Ғарыш кемесі Плутонға қанша уақытта жетеді?

Ғарыш адамзат алдына күнделікті санаттарға сыйғызу қиын масштабтағы міндеттер қояды. Күн жүйесінің планеталары арасындағы қашықтықтар соншалықты орасан зор, тіпті адамдар жасаған ең жылдам аппараттар да оларды жылдар мен онжылдықтарда өтеді. Плутон — жүйенің шетіндегі карлик планета — ұзақ уақыт бойы бірде-бір жер зонды жақындамаған соңғы ірі дене болып қалды. 2006 жылы іске қосылған «Жаңа горизонттар» миссиясы бұл жағдайды өзгертіп, адамзатқа жұмбақ әлемнің алғашқы егжей-тегжейлі суреттерін берді. Аппараттың жолы тоғыз жарым жылды алды — және бұл факт планетааралық қашықтықтардың табиғаты, ғарыштық ұшулардың физикасы және болашақ экспедициялардың перспективалары туралы бірқатар сұрақтарды ашады. Олардың жауаптары Күн жүйесін зерттеу нені білдіретінін жаңаша қарауға мүмкіндік береді.

Плутон неліктен соншалықты алыс

Ұшу уақыты туралы айтар алдында қашықтықтың өзін сезіну қажет. Плутон Күн айналасында қатты созылған эллипстік орбита бойымен айналады, және одан жұлдызымызға дейінгі қашықтық айтарлықтай өзгереді.

Орбитаның Күнге ең жақын нүктесінде — перигелийде — карлик планета одан шамамен 4,4 миллиард шақырым жерде орналасады. Ең алыс нүктесінде — афелийде — бұл қашықтық 7,4 миллиард шақырымға дейін артады. Салыстыру үшін: Жерден Күнге дейінгі орташа қашықтық шамамен 150 миллион шақырымды құрайды — астрономиялық бірлік деп аталатын шама. Плутон жұлдызымыздан орта есеппен 39,5 астрономиялық бірлік, яғни планетамыздан шамамен 40 есе алыс жерде орналасады.

Қашықтықты сезімтал ету үшін бірнеше салыстыру келтіру пайдалы:

• Күннен келетін жарық Жерге шамамен 8 минутта жетеді, ал Плутонға карлик планетаның орбитадағы орнына байланысты 4-6 сағатта жетеді;
• егер автомобиль сағатына 100 шақырым жылдамдықпен тоқтаусыз жүрсе, Плутонға дейінгі жол шамамен 5000 жылды алар еді;
• Жерден ең жақын көршіге — Айға дейінгі қашықтық карлик планетаға дейінгі орташа қашықтықтан шамамен 16 000 есе аз;
• тіпті адамды ұшыруға арналған қолжетімді мақсат деп есептелетін Марс та бізге 150-200 есе жақын.

Бұл сандар озық технологияларды қолданған кезде де Плутонға ұшудың неліктен айлар емес, ұзақ жылдарды алатынын түсіндіреді.

«Жаңа горизонттар» миссиясы — нақты мысал

Ұшу уақыты туралы сұраққа жауаптың ең жақсысы теория емес, нақты тарихи прецедент. «Жаңа горизонттар» зонды Плутонға жеткен жалғыз аппарат болды, және оның саяхаты Күн жүйесінің шетіне ұшу туралы кез келген әңгімеде эталондық мысал болып қалады.

Бұл миссияның негізгі деректері кәсіпорынның масштабы туралы толық түсінік қалыптастырады:

