Использование гравитационных трасс может существенно снизить затраты на полеты к Луне

Новости МирТесен

Новый метод, основанный на использовании гравитационного взаимодействия между Землей и Луной, позволяет существенно уменьшить потребление топлива при полетах к Луне. Согласно результатам исследования, оптимальный маршрут не обязательно должен быть самым коротким или прямым. Вместо этого космический аппарат должен выполнить сложный маневр, задействуя специальные гравитационные «магистрали» в космическом пространстве. Авторы исследования утверждают, что им удалось уменьшить необходимое изменение скорости как минимум на 58,80 метра в секунду по сравнению с ранее разработанными оптимальными траекториями. Даже кажущиеся незначительными улучшения в космических миссиях способны привести к заметной экономии топлива, снижению затрат на запуск или увеличению массы перевозимого груза.

Исследование было в журнале Astrodynamics. Его первым автором стал исследователь из University of Coimbra Аллан Кардек де Алмейда Жуниор. По его словам, в космических полетах каждый дополнительный метр в секунду требует огромного количества топлива, поэтому поиск более эффективных траекторий имеет критическое значение.

Новая траектория предполагает использование пространства вблизи точки Лагранжа L1, расположенной между Землей и Луной, где гравитационные воздействия этих тел находятся в равновесии. Вместо непосредственного перелета к Луне, космический аппарат сначала приближается к спутнику Земли, а затем направляется в гравитационный коридор, формирующийся возле L1. Эти естественные пути определяются динамикой системы Земля–Луна и обеспечивают перемещение с наименьшими энергетическими затратами.

Значительной трудностью при определении траекторий полетов между планетами является их огромное разнообразие. Даже небольшие корректировки исходных данных могут привести к существенному изменению траектории аппарата. Для решения этой задачи ученые использовали математический метод, известный как теория функциональных связей. Этот подход позволяет учитывать основные физические ограничения непосредственно в процессе вычислений, такие как касательный импульс, необходимый для выхода с орбиты Земли, что существенно упрощает расчеты.

Для имитации перемещения аппарата использовалась упрощенная модель, известная как ограниченная круговая задача трех тел, в которой рассматривались только Земля, Луна и космический аппарат, масса которого считается незначительной. В этой системе ключевую роль играют орбиты Ляпунова, расположенные вокруг точки L1. Эти орбиты характеризуются нестабильностью, но вокруг них существуют естественные гравитационные пути – входящее и исходящее устойчивые и неустойчивые многообразия. По сути, они представляют собой невидимые космические трассы, позволяющие аппарату перемещаться с минимальным расходом топлива.

Новая методика позволила исследователям смоделировать около 30 миллионов потенциальных маршрутов. Для сравнения, в предыдущих работах анализировалось лишь около 280 тысяч вариантов. Такой объем расчетов позволил выявить неожиданную закономерность: наиболее оптимальные траектории не соответствуют гравитационному коридору, направленному к Земле, а проходят с противоположной стороны — после сближения с Луной.

Неожиданным открытием стало то, что наиболее экономичный с точки зрения расхода топлива маршрут предусматривает близкий пролет мимо Луны перед тем, как войти в область Лагранжа L1. Этот маневр использует гравитационное притяжение для ускорения и снижает необходимое усилие двигателей в критические фазы полета. Исследователи отметили, что полученный результат кажется противоречивым, поскольку более отдаленный путь оказался более выгодным с энергетической точки зрения.

В рамках исследования миссия была структурирована в два этапа. На первом этапе космический аппарат, стартовав с орбиты Земли на высоте 167 километров, переходит в устойчивое сочетание траекторий, направляющее его к области L1. После этого он следует по естественным гравитационным линиям и впоследствии корректирует курс, чтобы достичь Луны через неустойчивое сочетание траекторий.

Для достижения наиболее оптимального пути от Земли до области L1 потребовалось изменение скорости, равное 3342,96 метра в секунду. Это стало возможным благодаря двум точно скоординированным включениям двигателей: первое вывело аппарат с околоземной орбиты, а второе – направило его на расчетную траекторию, зависящую от гравитации Луны. Далее основное движение аппарата обеспечивается гравитационным полем.

Для прохождения всего пути – от старта с Земли до выхода на лунную орбиту – необходимо изменение скорости примерно в 3991,60 метра в секунду, а продолжительность такого маршрута составляет около 32 дней. Этот вариант траектории не самый быстрый, однако он обладает значительными достоинствами. Эксперты отмечают среди них возможность развертывания промежуточных орбит у точки L1, большую гибкость в планировании миссий и потенциально более надежную связь с Землей.

По мнению исследователей, расход топлива на участке пути от точки L1 к Луне практически не может быть снижен еще больше. Наибольший потенциал для оптимизации затрат энергии находится на этапе перелета от Земли к области L1. В целом, предложенная методика позволяет уменьшить суммарные энергетические затраты миссии на 1–2 процента. Для наглядности, если провести аналогию с автомобилем, это эквивалентно экономии нескольких литров топлива на каждые сто километров в ходе продолжительного путешествия.

Авторы также указывают на ограничения, присущие их модели. В ходе расчетов не было учтено воздействие Солнца и других космических объектов, поэтому полученные результаты пока не связаны с конкретными датами старта миссий. В действительности солнечная гравитация способна предоставить более экономичные траектории, но лишь в строго определенные периоды, когда конфигурация небесных тел будет оптимальной.

Ученые отмечают, что ключевым результатом работы стало не только определение нового пути к Луне, но и разработка вычислительной системы, которая может анализировать десятки миллионов возможных траекторий и выявлять среди них наиболее оптимальные решения для планирования будущих космических полетов.