Сколько лететь до Марса и какая траектория лучше а также о радиации во время полёта и на поверхности

Отправить ракету с Земли на Марс по прямой невозможно. Объясняем, в чем причина, сколько лететь до Марса, какая траектория больше подходит и что на это влияет

Как двигается Марс на нашем небе начали изучать 3,5 тыс. лет назад в Древнем Египте, но только с развитием технологий ученые получили реальное представление о планете. Сейчас мы знаем, что на ней есть лед, атмосфера и даже органические вещества. Все это делает Марс потенциальным кандидатом на роль будущей колонии для человечества. Но помимо технических трудностей отправки людей на Красную планету есть еще одна проблема — расстояние.

Сколько лететь до Марса от Земли: расстояние
Марс — это четвертая по удаленности от Солнца планета и «соседка» Земли. Среднее расстояние между Землей и Марсом составляет 225 млн км. Но это значение постоянно меняется в силу нескольких причин:

обе планеты вращаются вокруг Солнца по эллипсоидной орбите;
орбиты Марса и Земли наклонены по отношению друг к другу.
Ближе всего друг к другу Марс и Земля будут находиться в тот момент, когда Красная планета окажется в ближайшей к Солнцу точке орбиты (перигелий), а Земля — в наиболее удаленной точке (афелий). В момент этого максимального сближения — в положении оппозиции — дистанция между ними составит 54,6 млн км. Когда планеты находятся по разные стороны от Солнца, расстояние между ними — около 401 млн км.

Периоды, когда Земля догоняет Марс и планеты выстраиваются в одну линию, происходят каждые 26 месяцев. Этот момент астрономы называют «оппозицией Марса», потому что Красная планета и Солнце находятся на противоположных концах неба. По данным NASA, 12 января 2025 года дистанция между Землей и Марсом юыла равна 96 млн км, 20 февраля 2027 года — 101,4 млн км, а 29 марта 2029-го — 96,8 млн км.

Марс и Земля кружат вокруг Солнца по эллипсоидным троекотиям, и один раз в 15–17 лет планеты встречаются на расстоянии менее 60 млн км. Например, в 2003 году расстояние между Марсом и Землей составляло 56 млн км. Это явление ученые назвали «великим противостоянием Земли и Марса». Противостояние Марса — событие, когда Солнце, Земля и Марс по ходу движения по своим орбитам располагаются по прямой линии.

Сколько лететь до Марса по времени
По расчетам профессора физики Крейга Паттена из Калифорнийского университета в Сан-Диего, путь до Марса займет около 270 дней (или девяти месяцев) в период оппозиции Марса. Столько же времени нужно, чтобы вернуться обратно.

Сложности вычисления
Марс и Земля постоянно движутся по своим орбитам, поэтому отправить ракету или корабль по прямой невозможно. Главную роль в вычислении оптимального времени для старта космического аппарата играет выбранная траектория полета.

Как рассказал научный сотрудник отдела физики планет и малых тел Солнечной системы ИКИ РАН Александр Трохимовский, в современных миссиях используется эллиптическая траектория: ракета с Земли как бы догоняет Марс. Эллиптическая (гомановская) траектория названа в честь немецкого ученого Вальтера Гомана, в 1925 году описавшего ее. При этом варианте полет к Марсу длится от 150 до 260 дней. Аппарат запускается со второй космической скоростью, от 11,2 до 12 км/с, в период, когда Земля догоняет Марс и планеты выстраиваются в одну линию — раз в 26 месяцев.

Существуют и другие траектории: параболическая и гиперболическая. При параболической траектории космический аппарат стартует с Земли с третьей космической скоростью — 16,65 км/с. При гиперболической корабль отправится на Красную планету со скоростью выше третьей космической. По словам Александра Трохимовского, эти траектории позволяют добраться быстрее, но требуется намного больше топлива как при взлете, так и для торможения — выхода на орбиту вокруг Марса.

