенствования. Большинство пилотируемых полетов к Марсу разрабатываются по этой траектории. Например, аппарат New Horizons преодолел путь до Красной планеты за 78 суток. А межзвездный объект Oumuamua способен пролететь от земной до марсианской орбиты всего за 2 недели.

Способы сократить время полета

Для более быстрых полетов на Марс мы можем рассмотреть несколько вариантов:

1. Использование ядерных двигателей: Это позволило бы сократить время полета в межпланетном пространстве вдвое, до примерно 7 месяцев или даже меньше, в зависимости от разработки. Такие двигатели обеспечили бы больше гибкости в выборе времени отправления как с Земли, так и с Марса. Однако на данный момент такие двигатели находятся в стадии разработки и еще не существуют.

2. Использование электрических (ионных) двигателей с ядерными энергетическими установками: Это позволило бы достичь Марса за 5 месяцев, а в будущем, возможно, даже за 40 дней. Такие двигатели позволяют разгонять космические корабли до скоростей 10 км/с и выше с небольшим расходом топлива. К примеру, зонду Dawn на 10-летней миссии потребовалось всего полтонны ксенона.

3. Использование антиматерии: Для этого потребуется всего 10 мг антивещества и 250 млн долларов для достижения места посадки на Марсе. Предполагается, что эта технология сократит время полета до 45 дней. В отдаленном будущем антиматерия может позволить достигать Марса за 3-4 минуты, но это пока остается только в теории.

Теперь о стоимости таких путешествий. В настоящее время путешествие на Марс обойдется в миллиарды долларов. В прошлом оценки варьировались от 80 до 100 млрд долларов (во времена Джорджа Буша-старшего) и от 20 до 40 миллиардов долларов. Илон Маск говорит, что в итоге полет на Марс будет стоить 500 млн долларов, а в долгосрочной перспективе затраты можно снизить до 100 тыс. долларов. Кроме того, Маск обещает, что обратный билет на Марс станет бесплатным.

Нерешенные проблемы полета

Длительность полета на Марс неизбежно сопровождается сложностями, которые невозможно полностью избежать. Возможны поломки и технические неполадки, а также столкновение с метеорными потоками и солнечным ветром. В случае неудачи, люди могут оказаться запертыми на борту неисправного космического корабля без надежды на помощь.

Психологические и физические нагрузки также представляют риск. Люди столкнутся с высоким уровнем радиации, ограниченным пространством и вероятностью лучевой болезни, что может привести к психическим и физическим проблемам, таким как потеря мышечной и сердечно-сосудистой системы, а также депрессия. После полета может потребоваться до 2 лет для полной реабилитации.

Обеспечение полета также является сложной задачей. Необходимо учесть достаточное количество запасов топлива, кислорода, воды и пищи, необходимых для полета и возвращения. Для полета на Марс требуется и значительное количество топлива, десятки тонн. Это означает, что космический корабль должен быть огромным, с Земли такой поднять пока не получится.

Космические агентства всего мира заявляют, что время полета человека на Марс наступит в обозримом будущем, примерно в 2020-2040 годах. Однако перед реализацией этих амбициозных планов необходимо решить множество технических проблем, чтобы обеспечить безопасность экипажа и превратить первый полет человека на Марс в реальность.

Неудачные миссии

Многие миссии на Марс не завершились успехом. Более половины из 48 запущенных миссий с 1960-х годов по настоящее время закончились неудачей. Различные страны, включая СССР, США, Японию и Китай, сталкивались с потерей связи, отказом оборудования и авариями при запуске. Именно поэтому до сих пор человек не побывал на Марсе — требуется огромное количество предвидения, планирования и учета, а технологические возможности ограничены.