Математика помогла найти самый эффективный маршрут к Луне

Как попасть на Луну быстрее всего?

Будущее исследование Луны предусматривает многочисленные пилотируемые и беспилотные запуски, что является критически важным для транспортировки материалов и инструментов. В этом контексте точка Лагранжа L1, расположена между Землей и Луной, становится идеальным транзитным узлом благодаря своим уникальным динамическим свойствам. Международная группа ученых из университетов Португалии, Франции и Бразилии опубликовала результаты исследования, демонстрирующие новую технику оптимизации космических перелетов, пишет Phys.org.

Смотрите также Artemis 3 готовят к запуску: NASA показало, как собирает гигантскую ракету

В основе разработки лежит теория функциональных связей (TFC), которая позволяет значительно снизить вычислительные затраты при моделировании космических путешествий. Это позволило ученым проанализировать более 30 миллионов различных траекторий, тогда как предыдущие исследования ограничивались примерно 280 000 симуляций.

Когда речь идет о космических путешествиях, каждый метр в секунду эквивалентен огромному потреблению топлива, 
– прокомментировал Аллан Кардек де Алмейда-младший, исследователь из Университета Коимбры и ведущий автор исследования.

Предложенный в исследовании в Astrodynamics маршрут предусматривает разделение путешествия на два этапа. Сначала аппарат покидает земную орбиту и выходит на орбиту вокруг точки Лагранжа L1. На этом этапе корабль движется по вариативной траектории – естественному маршруту, ведущему к указанной орбите.

Интересно, что вопреки традиционным моделям, которые предлагают входить в этот поток со стороны Земли, симуляции показали выгодность другого подхода. Наиболее экономный путь пролегает ближе к Луне с последующим входом в поток с противоположной стороны.

Витор Мартинс де Оливейра, постдокторант Института математики, статистики и компьютерных наук (IME) при USP и соавтор исследования, объяснил: "Вместо того, чтобы считать, что проще выбрать ту часть случайной величины, которая ближе всего к Земле, мы можем применить систематический анализ с использованием более быстрых методов, чтобы попытаться найти нетривиальные решения".

Результаты расчетов впечатляют: новый маршрут требует в разы меньше топлива, что в итоге существенно влияет на полезную нагрузку и стоимость миссии.

Кроме финансовой выгоды, предложенная траектория решает проблему связи. Находясь на орбите вокруг точки L1, аппарат может оставаться там сколько угодно, сохраняя непрерывный контакт как с Землей, так и с Луной.

Миссия Artemis 2, например, на некоторое время потеряла связь с Землей, поскольку находилась непосредственно за Луной. Орбита, которую мы предлагаем, является решением, что поддерживает непрерывную связь, 
– подчеркнул Витор Мартинс де Оливейра.

Исследователи отмечают, что их модель учитывала только гравитацию Земли и Луны. Если добавить в уравнение влияние Солнца, можно достичь еще большей экономии, однако это ограничит окна запуска конкретными датами.

Нужно будет запустить симуляцию для конкретного положения Солнца. Например, если мы моделируем дату запуска миссии как 23 декабря, мы получим результаты, действительны только для миссии, запущенной в этот день, 
– заметил Аллан Кардек де Алмейда-младший.

Однако разработанный метод позволяет быстро проводить такие расчеты для любой выбранной даты, что делает его универсальным инструментом для будущих космических программ.

Вам также будет интересно узнать: какие у человечества планы на Луну

После десятилетий относительного затишья Луна снова стала главной целью мировой космонавтики. США, Китай, Европа, Япония, Индия и частные компании вроде SpaceX и Blue Origin рассматривают спутник Земли уже не как символ престижа, а как стратегический объект для науки, технологий и будущих полетов в глубокий космос.

Основным западным проектом остается программа Artemis, которую реализует NASA. Ее главная цель – возвращение людей на Луну и создание постоянного присутствия на ее поверхности. Речь идет уже не о коротких высадках, как во времена Apollo, а о долговременных экспедициях, строительство баз, добыча ресурсов и испытания технологий для будущих полетов на Марс.

В рамках Artemis также создается окололунная станция Gateway, которую разрабатывают международные партнеры. Она должна стать своеобразным "космическим портом" возле Луны, пишет Европейское космическое агентство.

Европейское космическое агентство создает жилые модули и системы связи для Gateway. В частности, модуль Lunar I-Hab станет жилым отсеком для астронавтов, а Lunar Link будет обеспечивать связь между станцией, посадочными аппаратами и роверами на поверхности Луны.

Параллельно собственную лунную программу активно развивает Китай. Пекин планирует высадку тайконавтов примерно до 2030 года и создание Международной лунной исследовательской станции вместе с партнерами. Для Китая Луна – это не только наука, но и геополитический статус, технологическая независимость и контроль над будущей космической инфраструктурой.

Особый интерес вызывают ресурсы Луны. Как заметил 24 Канал, чаще всего ученые говорят о водяном льде в полярных кратерах. Его можно превращать в питьевую воду, кислород для дыхания и водород с кислородом для ракетного топлива. Это критически важно для создания постоянных баз. Также ученые изучают возможность использования лунного грунта для печати строительных материалов с помощью 3D-принтеров.

Как расчеты новых эффективных маршрутов к Луне помогут в будущих путешествиях?

Традиционный полет к Луне требует большого количества топлива, поскольку корабль должен активно менять скорость и траекторию. Но современные специалисты все чаще используют так называемые "гравитационные трассы" или низкоэнергетические маршруты. Они позволяют аппарату буквально "скользить" в сложном гравитационном поле Земли, Луны и Солнца.

Такие траектории строятся с использованием точек Лагранжа – особых областей в космосе, где силы притяжения двух больших тел уравновешиваются. Это позволяет космическим аппаратам оставаться там с минимальными затратами топлива.

Особенно важна точка L1 между Землей и Луной, пишет 24 Канал. В этой области гравитация обоих тел создает условия, при которых корабли могут использовать минимум энергии для маневрирования. Поэтому точки Лагранжа считают будущими "транспортными узлами" космической инфраструктуры. Там могут появиться склады горючего, пересадочные станции или научные платформы.

Проблема в том, что такие маршруты обычно длиннее по времени. Если классический полет может длиться несколько дней, то низкоэнергетический маршрут может растянуться на недели или даже месяцы. Но для грузовых миссий это выгодно, потому что позволяет существенно экономить топливо и запускать больше полезной нагрузки.

Почему мы не можем полететь на Луну в любой день?

Хотя Луна постоянно видна на небе, ее положение относительно Земли, Солнца и орбиты космического корабля постоянно меняется. Для полета нужно правильно совместить огромное количество параметров – положение Луны, ориентацию стартовой площадки, освещение места посадки, расход топлива, возможность аварийного возвращения и даже температуру поверхности.

Поэтому космические агентства работают с так называемыми "окнами запуска". Это конкретные временные промежутки, когда траектория будет эффективной и безопасной. Если ракета не стартует в это окно, запуск часто приходится переносить на дни или даже недели.

Например, миссии Artemis должны будут учитывать не только перелет к Луне, но и орбиту станции Gateway, траектории посадочных модулей, освещение полярных районов и возможность возвращения экипажа на Землю, пишет Европейское космическое агентство.

Все это делает полеты к Луне значительно сложнее, чем может казаться с Земли. Спутник постоянно рядом в небе, но добраться до него – это сложная задача небесной механики, где каждый запуск зависит от точных расчетов, гравитации и правильно выбранного момента.