Подобный манёвр сможет сделать только ядерный буксир «Зевс», который сейчас строится, он сможет разогнаться до 3-й космической и долететь до Марса за 45 дней.

Ученый Ноам Изенберг из Университета Джонса Хопкинса в 2020 году предложил альтернативу классическому сценарию полета на Марс — использовать гравитацию другого массивного небесного тела. По пути к Красной планете или обратно космическому кораблю предлагается пройти рядом с Венерой. Пролетая мимо, экипаж сможет использовать гравитацию Венеры для ускорения или изменения курса корабля. Такой гравитационный маневр позволит не только сократить время миссии, но и уменьшить ее стоимость. Технология гравитационного маневра существует не первый год. К примеру, аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2» совершали гравитационные маневры у Юпитера и Сатурна. В ноябре к Меркурию прилетает аппарат «Бури Коломбо», он дважды совершал гравитационный манёвр вокруг Венеры.

Сокращение времени полета
Космос — враждебная среда для человека. Поэтому ученые ищут способы сократить время полета на Марс. Например, в NASA планируют построить ракету с ядерным двигателем, которая сможет доставить человека на Марс всего за 45 дней при эллиптической траектории.

В современной космонавтике используются химические ракетные двигатели. Из них наибольшим удельным импульсом обладают жидкостные. Такая двигательная установка состоит из раздельных баков с жидкими окислителем и горючим, камеры сгорания и центробежных насосов для подачи в нее горючего.

Ядерные же ракетные двигатели будут создавать тягу благодаря ядерной энергии. Тепло, полученное после распада радиоактивных веществ, планируется использовать для нагрева жидкого водорода. А чтобы избежать риска аварии при запуске, реактор будут включать только после выхода на орбиту. Появление ядерных ракет позволит решить ряд ключевых проблем. Во-первых, они смогут развивать высокие скорости, что позволит сократить время путешествия на Марс с девяти месяцев до шести недель во время противостояния.
Во-вторых, конструкция нуждается в меньшем объеме топлива. Освобожденное место можно использовать для загрузки дополнительного оборудования.
В-третьих, по прибытии на Красную планету космонавты смогут применять реактор в качестве источника энергии.

Чтобы реализовать эту идею, NASA объединило усилия с Управлением перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США, военно-промышленной корпорацией Lockheed Martin и компанией BWX Technologies. Рабочий прототип должен был быть готов к 2025 году, но воз и ныне там...

Перспективные миссии на Марс
Первые космические аппараты отправились изучать Марс в 1960-х годах. За это время 50 космических объектов пытались выйти на орбиту или совершить мягкую посадку на поверхность планеты. Но не все миссии завершились успешно.

В 2020 году — во время очередного сближения двух планет — на Марс отправились миссии сразу нескольких стран: Китая, США и ОАЭ. Всем космическим аппаратам удалось достичь поставленных целей.

Космический аппарат ОАЭ под названием «Аль-Амаль» изучает атмосферу, изменение погоды в разных местах Марса и ищет связь между нынешним и древним климатом планеты.
Планетоход Perseverance оказался на поверхности Марса 18 февраля 2021 года. На его борту были закреплены устройство для получения кислорода из атмосферы Красной планеты и беспилотный вертолет Ingenuity.NASA

Китайский марсоход «Чжужун» совершил мягкую посадку на планете 15 мая 2021 года. Марсоход искал признаки жизни на Марсе. В 2022 году марсоход перешел в спящий режим, проработав 358 дней из которого так и не смог выйти.

Миссия НАСА по возврату образцов с Марса находится в подвешенном состоянии, финансирование почти прекращено, несмотря на это трудяга марсоход «Персеверанс» продолжает их собирать и консервировать в свои контейнеры-пробирки, но зато Китай твёрдо намеривается запустить свой аппарат за марсианским грунтом в 2028 году, где по плану небольшой вертолёт их будет собирать в радиусе 100 метров, а на самой посадочной платформе будет бурильная установка, которая возьмёт пробы с глубины не менее 3-х м.

