Скільки часу потрібно, щоб дістатися до Марса?

Планета Марс – один з найяскравіших об’єктів на нічному небі, легко помітний неозброєним оком у вигляді яскраво-червоної зірки. Приблизно кожні два роки Марс і Земля досягають своєї найближчої точки, яка називається «опозиція», коли Марс може бути на відстані 55 000 000 км від Землі. І кожні два роки космічні агентства використовують цю орбітальну орбіту, щоб відправити космічний корабель до Червоної планети. Скільки часу потрібно, щоб дістатися до Марса?

Загальний час подорожі від Землі до Марса займає від 150 до 300 днів залежно від швидкості запуску, вирівнювання Землі та Марса та довжини подорожі космічного корабля, щоб досягти мети. Це насправді залежить від того, скільки палива ви готові спалити, щоб туди потрапити. Більше палива, менший час у дорозі.

Історія подорожі на Марс:

Першим космічним кораблем, який здійснив подорож від Землі до Марса, був NASA Mariner 4, який був запущений 28 листопада 1964 року і прибув на Марс 14 липня 1965 року, успішно зробивши серію з 21 фотографії. Загальний час польоту Mariner 4 склав 228 днів.

Наступною успішною місією до Марса був «Марінер-6», який стартував 25 лютого 1969 року і досяг планети 31 липня 1969 року; час польоту всього 156 днів. Успішному Mariner 7 знадобився лише 131 день, щоб здійснити подорож.

Команда NASA додала всі можливі дані, щоб змоделювати висадку на Марс Curiosity. Авторство: NASA

Mariner 9, перший космічний корабель, який успішно вийшов на орбіту навколо Марса, був запущений 30 травня 1971 року і прибув 13 листопада 1971 року на 167 днів. Це та сама закономірність, яка зберігалася протягом майже 50 років дослідження Марса: приблизно 150-300 днів.

Ось ще кілька прикладів:

Вікінг 1 (1976) – 335 днів
Вікінг 2 (1976) – 360 днів
Mars Reconnaissance Orbiter (2006) – 210 днів
Phoenix Lander (2008) – 295 днів
Curiosity Lander (2012) – 253 дні

Чому це займає так довго?:

Зображення зверху вниз орбіт Землі та Марса. Авторство: NASA

Якщо врахувати той факт, що до Марса всього 55 мільйонів км, а космічний корабель рухається зі швидкістю понад 20 000 км/год, можна очікувати, що космічний корабель здійснить подорож приблизно за 115 днів, але це займе набагато більше часу. Це тому, що і Земля, і Марс обертаються навколо Сонця. Ви не можете вказувати прямо на Марс і починати стріляти своїми ракетами, тому що на той момент, коли ви туди потрапите, Марс вже рухався. Натомість космічний корабель, запущений із Землі, потрібно вказати кудиМарс буде.

Іншим обмеженням є паливо. Знову ж таки, якби у вас була необмежена кількість палива, ви б направили свій космічний корабель на Марс, запустили ракети до середини подорожі, а потім розвернулися та сповільнили б протягом останньої половини подорожі. Ви можете скоротити час у дорозі до частки поточної ставки, але вам знадобиться неможлива кількість палива.

Як дістатися до Марса з найменшою кількістю палива:

Основна проблема інженерів — як доставити космічний корабель на Марс з найменшою кількістю палива. Роботи не дуже піклуються про вороже середовище космосу, тому має сенс максимально зменшити витрати на запуск ракети.

Інженери NASA використовують метод пересування під назвою Hohmann Transfer Orbit – або мінімальна орбіта передачі енергії – щоб відправити космічний корабель із Землі на Марс із найменшою можливою кількістю палива. Техніка була вперше запропонований Вальтером Гоманом який опублікував перший опис маневру в 1925 році.

Замість того, щоб спрямовувати свою ракету прямо на Марс, ви прискорюєте орбіту свого космічного корабля, щоб він рухався навколо Сонця по більшій орбіті, ніж Земля. Зрештою, ця орбіта перетне орбіту Марса –в той момент, коли Марс також там.

Якщо вам потрібно запустити з меншою кількістю палива, вам просто потрібно більше часу, щоб підняти орбіту і збільшити шлях до Марса.