1. Іске қосылу және жету күні. Аппарат Канаверал мысынан 2006 жылдың 19 қаңтарында ұшып шықты және 2015 жылдың 14 шілдесінде Плутон маңына жетті. Осылайша, ұшу 9 жыл 5 ай 25 күнді алды — бір буын балалардың бастауыш мектеп кезеңімен салыстыруға болатын мерзім.
2. Ұшу жылдамдығы. Іске қосылу сәтінде «Жаңа горизонттар» сағатына 58 536 шақырымға дейін жеделдеді — сол кезге дейін іске қосылған барлық ғарыш аппараттары арасындағы рекордтық жылдамдық. Салыстыру үшін: оқтың жылдамдығы сағатына шамамен 1800 шақырымды құрайды, яғни зонд кез келген от қаруының снарядынан шамамен 32 есе жылдам ұшты.
3. Юпитер маңындағы гравитациялық маневр. 2007 жылдың ақпанында аппарат Юпитер маңынан өтіп, газ алыбының тартылысын жеделдету үшін пайдаланды. Бұл маневр зондқа секундына шамамен 4 шақырым қосып, саяхат уақытын шамамен үш жылға қысқартты — онсыз жету тек 2018 жылы болар еді.
4. Карлик планетамен жақындасу. Максималды жақындасу Плутон бетінен шамамен 12 500 шақырым қашықтықта болды. Пролеттің бірнеше күні ішінде аппарат ғалымдардың бұл әлем туралы түсініктерін өзгерткен деректерді жіберді — онда биіктігі 3500 метрге дейін жететін су мұзынан жасалған таулар мен кең азот жазықтары барлығы анықталды.

Плутоннан өткеннен кейін «Жаңа горизонттар» Койпер белдеуінің тереңіне қарай қозғалысын жалғастырды және 2019 жылы жер зондының барған ең алыс денесі — Аррокот объектісінің маңынан өтті.

Ұшу уақыты неге байланысты

Тоғыз жарым жыл — тұрақты шама емес, «Жаңа горизонттар» миссиясының нақты техникалық және физикалық жағдайларының нәтижесі. Басқа мән-жайларда ұшу уақыты көбірек те, айтарлықтай азырақ та болуы мүмкін еді.

Плутонға баратын жолдың ұзақтығына бірқатар факторлар әсер етеді:

• бастапқы жеделдету жылдамдығы — тасымалдаушы зымыран қанша қуатты болса, аппарат Жер маңынан соғұрлым жылдам шығып, бүкіл траекторияға соғұрлым аз уақыт жұмсайды;
• гравитациялық маневрларды пайдалану — ірі планеталардың маңынан өту отын шығыны тұрғысынан іс жүзінде тегін қосымша жеделдетуге мүмкіндік береді;
• таңдалған траектория — Плутонға тікелей жол қашықтығы жағынан қысқа, бірақ гравитациялық маневрлар өтілген жол ұзағырақ болса да тиімдірек болуы мүмкін;
• іске қосылу сәтіндегі планеталардың өзара орналасуы — орбиталық механика траектория ең тиімді болатын «іске қосу терезелерін» диктат етеді;
• миссияның мақсатты міндеттері — егер аппарат жай ғана мимо ұшып өтпей, Плутон айналасына шығуы қажет болса, тежелуге айтарлықтай көп отын қажет болады, бұл бүкіл есептеуді елеулі өзгертеді.

Барлық осы факторлар өзара байланысты, және ұшудың оңтайлы нұсқасы әрдайым жылдамдық, құн және миссияның ғылыми құндылығы арасындағы ымыраға келу болып табылады.

Біз тезірек жете аламыз ба

Ұшу уақытын қысқарту мәселесі бірінші планетааралық экспедициялар сәтінен бастап инженерлер мен ғалымдарды толғандырады. Теориялық жағынан Плутонға айтарлықтай тезірек жету мүмкін — бірақ әрбір нұсқа елеулі техникалық немесе қаржылық шектеулермен байланысты.

Ядролық электрлік қозғалтқыштар

Ең перспективалы тәсілдердің бірі — иондық қозғалтқыштарды қоректендіру үшін ядролық энергия көздерін пайдалану. Мұндай жүйелер аппаратты жолдың басында химиялық зымырандарға қарағанда баяуырақ жеделдетеді, алайда бүкіл ұшу бойы үздіксіз жұмыс жасайды. Уақыт өте жиналатын жеделдету дәстүрлі қозғалтқыштар үшін қолжетімсіз жылдамдықтарға жетуге мүмкіндік береді және теориялық тұрғыда Плутонға дейінгі жолды төрт-бес жылға дейін қысқартады.