В ближайшем будущем на Марс могут отправиться и люди. Над достижением этой цели работают не только правительственные организации всех стран, но и частные корпорации. Например, создать колонию на Марсе стремится основатель SpaceX Илон Маск. Миллиардер считает, что достичь этой цели можно к 2028 году, а к 2033-му такой сценарий еще вероятнее.

Время полета. С нынешней ракетной технологией путь до Марса и обратно займет около 21 месяца, причем космонавтам придется ждать около трех месяцев на Марсе, чтобы обе планеты оказались в позициях, необходимых для возвращения. Таким образом, космонавты будут долгое время находиться в замкнутом пространстве без гравитации и с прерывающейся связью с Землей. Такие условия требуют от экипажа особой физической и психологической подготовки.

Межпланетная миссия такого масштаба, вероятно, станет одной из самых дорогих и сложных инженерных задач

Главное препятствие для пилотируемых миссий — космическая радиация. Пока корабль находится рядом с Землей, магнитное поле и атмосфера планеты защищают экипаж от воздействия галактических космических лучей — энергетических частиц, которые перемещаются со скоростью, близкой к скорости света, и проникают в человеческое тело.
Второй источник космической радиации — солнечные космические лучи. Также зафиксирован высокий уровень радиации и на поверхности самой Красной планеты. Чтобы космонавты смогли находиться на Марсе долгое время, нужны специальные скафандры и многое другое.

На марсоходах Кьюриосити и Персеверанс во время их перелёта к Марсу были включены датчики регистрирующие космическую и солнечную радиацию.

Расчёты показывают что если человек будет находится в корабле сопоставимому с модулем на МКС то получит дозу радиации за 500 дней полёта туда/сюда сопоставимую с дозой которую получает командир авиалайнера за 10 лет полётов. В принципе это приемлемая доза для полёта на Марс один раз в жизни, но в любом случае радиационная защита марсианского корабля должна быть усилена.

В идеале марсианский корабль должен быть как матрёшка, состоять из различных слоёв, где один из них должен быть из воды, это самый лучший поглотитель радиации, все, наверное, видели, как на реакторах на АЭС всегда присутствует слой воды.

По данным, опубликованным в 2021 году, средняя измеренная доза радиации на поверхности Марса во время солнечного максимума — 210 микрогрей в сутки. Тут надо понимать, что этот уровень показан, если вы без скафандра. Ещё надо учитывать, что марсонавты большую часть времени будут находиться в корабле, а это более сильная защита от радиации, и лишь периодически выходить на поверхность на 2–3 часа.

На уровень радиации влияет солнечная активность, время суток и рельеф местности
Время суток: днём облучение чуть выше из-за нагретой солнцем атмосферы, которая расширяется и снижает свою плотность.
Время года: самая высокая плотность атмосферы наблюдается дважды в год — в начале лета в каждом полушарии. В это время среднесуточная доза падает примерно на 20%.

Рельеф: у гор и холмов доза также снижается примерно на 5% из-за того, что рельеф оказывает дополнительное экранирующее воздействие.

Сейчас во всём мире идёт целый ряд исследований по разным направлениям для борьбы с космической и солнечной радиациями, всё это со временем нам позволит изучать относительно безопасно космические пространство:

--- Регенеративная медицина (биоинженерия)
--- Низко дозированная радиаадаптация.
--- Использование дейтерированных органических соединений.
--- Биостаз (замедление всех жизненно важных процессов в организме).
--- Анабиоз (гибернация -- длительный сон во время полёта)
--- Создание электромагнитного поля вокруг корабля
--- Пассивные защитные материалы (вода, металлы, пластмассы и пр.)
--- Резистентность (отбор по генетическому не восприятию к радиации)

Сочетание всех этих технологий поможет нам достигнуть в ближайшие годы Марса!

#ответы