Чемпион гравитационного серфинга

24 октября автоматическая межпланетная станция «Мессенджер» (MESSENGER — MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging), направляющаяся к Меркурию, совершила гравитационный маневр в поле тяготения Венеры. Это второй из шести гравитационных маневров, которые, в сочетании с шестью включениями маршевого двигателя, впервые в истории выведут космический аппарат на орбиту искусственного спутника Меркурия.

Меркурий — одна из самых труднодостижимых планет Солнечной системы. Добраться до него почти так же тяжело, как до Плутона. При полете к внешним планетам надо у Земли придать космическому аппарату достаточно высокую скорость, чтобы преодолеть тяготение Солнца. Путешествие к внутренним планетам требует, наоборот, сброса скорости. Дело в том, что любой аппарат, выходящий на межпланетную трассу, с самого начала получает скорость около 30 км/с относительно Солнца — именно с такой скоростью движется по своей орбите Земля. Если не затормозить, то аппарат так и будет крутиться где-то в районе земной орбиты. Но ракета не автомобиль, тормозить ей ничуть не легче, чем разгоняться. И на то, и на другое надо тратить топливо, которое приходится везти с собой.

Простейший путь к Меркурию, так называемый касательный эллипс, требует сбросить в начале пути около 8 км/с. Тогда в перигелии траектория пройдет по касательной к орбите Меркурия. Но 8 км/с — это очень серьезная величина. Такой скоростью обладает спутник, летящий вокруг Земли по низкой орбите. Если пренебречь сопротивлением атмосферы при старте, то у большинства ракет-носителей почти вся энергия уходит на разгон полезной нагрузки до этой, так называемой первой космической скорости. Нам же придется развить эту скорость уже после выхода за пределы земного притяжения. Именно этим объясняется, почему на околоземную орбиту легко поднимается 100-тонный шаттл, а в дальнем космосе аппарат массой полтонны уже считается большим.

Двигаясь по касательному эллипсу, ваш аппарат достигнет Меркурия примерно за 100 дней. Но даже и не думайте о том, чтобы выйти на орбиту вокруг планеты. Ведь все это время вы будете приближаться к Солнцу, грубо говоря, падать на него, разгоняясь под действием его притяжения. В перигелии аппарат будет нестись со скоростью 57 км/с. И хотя Меркурий движется вокруг Солнца намного быстрее Земли, вы все равно будете обгонять его примерно на 10 км/с. Нет никакой возможности захватить с собой запас топлива для гашения такой разницы в скорости. Пролет над поверхностью планеты займет всего несколько минут, и за это время надо успеть выполнить все измерения и наблюдения.

Первый разведчик

Примерно так и был организован первый в истории полет к Меркурию. Станция «Маринер-10» (Mariner 10) стартовала с Земли 3 ноября 1973 года и прошла на высоте около 700 км над поверхностью Меркурия 28 марта 1974 года. Надо отдать должное разработчикам «Маринера», — они организовали полет таким образом, что станция еще дважды возвращалась к Меркурию. Правда, получилось так, что каждый раз она пролетала с одной и той же стороны планеты, и в результате мы до сих пор имеем подробные снимки менее чем половины поверхности Меркурия.

Был в полете «Маринера-10» и другой важный элемент, который стал непременным атрибутом многих современных миссий в дальнем космосе. Речь идет об использовании гравитационного маневра для изменения скорости космического аппарата. На полпути к Меркурию «Маринер» прошел рядом с Венерой. Причем этот маневр был заранее спланирован таким образом, чтобы скорость аппарата относительно Солнца уменьшилась. Благодаря этой хитрости при старте можно было сократить затраты топлива на гашение орбитальной скорости Земли. Часть этой работы бесплатно выполнила Венера своим гравитационным полем.

Для использования гравитационного маневра приходится очень тщательно подбирать момент запуска космического аппарата, чтобы планеты располагались в пространстве подходящим образом. Конечно, нельзя сказать, что, упустив момент, вы уже не достигнете цели, но чем сильнее вы отклоняетесь от оптимальной даты запуска, тем меньше выгоды приносит гравитационный маневр. В какой-то момент пользы от него не остается вовсе и тогда, как говорят, окно запуска закрывается.

Понятно, что чем больше гравитационных маневров совершает космический аппарат по пути к цели, тем труднее спроектировать его траекторию. Долгое время рекорд в этой сфере удерживал «Вояджер-2» (Voyager 2), который, пролетая мимо Юпитера, Сатурна и Урана, использовал каждую планету для наращивания скорости на пути к следующей. В 2000 году первенство перешло к станции «Кассини» (Cassini), которая по пути к Сатурну произвела четыре гравитационных маневра — два у Венеры, один у Земли и последний у Юпитера.

