В финале фильма «Интерстеллар» кораблю «Эндюранс» не хватает топлива для перелёта к третьей планете, расположенной на орбите Гаргантюа. И «Эндюранс» вынужден пролететь у самого горизонта событий, разгоняясь тем самым до нужной скорости. Уверяем вас, это — не фантастика, а обычный межпланетный лайфхак: использование притяжения других небесных тел для того, чтобы не тратить горючее и попасть в другую точку космоса. Этим лайфхаком человечество пользуется уже почти 60 лет. Как же это работает?

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №12(28). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

В представлении многих полёт к другим планетам — это очень просто: нужно включить двигатели и отправиться по кратчайшему маршруту, например, на Сатурн. Люди поопытнее понимают, что Земля движется по орбите вокруг Солнца, также по орбите вокруг Солнца движется Сатурн, и при полёте нужно учитывать эти движения планет. Всё так, но в действительности ещё сложнее. Давайте рассмотрим возможные варианты и попробуем сэкономить дорогое топливо. Ведь грузоподъёмность ракет-носителей ограничена: чем меньше у нас будет топлива с собой, тем больше придётся на полезную нагрузку — например, на научные приборы.

Допустим, мы отправляем миссию на Сатурн. Фактически нам нужно перевести аппарат с орбиты Земли на орбиту Сатурна. Быстрее всего будет отправить наш аппарат с третьей космической скоростью (больше 16,5 километров в секунду), достаточной для того, чтобы улететь навсегда из Солнечной системы. В результате зонд отправится по гиперболической траектории, среди возможных орбит — эллиптическая, параболическая, гиперболическая (она показана синим цветом). Потом нам придётся затормозить, чтобы Сатурн захватил нас своей гравитацией. И снова в расход пойдёт топливо.

Понятно, что такой путь очень энергозатратен. Поэтому ещё в 1925 году Вальтер Гоман в своей книге Die Erreichbarkeit der Himmelskörper («Доступность небесных тел») предложил более экономный вариант перелёта с низкой орбиты на более высокую. Этот вариант получил название гомановская траектория. 

Здесь не нужно так разгоняться, достаточно вывести аппарат на эллиптическую орбиту, перицентр (в нашем случае ближайший к Солнцу участок орбиты) которой находится около Земли, а апоцентр (самый далёкий участок) — в окрестностях Сатурна. В таком случае мы получаем так называемую гомановскую траекторию перелёта, которая требует два мощных импульса. Она более медленная, чем гиперболическая траектория, но более экономная. Но всё-таки и этого мало.

Ещё давно специалисты поняли, что в нашем распоряжении есть мощнейшие ускорители, которые могут разгонять космические аппараты, добавляя к их скорости десятки километров в секунду без затрат топлива, при этом ещё и добавляя научной ценности долгой космической экспедиции.

Итак, мы всё ещё летим к Сатурну. Перед нами — большой и массивный Юпитер. Если мы пересечём нашим небольшим, в сравнении с планетой-гигантом, аппаратом его орбиту в непосредственной близости от Юпитера, но «за» ним (то есть, Юпитер сначала проходит перед аппаратом, а затем мы пересекаем его орбиту), тогда для системы отсчёта, связанной с Солнцем, Юпитер своим тяготением увлечёт нас за собой, изменив нашу траекторию и — одновременно — «накинув» нам скорости. Расчёты показывают, что у Юпитера можно ускориться на 42 с лишним километра в секунду — это максимум. Точно так же при помощи пращи мы можем бросить камень дальше, чем просто рукой.

Если же мы пройдём «перед» планетой, тогда наша скорость относительно Солнца замедлится. Таким образом, «прыгая» от планеты к планете, мы можем «бесплатно» ускоряться и замедляться. Но именно поэтому траектории полётов современных станций очень сложны, а окна для старта весьма узки — нам нужно успеть к необходимой конфигурации планет в пространстве.

Любопытно, что эти «лайфхаки» начали использовать уже на третьем году космической эры. В октябре 1959 года станция «Луна-3», впервые в мире сфотографировавшая обратную сторону нашего спутника, совершила гравитационный манёвр у Луны для того, чтобы направиться потом обратно к Земле и пролететь над Северным полушарием для передачи сигнала советским станциям слежения.

При полётах к Венере и Марсу гравитационные манёвры не используются — это ближайшие к нам планеты. Согласитесь, странно было бы лететь к Юпитеру, чтобы прилететь на Марс. Так в 1974 году зонд Mariner-10 впервые применил гравитационный манёвр при полёте к другой планете: совершив гравитационный манёвр у Венеры, он отправился к Меркурию.

Три года спустя космический «путешественник» — зонд NASA Voyager-1 — отправился к Юпитеру и Сатурну, совершив два гравитационных манёвра около этих планет. Он разогнался до 17 километров в секунду, став самым быстрым космическим аппаратом в истории.

Часто аппараты используют несколько гравитационных манёвров. Знаменитый зонд Cassini сначала летел «в обратную сторону». Он, чтобы достичь Сатурна (помните, с чего мы начали наш рассказ?), отправился к Венере, совершил два (!) гравитационных манёвра в её поле тяготения: один – в земном и ещё один – в гравитационном поле Юпитера.

Galileo Probe

В 2004 году в использовании гравитационных манёвров наступила новая эпоха – в космос отправилась первая станция, вышедшая на орбиту Меркурия – зонд NASA MESSENGER. Чтобы сбросить скорость он совершил шесть гравитационных манёвров – один у Земли, два у Венеры и три у Меркурия. А в следующем году должна стартовать миссия Parker Solar Probe. За шесть лет полёта она должна совершить шесть гравитационных манёвров около Венеры для того, чтобы приблизиться к нашей звезде на максимально близкое расстояние – 8,5 радиусов Солнца (меньше 6 миллионов километров).

Так что для «автостопа по Солнечной системе» набор лайфхаков у специалистов по баллистике уже достаточно широк. Теперь слово за межзвёздными перелётами, но там будет совсем другая космонавтика.