Інші ідеї для скорочення часу подорожі до Марса:

Хоча для того, щоб дочекатися 250 днів космічного корабля, щоб досягти Марса, потрібно трохи терпіння, якщо ми відправляємо людей, нам може знадобитися зовсім інший метод руху. Космос є ворожим місцем, і випромінювання міжпланетного простору може становити довготривалий ризик для здоров’я людей-космонавтів. Фонові космічні промені викликають постійний шквал радіації, що викликає рак, але існує більший ризик масивних сонячних бур, які можуть вбити незахищених астронавтів за кілька годин. Якщо ви можете скоротити час у дорозі, ви зменшите кількість часу, протягом якого астронавти потрапляють під радіацію, і мінімізуєте кількість припасів, які їм потрібні для зворотної подорожі.

Go Nuclear:
Одна ідеяядерні ракети, які нагрівають робочу рідину – як водень – до інтенсивних температур в ядерному реакторі, а потім викидають її ракетним соплом на високих швидкостях, щоб створити тягу. Оскільки ядерне паливо має набагато більшу енергетичну щільність, ніж хімічні ракети, ви можете отримати вищу швидкість тяги з меншою кількістю палива. Передбачається, що ядерна ракета може скоротити час подорожі приблизно до 7 місяців

Go Magnetic:
Іншою пропозицією є технологія під назвоюМагнітоплазмова ракета зі змінним питомим імпульсом(або ВАСИМР). Це електромагнітне двигун, який використовує радіохвилі для іонізації та нагрівання палива. Це створює іонізований газ, який називається плазмою, який можна магнітно виштовхувати з задньої частини космічного корабля на високих швидкостях. Колишній астронавт Франклін Чанг-Діаз є піонером у розробці цієї технології, і очікується, що прототип буде встановлений на Міжнародній космічній станції, щоб допомогти їй підтримувати висоту над Землею. Під час місії на Марс ракета VASIMR може скоротити час подорожі до 5 місяців.

Перейти до антиматерії:
Можливо, однією з найбільш екстремальних пропозицій було б використання anракета з антиречовиною. Створене в прискорювачах частинок, антиречовина є найбільш щільним паливом, яке ви можете використовувати. Коли атоми матерії зустрічаються з атомами антиматерії, вони перетворюються в чисту енергію, як передбачено відомим рівнянням Альберта Ейнштейна: E = mc 2 . Всього 10 міліграмів антиречовини знадобиться, щоб здійснити місію людини на Марс лише за 45 днів. Але тоді виробництво навіть такої мінімальної кількості антиматерії обійдеться приблизно в 250 мільйонів доларів.

Концепція художнього двигуна «Антиматерія». Авторство: NASA/MFSC

Майбутні місії на Марс:

Незважаючи на те, що для скорочення часу подорожі до Марса було запропоновано кілька неймовірних технологій, інженери будуть використовувати випробувані і вірні методи відстеження мінімальних орбіт передачі енергії за допомогою хімічних ракет. Місія NASA MAVEN буде запущена в 2013 році з використанням цієї техніки, а також місії ESA ExoMars. Може пройти кілька десятиліть, перш ніж інші методи стануть звичайними.

Ця стаття спочатку з’явилася в Universe Today у липні 2012 року, але вона була оновлена пов’язаним відео.

Подкаст (аудіо): Завантажити (Тривалість: 3:17 — 3,0 МБ)

Підписатися: Apple Podcasts | RSS

Подкаст (відео): Завантажити (75,6 МБ)

Підписатися: Apple Podcasts | RSS

Долетіти до Марса: складності та проблеми

Ця стаття дасть відповіді на часті питання, скільки летіти до Марса, що для цього потрібно, які складнощі з цим виникають, не вдаючись у складні обчислення.

Дослідження Марса давно викликає інтерес і привертає увагу не лише вчених, дедалі більше звучать питання щодо потенційної колонізації, а також з’являються нові можливості в освоєнні Сонячної системи. Головне завдання статті – максимально розібратися, скільки часу займе політ із Землі до Марса і як туди летіти.

Відстань від Землі до Марса

Незважаючи на те, що «червона планета» є сусідньою з нами планетою і четвертою за віддаленістю від Сонця, відстань між Землею та Марсом становить десятки або навіть сотні мільйонів кілометрів залежно від становища планет. Орбіта Марса, подібно до орбіти Землі, є еліптичною і знаходиться приблизно в тій же площині, але є і відмінності. Зважаючи на те, що планети знаходяться в постійному русі відстань між ними не завжди, вона то збільшується, то зменшується. Максимальне зближення Марса із Землею відбувається двічі на рік, у цей момент відстань становить 55,76 мільйонів кілометрів. Ця подія називається «опозицією» або «протистоянням», коли Земля виявляється між Сонцем та Марсом.