Спуск по ступенькам

Но вскоре лидер должен вновь смениться. В полетном плане «Мессенджера» значится целых шесть гравитационных маневров. Два из них уже успешно выполнены. Первоначально аппарат вышел на околосолнечную орбиту, которая мало отличается от земной, а потому требовала минимальных энергозатрат — лишь бы вырваться из поля тяготения Земли. Даже период обращения по этой первоначальной орбите составлял почти точно один земной год.

Нетрудно догадаться, что спустя этот год зонд вернулся обратно к Земле. Но тут уже все было рассчитано так, чтобы в результате этого сближения он сбросил скорость почти на 3 км/с, а перигелий орбиты оказался к Солнцу ближе Венеры. Прошел год и почти три месяца и вот сейчас произошла встреча с Венерой — это второй гравитационный маневр «Мессенджера». Его целью вновь было торможение на 3 км/с теперь уже для снижения афелия орбиты. Теперь траектория аппарата приблизилась к орбите Венеры — отличается от нее примерно на столько же, на сколько первоначальная орбита отличалась от орбиты Земли. Можно сказать, что в результате двух маневров аппарат как бы спустился на ступеньку по планетным орбитам.

Следующие два маневра — у Венеры и у Меркурия — должны повторить в уменьшенном масштабе первые два, выполненные у Земли и Венеры. Вновь сначала на ступеньку снижается перигелий, который касается орбиты Меркурия, а затем опускается афелий. Правда, сразу попасть на орбиту, близкую к меркурианской, не получится — придется еще дважды встречаться с Меркурием, каждый раз немного гася скорость. Последний маневр сделает скорости «Мессенджера» и Меркурия настолько близкими, что придется ждать полтора года, пока они сойдутся снова. Меркурий за это время сделает шесть оборотов вокруг Солнца, а «Мессенджер»— пять.

Выход на цель

Решающая встреча настанет 18 марта 2011 года. Но если не принять мер, аппарат вновь пролетит мимо цели, поскольку по законам небесной механики одинокой планете малой массы очень трудно захватить пролетающий мимо объект. Приближаясь, он под действием тяготения набирает скорость, которую потом расходует на уход от планеты.
У других планет есть атмосфера, которая значительно облегчает торможение перед выходом на орбиту спутника. Даже на орбиту вокруг безатмосферной Луны выйти проще, так как она входит в тройную систему Солнце—Земля—Луна. А вот в случае с Меркурием нет другого способа, кроме как включать двигатели и тормозить.

Всего по расчетам надо будет сбросить 868 м/с — скорость типичного реактивного самолета. Затраты топлива на это составят около четверти массы аппарата. В итоге аппарат выйдет на вытянутую эллиптическую орбиту вокруг Меркурия. Нижняя точка орбиты — перицентр — будет находиться на высоте 200 км, верхняя — апоцентр — в 15 тыс. км от поверхности. Важно также, что орбита будет близка к полярной (наклонение 80 градусов) — это позволит отснять всю поверхность Меркурия. Из-за близости Солнца эта орбита будет довольно быстро меняться.

Всего за один меркурианский год (88 дней) ее перицентр поднимется до 400 км, так что для продолжения исследований орбиту придется корректировать, так что топливные баки не должны опустеть к моменту выхода на орбиту. Добавим к этому топливо для других пяти активных маневров, выполняемых в ходе полета между сближениями с планетами — без них никак не получится правильный вход в гравитационные виражи — и получится, что при старте с Земли приходится брать с собой больше топлива, чем оборудования. И действительно, из примерно тонны массы зонда после старта 60% приходилось на запасы топлива. Если бы не многочисленные гравитационные маневры по пути к цели, эта доля была значительно больше, а на научные приборы тем самым осталось бы меньше.

Дыхание будущего

Интересно, что сложнейший полетный план станции «Мессенджер» был разработан и реализуется не Лабораторией реактивного движения в составе NASA, а частной компанией KinetX, Inc. Это первый подобный случай за всю историю межпланетных полетов, осуществляемых NASA. Причем, KinetX разработала сразу несколько вариантов траектории в расчете на разные даты запуска. Первоначально планировалось запускать зонд весной 2004 года, но потом пришлось отложить запуск на несколько месяцев, а это означает изменение всего полетного плана. При успехе проекта подобная практика передачи космической навигации на аутсорсинг коммерческим фирмам может стать постоянной практикой NASA.

И последнее. В 2013 году к Меркурию должен отправиться еще один космический аппарат BepiColombo, создаваемый Европейским и Японским космическими агентствами (ESA и JAXA). Он будет запускаться российской ракетой «Союз-Фрегат» и, подобно «Мессенджеру», станет спутником Меркурия. В полете он обойдется без гравитационных маневров — все навигационные задачи должен решить ионный двигатель, работающий на солнечной энергии, который намного эффективнее расходует топливо, чем традиционные жидкостные ракетные двигатели. Но это уже совсем другая история.

Читайте также в журнале «Вокруг Света»:

• Пятый элемент
• И дольше года длится день
• Унесенные солнцем