Лазермен жеделдетілетін күн желкені

Бастапқыда ең жақын жұлдыз жүйелеріне бағытталған «Breakthrough Starshot» жобасы жарық жылдамдығының айтарлықтай үлесіне дейін қуатты лазерлермен өте жеңіл зондтарды жеделдетуді ұйғарады. Плутонға қатысты мұндай технология мақсатқа бірнеше аптада жетуге мүмкіндік берер еді. Принципті шектеу — соншалықты жеделдетілген аппаратты тежеу мүмкін емес, ол планетаның мимо ұшып өтеді.

Күн маңындағы гравитациялық маневр

Күн бетіне жақын пролеттегі траектория жұлдызымыздың орасан зор тартылысын жеделдету үшін пайдалануға мүмкіндік береді. Есептеулер көрсеткендей, бірнеше күн радиусы қашықтыққа Күнге «сүңгіген» аппарат Плутонға шамамен екі жылда жете алар еді. Негізгі кедергі — жұлдызға минималды жақындауда мыңдаған градус температураны төтеп бере алатын жылу қорғаныш экранын жасау.

Мұндай қашықтық ғылым үшін нені білдіреді

Плутонға дейінгі орасан зор қашықтық аппараттарды жеткізуде қиындықтар туғызып қана қоймай, оларды басқаруда және деректер алуда да елеулі мәселелер тудырады. Бұл шектеулер мұндай миссиялардың жасалу тәсіліне принципті түрде әсер етеді.

Орасан зор қашықтықтың ғылыми және техникалық салдарлары бірнеше аспектіде көрінеді:

1. Радио сигналының кешігуі. «Жаңа горизонттардың» Плутонға максималды жақындасу сәтінде аппараттан келген сигнал Жерге 4 сағат 25 минутта жетті. Бұл Жерден кез келген команданың зондқа сонша уақыт өткен соң жететінін білдіреді — нақты уақыт режимінде жедел басқару мүлдем жойылды және аппарат алдын ала жүктелген бағдарлама бойынша дербес әрекет етуі тиіс болды.
2. Сигналдың әлсіздігі. Бес миллиард шақырым қашықтықта радио сигналдың қуаты соншалықты төмендейді, оны қабылдау үшін NASA-ның алыс ғарыштық байланыс желісінен диаметрі 70 метрлік антенналар қажет болды. Деректерді беру жылдамдығы секундына шамамен бір килобитті құрады — әдеттегі үй интернетінен шамамен миллион есе баяу.
3. Жиналған деректерді ұзақ беру. Плутон пролетінің бірнеше күн болғанына қарамастан, барлық жиналған ақпаратты Жерге толық жүктеу 16 айға созылды. Дәл осы мән-жай инженерлерді миссияны жобалау кезеңінде деректерді мұқият приоритизациялауға мәжбүр етеді.

Аталған барлық шектеулер мұндай зондтардың жасаушылары алдына шекті сенімділік талабын қояды: бес миллиард шақырым қашықтықта ақауды жою мүмкін емес.

Плутон адамзат жаңа ғана қолын созып жатқан шекаралардың символы болып қала береді. «Жаңа горизонттардың» тоғыз жарым жылдық жолы — бұл тек инженерлік жетістік емес, жүйеміздің мыңдаған есе алысырақ орналасқан ең жақын жұлдыздармен салыстырғанда да қаншалықты ұлы екенінің көрнекі өлшемі. Жетілдірілген қозғалтқыштары бар болашақ миссиялар бұл жолды қысқарта алады — бірақ принципті сынақ өзгеріссіз қалады: Күн жүйесі орасан зор, ал физика заңдары барлығы үшін бірдей. Зонд жолда өткізген әрбір жыл — бұл жоғалған уақыт емес, осы жүйенің планеталарының бірінде небары бірнеше жүз мың жыл бұрын пайда болған түрдің қызығушылығы қаншалықты алыс бара алатынының куәсі.