Також кожні 15-17 років і раз на кілька сотень років відбуваються великі протистояння, коли Марс наближається до Землі ще ближче, але не так значно. Наприклад, у 2003 році планета знаходилася на відстані 55,758 мільйонів кілометрів від нас. Подібна подія повториться лише 2287 року чи пізніше. Це відбувається через більш витягнуту орбіту Марса, порівняно з орбітою Землі.

Максимальне видалення Землі від Марса складає 402 мільйони кілометрів. Відстань між нами та Марсом збільшується, коли на прямій лінії між планетами знаходиться Сонце. Саме тому не можна дати однозначну відповідь на питання про час та відстань польоту до Марса. Все залежить від положення планет щодо Сонця та обраної траєкторії польоту.

Де має бути Марс під час запуску корабля

Здавалося б, можна вибрати момент, коли Марс і Земля знаходяться найближче один до одного, але не завжди найкоротша відстань між Землею та Червоною планетою є оптимальним часом для польоту. Політ прямою від Землі до Марса неможливий через гравітаційний вплив Землі та Сонця. Крім цього, такий варіант зажадав би величезної кількості енергії, оскільки обидві планети постійно рухаються. Космічному кораблю довелося б наздоганяти Марс, що зараз виходить за межі земних технологій.

Тому фахівці завжди планують запуск до Марса у певні періоди, які називають «стартовим вікном». У цей оптимальний період Марс опиниться в тій самій точці своєї орбіти, де і корабель, коли той прибуде на його орбіту. Інший варіант — корабель виходить на орбіту раніше за Марс і «чекає», поки той наздожене його. Ці оптимальні положення Землі та Марса виникають кожні 2 роки та 2 місяці, коли Земля обганяє Марс на своїй космічній швидкості.

Орбітальна механіка, або скільки кілометрів потрібно подолати

Відстань між Землею та Марсом постійно змінюється через рух планет. Навіть під час «опозиції», коли вони знаходяться на протилежних сторонах Сонця, відстань між ними може змінюватись від 55,76 до 101,39 мільйонів кілометрів залежно від року. Тому точно визначити скільки кілометрів потрібно пролетіти від Землі до Марса, складно через орбітальну механіку. Відстань до Червоної планети, яку потрібно подолати космічному кораблю, значно перевищує мінімальну відстань між планетами. Більшу частину шляху до Марса корабель долає під впливом гравітації небесних тіл, насправді це половина геліоцентричної орбіти між Марсом і Землею навколо Сонця. По суті приблизно потрібно пролетіти близько 600 мільйонів кілометрів від Землі до Марса. Однак це умовно, оскільки насправді потрібно використовувати для розрахунків складні алгоритми.

Скільки часу летіти людині до Марса

Час польоту на Марс, крім відстані, залежить від швидкості апарату, обраної траєкторії польоту, розташування планет, ваги корабля. Для оцінки часу польоту від Землі до Марса можна врахувати такі факти. Для досягнення навколоземної орбіти ракеті необхідно розвинути швидкість близько 7,9 км/с (приблизно 29 000 км/год). Для перельоту між планетами потрібно швидкість близько 11,2 км/с (це приблизно 40 000 км/год). Середня швидкість міжпланетних польотів становить близько 20 км/с. До швидкості корабля на геліоцентричну орбіту додається швидкість Землі, приблизно 30 км/с. Наприклад, космічний апарат New Horizons був запущений зі швидкістю близько 16,26 км/сек і на геліоцентричній орбіті досяг швидкості близько 40 км/сек (це приблизно 59 000 км/год).

З огляду на ці розрахунки, на найкоротшій можливій траєкторії час польоту від Землі до Марса становитиме приблизно 941 годину або 39 земних днів. Якщо маршрут буде відповідати середньому видаленню між планетами, то час у дорозі складе близько 3879 годин або 162 дні, що ближче до реальності. У разі максимального віддалення Марса від Землі політ триватиме близько 289 днів.

Найбільш ефективно запускати апарати на орбіту, наближаючи їх повільно до Марса. Під впливом гравітаційного поля Сонця (ефект “рогатки”) корабель отримує додаткове прискорення для подолання відстані. У слушний момент корабель залишає гравітаційне поле і входить на орбіту Марса. У результаті політ в один бік займає від 150 до 300 днів (5-10 місяців).

