На вопрос отвечает старший научный сотрудник Политехнического музея Павел Гайдук.

###SLIDER-photo
$image 241009 летим к солнцу 00.jpg

$slide-end ###

В ответе на вопрос о космическом мусоре я уже затрагивал тему полётов к Солнцу. По законам орбитальной механики, чтобы достичь Солнца напрямую, используя ракетные двигатели на низкой околоземной oрбите, необходимо, чтобы они вместе с запасом топлива могли выдать зажигание на торможение относительно Солнца в 30 километров в секунду (что равно скорости вращения Земли вокруг Солнца). Такой импульс практически осуществим, но смысла в этом нет.

В истории космонавтики были космические аппараты, которые приближались к светилу на рекордно малые расстояния. А одну из самых эффективных траекторий полёта к Солнцу в рамках небесной механики предложил наш соотечественник.

С предварительным удалением

Ари Абрамович Штернфельд — один из основоположников и пионеров космонавтики, признанный позже своих коллег, например Циолковского. В Политехническом музее хранится архив документов, связанных с учёным; до закрытия музея на реконструкцию в отделе космонавтики был доступен к посещению его мемориальный кабинет.

Одна из самых интересных работ Штернфельда (а их очень много) называется «К солнцу… К Солнцу с предварительным удалением». Она датируется 1972 годом. Учёный описывает и рассчитывает баллистику полёта космического аппарата к Солнцу с предварительным удалением от него и показывает, что с точки зрения скорости, которую надо передать аппарату (и, следовательно, с точки зрения затрат топлива) такая траектория может быть эффективной! При определённом соотношении радиусов, когда удаление от Солнца является максимальным, выгода составляет практически 15 километров в секунду.

###SLIDER-photo
$image 241009 летим к солнцу 01.jpg

$source Иллюстрация к статье Штернфельда от 8 сентября 1972 года
$slide-end ###

Биэллиптический переход

Ранее я отвечал на вопрос «почему отечественные корабли долетают на МКС всего за три часа, а зарубежные — за сутки?» и писал, что для прыжка с круговой орбиты с высотой в 200 километров над уровнем моря до круговой орбиты с высотой в 400 километров космическому кораблю необходимо выполнить два зажигания двигателя. Такой переход называют гомановским манёвром (в честь учёного, описавшего его в 1925 году).

###SLIDER-photo
$image 241009 летим к солнцу 02.jpg

$source Схема гомановского перехода
$slide-end ###

Двухимпульсный переход является минимальным и достаточным в поле тяготения одного небесного тела (на таких высотах над Землёй влияние Луны минимально и не учитывается даже в точнейших расчётах). Под цифрой 2 обозначена та самая гомановская переходная эллиптическая орбита, по которой летит аппарат между двумя зажиганиями двигателя.

Задолго до своей работы о полётах к Солнцу, в 1934 году, Штернфельд предложил альтернативную схему перехода между двумя круговыми орбитами, которую позднее назвали биэллиптическим переходом. Его схема ниже:

###SLIDER-photo
$image 241009 летим к солнцу 03.jpg

$source Биэллиптический переход между круговыми орбитами 1 и 3, предложенный Штернфельдом. 2 — промежуточная биэллиптическая орбита
$slide-end ###

Вместо гомановского перехода выдаётся первый импульс такой мощности, чтобы перейти на вытянутую промежуточную эллиптическую орбиту под номером 2. Далее, в апогее — самой удалённой точке — орбиты 2, следует небольшой ускоряющий импульс, чтобы перейти на орбиту, обозначенную оранжевой пунктирной линией. В точке 3 выдаётся тормозной импульс, скругляющий орбиту. Переход завершён. Но какой ценой?

Для перехода с низкой круговой орбиты радиуса r0 = 6700 км вокруг Земли на новую круговую орбиту радиуса r1 = 93 800 км при использовании гомановской траектории потребуется Δv равное 2825,02 + 1308,70 = 4133,72 м/с.

Согласно расчётам, аналогичным тем, что были приведены Штернфельдом в 1934 году, при увеличении «вытянутости» промежуточной орбиты уменьшается количество скорости, необходимое для совершения такого перехода. Для конкретных радиусов r0 = 6700 км и r1 = 93 800 км он составляет чуть более чем 2%.

Основной же минус — во времени перелёта. Сам Штернфельд писал, что такие перелёты будут в 20–30 или более раз дольше, чем аналогичные гомановские манёвры. И кажется, что практическая ценность работы сомнительна. Но это не так.

Возвращаемся к Солнцу после долгого «перелёта»

Когда идёт речь о полётах к Солнцу, мы говорим о временных промежутках, которые исчисляются годами. Экономия биэллиптической орбиты в том случае, если нам нужно совершить этот полёт как можно быстрее, очевидна. На практике же использовались другие способы.

Запущенная NASA в 2018 году автоматическая станция Parker Solar Probe является самым близко подошедшим к Солнцу искусственным объектом в истории человечества. Однако вместо манёвра Штернфельда её приближали к светилу серией гравитационных манёвров (надеюсь, мне представится возможность рассказать и об их физической сути).

###SLIDER-photo
$image 241009 летим к солнцу 05.gif

$source Анимация движения Parker Solar Probe. Синяя и голубые линии — орбиты Земли и Венеры соответственно
$slide-end ###

Такая схема была выбрана для того, чтобы АМС могла собрать больше данных, постепенно, с каждым годом-витком сближаясь с Солнцем. При биэллиптическом же манёвре станция после полёта к, условно, Юпитеру максимально бы сблизилась с Солнцем, и таких последовательных «подлётов» бы не было.

Но использование биэллиптики в истории космонавтики всё-таки было.

Единственный случай

Запущенный ракетой-носителем «Протон-К» в конце 1997 года спутник AsiaSat-3 должен был занять своё место на геостационарной орбите с точкой стояния над 105,5° восточной долготы, но произошёл отказ в работе разгонного блока ракеты, который должен был обеспечить довыведение спутника на целевую круговую орбиту в 36 000 километров над уровнем моря.

Было проще несколько раз повысить апогей спутника с 36 000 до 380 000 километров, сделать два гравитационных манёвра у Луны и после этого выйти на целевую круговую орбиту в 36 000 километров, правда, с другой точкой стояния.

###SLIDER-photo
$image 241009 летим к солнцу 06.gif

$source Анимация, демонстрирующая траекторию спутника AsiaSat-3
$slide-end ###

Это можно по праву считать первым (и пока единственным) случаем, когда биэллиптический переход использовался на практике, вместе с другим интересным и неочевидным явлением звездоплавания — гравманёвром. AsiaSat-3 стал первым коммерческим аппаратом, совершившим пролёт Луны, и первым же, сделавшим это дважды.

Подобный переход можно использовать, масштабируя, для достижения Солнца. И использовать для этих целей вместо Луны Юпитер. Однако, несмотря на энергетическую эффективность, космических аппаратов с такой полётной схемой пока ещё не запускали. Но с большой долей вероятности используют в будущем.

Если у вас тоже есть вопросы, связанные с устройством мира или человека, вы можете задать их в комментариях или в письме по адресу question@polytech.one

Как в Солнечной системе долететь до Солнца?