Ера комерційного та державного освоєння космосу вимагає радикального зниження вартості польотів. Одним із найдорожчих елементів будь-якої космічної місії залишається паливо: що більше його потрібно для маневрів, то важчою має бути ракета на старті, що створює замкнене інженерне коло. Проте міжнародна команда дослідників здійснила важливий прорив, виявивши новий, раніше невідомий і суттєво дешевший шлях між орбітами Землі та Місяця. Як з’ясував T4.com.ua, цей «потайний» маршрут дозволяє апаратам максимально ефективно використовувати безкоштовну гравітаційну тягу космічних тіл.
Теорія функціональних зв’язків: як розрахувати 30 мільйонів орбіт
Традиційні траєкторії польоту до супутника Землі (на кшталт тих, якими літали астронавти місій Apollo) розраховуються за принципом прямого кидка і вимагають значних енергетичних витрат для гальмування та виходу на місячну орбіту. Пошук альтернативних, низькоенергетичних траєкторій — це надзвичайно складне завдання, оскільки математичне моделювання взаємодії гравітаційних полів потребує колосальних обчислювальних потужностей.
Щоб розв’язати цю проблему, вчені застосували передовий математичний підхід — теорію функціональних зв’язків (Theory of Functional Connections). Цей метод дозволяє оптимізувати складні математичні моделі та суттєво знизити навантаження на комп’ютерні процесори під час симуляцій. Завдяки цьому проривному алгоритму астрофізики змогли проаналізувати та порівняти понад 30 мільйонів потенційних варіантів траєкторій космічних польотів.
Прихований маневр: зайди з протилежного боку
У класичній космонавтиці для виходу на навколомісячну орбіту використовується так звана варіата — природна траєкторія, що веде до супутника під дією його сили тяжіння. Зазвичай космічні апарати входять у цю зону з найближчого до Землі боку.
Проте комп’ютерне моделювання показало, що найдешевший шлях насправді був «прихований» з іншого боку місячного диска. Вчені виявили, що якщо апарат огинає систему та входить у місячну варіату з протилежного (зворотного) боку Місяця, він отримує набагато більше «безкоштовного» гравітаційного прискорення.
Цей новий маршрут дозволяє зменшити споживання палива на 58,80 метра за секунду (м/с) характеристики delta-v (зміни швидкості) порівняно з усіма відомими до цього часу найекономнішими траєкторіями. У масштабах космічних запусків, де кожен заощаджений грам палива на орбіті вираховується за «формулою ціни золота» на етапі старту ракети з Землі, такий показник є надзвичайно вагомим.
«Систематичний аналіз, який ми застосували у своїй роботі, — це те, що в майбутньому можна буде впроваджувати набагато ширше для планування міжпланетних місій», — зазначають автори дослідження у своїй публікації в науковому журналі Astrodynamics.
Наразі розроблена модель враховувала гравітаційну взаємодію лише двох тіл — Землі та Місяця. У майбутньому вчені планують додати до розрахунків третю потужну силу — гравітаційне поле Сонця, що, за їхніми прогнозами, дозволить знайти ще більш вигідні та дешеві траєкторії польотів.
Секрети природи та досконалість форм
Всесвіт влаштований напрочуд гармонійно, і пошук оптимальних гравітаційних шляхів у космічному вакуумі доводить, що за допомогою точних інструментів ми здатні знаходити прості й геніальні відповіді на найскладніші виклики. Сьогодні технологічний геній людини все частіше переписує закони минулого, втілюючи в життя те, що раніше здавалося неможливим не лише в космонавтиці, а й у біології — нагадаємо, раніше ми писали про те, що маючи зріст 3,6 метра і вага 230 кг: вчені знайшли спосіб повернути до життя гігантського птаха.
Прагнення оптимізувати ресурси та розгадати таємниці матеріального світу штовхає науку не лише до розрахунку економних орбіт, а й до оцінки колосальних багатств, які блукають у глибокому космосі та здатні змінити звичний устрій нашої цивілізації: згадаємо наш матеріал про об’єкт, який здатний обвалити світову економіку: астрономи розкрили, скільки насправді коштує гігантський астероїд Психея. Кожне подібне відкриття розмиває межі між науковою фантастикою та реальністю, доводячи, що точні математичні розрахунки є головним ключем до освоєння таємниць як нашої планети, так і неосяжного Всесвіту.
Під час написання статті використовувалися наступні джерела: Space.com, оригінальна наукова стаття команди під керівництвом Аллана Кардека де Алмейда Жуніора в журналі Astrodynamics (Springer), прес-релізи Університету Коїмбри та офіційні матеріали NASA з розрахунку низькоенергетичних траєкторій (Low-Energy Transfers).
Підписуйся на наш Telegram-канал