Все вищесказане добре теоретично. На практиці під час обчислень потрібно враховувати масу нюансів:

еліптична форма обох орбіт і різниця між ними;
відмінна швидкість обох планет (Марс повільніше);
тот факт, що Сонце не є центральною точкою орбіт;
швидкість та її збільшення, вага та інші характеристики космольоту;
необхідність своєчасного повернення космонавтів на Землю;
оптимальна траєкторія для пасажирських міжпланетних перевезень.

Тому до розрахунків потрібно включати кількість палива та розмір паливних баків, запаси їжі, кисню та багато іншого.

Хоча жодна людська нога ще не ступила на Марс, безліч місій було спрямовано на цю планету. Час, необхідний досягнення її поверхні, варіювався від 128 до 335 днів (у разі місій Mariner-7 і Mars Polar Lander). Наприклад, при виборі Гоманівської траєкторії (еліптичної орбіти, яка використовується для переходу між двома іншими орбітами, які зазвичай перебувають в одній площині), подорож до Марса в один бік займала б 6-9 місяців (180-274 діб), але в цьому випадку для екіпажу надто високий ризик опромінення сонячної радіації. Більшість пілотованих польотів на Марс розробляються за гіперболічними траєкторіями, що дозволяє досягти Червоної планети приблизно за півроку, при цьому доза опромінення знаходиться в межах допустимих норм. Однак для такого польоту знадобиться у 4,5 рази більше палива для додаткового розгону з орбіти Землі. За розрахунками вчених, які задіяні в проекті Mars One, політ займе 210 днів або 7-8 місяців. У майбутньому Ілон Маск обіцяє скоротити час подорожі до 80 днів, а потім до 30 днів. Проте фахівці NASA менш оптимістичні та передбачають, що політ займе 6 місяців в один бік та ще 6 місяців тому. Крім того, мандрівникам доведеться провести 18-20 місяців на Марсі, чекаючи, поки відстань між планетами стане достатньою для повернення.

Якщо узагальнити, вчені припускають, що подорож пілотованим апаратом до Марса і назад займе близько 450 земних днів (10 800 годин або 1,2 роки).

Чому летіти так довго

За відсутності поломок та непередбачених обставин подорож до Марса займе близько 2,5 років. Це включає півроку на перельоти між планетами та 18-20 місяців, які мандрівники проведуть на Марсі, очікуючи наступного близького зближення із Землею. Обмежені можливості наших сучасних технологій і величезної відстані — дві основні причини такої тривалості подорожі.

Реактивні двигуни, які використовуються для запуску космічних апаратів, витрачають практично все паливо на подолання сили тяжіння Землі під час зльоту. Потім космічний корабель переміщається переважно з допомогою інерції. В даний час конструкція кораблів не дозволяє взяти з собою додаткові запаси палива та досягти вищої швидкості.

В даний час для міжпланетних подорожей ми можемо використовувати лише хімічні ракетні двигуни, які мають дуже високу витрату палива. Навіть за мінімальної швидкості близько 12 км/с (приблизно 40 000 км/год), потрібна величезна кількість пального. Більше того, зі збільшенням ваги космічного корабля збільшується і його потреба у паливі для запуску із Землі та гальмування біля Марса. Також потрібне паливо для роботи систем життєзабезпечення.

Якщо використовувати для польоту еліптичну (Гоманівську) траєкторію, економічний спосіб дістатися до Марса з мінімальною витратою палива, то це буде найпростішим варіантом, але й найтривалішим. Корабель розганяється до швидкості 11,59 км/с і летить за інерцією по еліпсу, що стосується орбіт Землі та Марса. Він перетинає орбіту Марса в той момент, коли планета буде на тому ж рівні, що й корабель. Потім відбувається розгін, щоб перейти на орбіту Марса. Траєкторія корабля утворює велику дугу, що значно збільшує пройдену відстань. Більшість кораблів вирушають саме еліптичною траєкторією.

При використанні параболічної траєкторії — швидшому, але більш витратному варіанті — можна досягти Марса за 70-80 діб, що дозволяє заощадити витрату палива, провізію, покращити захист від радіації. Однак для цього корабель має бути розігнаний до третьої космічної швидкості – 16,7 км/с. Через це як для запуску, так і для уповільнення потрібно набагато більше палива, приблизно в 4 рази більше, ніж при польоті еліптичною траєкторією. Політ в обидві сторони по параболі триватиме лише 5 місяців.

