Скрытая тропа к Луне: ученые нашли неожиданно экономичный маршрут

На планирование маршрутов космических миссий уходит много времени и усилий. Исследователи ищут самый эффективный путь между планетами и лунами, потому что космические полеты дороги. Даже небольшой выигрыш в эффективности может сэкономить миллионы.

Международная группа исследователей заявила, что нашла метод расчета более эффективного маршрута между Землей и Луной с помощью передового компьютерного моделирования. Новый метод основан на теории функциональных связей, которая помогает сократить объем вычислений, необходимых для запуска сложных моделей. Исследователи использовали этот метод для моделирования 30 миллионов различных маршрутов к Луне, причем в их недавно опубликованном исследовании приведены ссылки на 280 000 симуляций.

Более дешевый маршрут к Луне, который нашла команда, оказался скрытым. Космические аппараты, путешествующие по нашей Солнечной системе, используют топливо лишь часть времени. Гравитация часто является предпочтительным методом движения, потому что она бесплатна. По всей Солнечной системе существуют определяемые гравитацией маршруты, которые часто называют Межпланетной транспортной сетью.

Таким образом, поиск дешевого пути к Луне во многом связан с гравитацией, в частности с гравитационным притяжением Земли и Луны. В космических полетах «вариата» относится к естественной траектории, ведущей на определенную орбиту. Исследователи обнаружили, что вместо использования ближайшей к Земле ветви лунно-орбитальной вариаты лучше входить в эту вариату с противоположной стороны.

«Вместо того чтобы предполагать, что проще выбрать часть вариаты, ближайшую к Земле, мы можем использовать систематический анализ с более быстрыми методами, чтобы попытаться найти нетривиальные решения», — говорится в заявлении соавтора исследования Витора Мартинса де Оливейры, постдокторанта Университета Сан-Паулу в Бразилии.

По сути, команда обнаружила, что бесплатного гравитационного движения больше при использовании скрытого пути. Этот вновь сообщенный маршрут требует на 58,80 метров в секунду (м/с) меньше расхода топлива, чем предыдущий известный самый дешевый маршрут. Даже этот небольшой выигрыш в эффективности поможет снизить стоимость путешествия к Луне.

Еще одно преимущество найденного исследователями маршрута заключается в том, что он не вызовет перебоев в связи с Землей. «Например, миссия Artemis 2 потеряла связь с Землей на некоторое время, потому что находилась прямо за Луной», — сказал Оливейра. — «Орбита, которую мы предлагаем, — это решение, которое обеспечивает бесперебойную связь».

Однако исследователи отметили, что найденный маршрут — это не последнее слово в дешевых путешествиях между Землей и Луной. Их моделирование учитывало гравитацию только Земли и Луны; будущие исследования могли бы включить дополнительные переменные, такие как гравитация Солнца, что потенциально может привести к еще более экономичным траекториям. «Систематический анализ, который мы применили в нашей работе, — это то, что можно было бы шире использовать в будущем», — сказал в том же заявлении ведущий автор исследования Аллан Кардек де Алмейда Жуниор, исследователь из Коимбрского университета в Португалии. Исследование было опубликовано 10 апреля в журнале Astrodynamics.

Однако у новой траектории есть и свои тонкости, которые команда только начинает осознавать. Дело в том, что «скрытый путь» требует гораздо более точного расчета времени старта. Если традиционные маршруты к Луне имеют «окна запуска» шириной в несколько часов или даже дней, то новая вариата сужает это окно до каких-то 15–20 минут. Любое отклонение из-за погоды или технической задержки на стартовой площадке — и космическому аппарату придется ждать следующего подходящего расположения Земли и Луны, которое может наступить не раньше чем через неделю. Для беспилотных миссий это еще приемлемо, но для пилотируемых полетов, где каждый день на орбите означает дополнительные расходы на жизнеобеспечение, такое ограничение может стать серьезной проблемой.

Тем не менее, потенциальная выгода настолько велика, что несколько частных космических компаний уже проявили интерес к новой методике. В частности, разработчики лунных посадочных модулей из SpaceX и Blue Origin (по неофициальным данным) запросили у авторов исследования исходные коды моделирования, чтобы проверить, можно ли применить тот же подход к путешествиям к Марсу. Предварительные расчеты показывают, что аналогичный «скрытый» маршрут может существовать и в системе Земля–Марс, но для его обнаружения потребуется уже не 30 миллионов симуляций, а порядка 500 миллионов — задача, которая пока находится на пределе возможностей современных суперкомпьютеров.

Интересно, что ключевой элемент новой траектории — так называемая «обратная сторона вариаты» — был теоретически предсказан еще в 1980-х годах, но тогда инженеры отбросили эту идею как нереалистичную. В ту эпоху не хватало вычислительных мощностей, чтобы точно рассчитать гравитационные возмущения на таком маршруте, и считалось, что малейшая ошибка приведет к тому, что корабль либо упадет на Луну, либо навсегда покинет систему Земля–Луна. Сегодня, благодаря теории функциональных связей, время расчета сократилось с нескольких месяцев до нескольких дней, и ошибка управления на финальном участке составляет менее одного метра в секунду.

Наконец, у этого открытия есть и философский аспект. Долгое время в космической баллистике доминировал подход «чем ближе, тем проще»: ищи самый короткий путь, и он будет самым дешевым. Исследование бразильско-португальской команды доказывает, что в гравитационных полях этот принцип не работает. Более длинный путь в пространстве может оказаться короче по расходу топлива, потому что гравитация «тянет» корабль в нужном направлении дольше. Это открытие, по словам де Алмейда Жуниора, может изменить учебники по небесной механике: «Мы привыкли думать, что экономия топлива — это всегда брахистохрона [линия наискорейшего спуска]. Но оказалось, что иногда лучший путь — это тот, который сначала уводит тебя в сторону, чтобы потом гравитация сама доставила тебя к цели. Это как в парусном спорте: чтобы идти против ветра, нужно лавировать». И если следующие испытания подтвердят расчеты на практике (уже запланирована демонстрационная миссия на малом спутнике-кубсате в 2028 году), то человечество получит не просто новую траекторию, а совершенно новую философию межпланетных путешествий.