Гіперболічна траєкторія — оптимальний варіант, але поки що складно реалізується. Він дозволяє досягти Марса швидше, ніж при еліптичній траєкторії (менше 80 діб в один бік, до півроку в обидві сторони), але потребує набагато більше енергії (в 4,5 рази). На відміну від параболічного маршруту, рухаючись гіперболою, космічний апарат отримає швидкість, що перевищує третю космічну, і діапазон траєкторії буде ширшим.

Основною проблемою є складність розгону космічного корабля до необхідної швидкості (понад 16,7 км/с), що можливе лише за допомогою іонних двигунів, які зараз перебувають у стадії розробки та вдосконалення. Більшість пілотованих польотів до Марса розробляються цією траєкторією. Наприклад, апарат New Horizons подолав шлях до Червоної планети за 78 діб. А міжзоряний об’єкт Oumuamua здатний пролетіти від земної до марсіанської орбіти лише за 2 тижні.

Способи скоротити час польоту

Для швидших польотів на Марс ми можемо розглянути кілька варіантів:

Використання ядерних двигунів: Це дозволило б скоротити час польоту в міжпланетному просторі вдвічі, приблизно до 7 місяців або навіть менше, залежно від розробки. Такі двигуни забезпечили б більше гнучкості у виборі часу відправлення як із Землі, так і з Марса. Однак на даний момент такі двигуни перебувають у стадії розробки та ще не існують.
Використання електричних (іонних) двигунів з ядерними енергетичними установками: Це дозволило б досягти Марса за 5 місяців, а в майбутньому, можливо, навіть за 40 днів. Такі двигуни дозволяють розганяти космічні кораблі до швидкостей 10 км/сек і вище з невеликою витратою палива. Наприклад, зонду Dawn на 10-річній місії знадобилося всього півтонни ксенону.
Використання антиматерії: Для цього потрібно всього 10 мг антиречовини та 250 млн доларів для досягнення місця посадки на Марсі. Передбачається, що ця технологія скоротить час польоту до 45 днів. У віддаленому майбутньому антиматерія може дозволити досягати Марса за 3-4 хвилини, але це поки що залишається тільки теоретично.

Тепер щодо вартості таких подорожей. В даний час подорож на Марс коштуватиме мільярди доларів. У минулому оцінки варіювалися від 80 до 100 млрд доларів (за часів Джорджа Буша-старшого) та від 20 до 40 мільярдів доларів. Ілон Маск каже, що в результаті політ на Марс коштуватиме 500 млн. доларів, а в довгостроковій перспективі витрати можна знизити до 100 тис. доларів. Крім того, Маск обіцяє, що зворотний квиток на Марс стане безкоштовним.

Нерозв’язані проблеми польоту

Тривалість польоту на Марс неминуче супроводжується складнощами, які неможливо повністю уникнути. Можливі поломки та технічні неполадки, а також зіткнення з метеорними потоками та сонячним вітром. У разі невдачі люди можуть бути замкненими на борту несправного космічного корабля без надії на допомогу.

Психологічні та фізичні навантаження також становлять ризик. Люди зіткнуться з високим рівнем радіації, обмеженим простором та ймовірністю променевої хвороби, що може призвести до психічних та фізичних проблем, таких як втрата м’язової та серцево-судинної системи, а також депресія. Після польоту може знадобитися до 2 років для повної реабілітації.

Забезпечення польоту також є складним завданням. Необхідно врахувати достатню кількість запасів палива, кисню, води та їжі, необхідних для польоту та повернення. Для польоту на Марс потрібна і значна кількість палива, десятки тонн. Це означає, що космічний корабель має бути величезним, із Землі такий підняти поки що не вийде.

Космічні агентства всього світу заявляють, що час польоту людини на Марс настане в найближчому майбутньому, приблизно в 2020-2040 роках. Однак перед реалізацією цих амбітних планів необхідно вирішити безліч технічних проблем, щоб забезпечити безпеку екіпажу та перетворити перший політ людини на Марс на реальність.

Невдалі місії

Багато місій на Марс не завершилися успіхом. Більше половини з 48 запущених місій з 1960-х років досі закінчилися невдачею. Різні країни, включаючи СРСР, США, Японію та Китай, стикалися із втратою зв’язку, відмовою обладнання та аваріями при запуску. Саме тому досі людина не побувала на Марсі — потрібна величезна кількість передбачення, планування та обліку, а технологічні можливості обмежені.