Полет к Луне через гравитационные «невидимые магистрали» обещает значительную экономию для космических миссий

Ученые нашли новый способ значительно снизить расход топлива при полетах к Луне, используя особенности гравитационного взаимодействия между Землей и Луной. Исследование показало, что наиболее экономичный маршрут вовсе не является самым коротким или прямым. Вместо этого космический аппарат должен совершить сложный манёвр с использованием так называемых гравитационных «магистралей» в космосе. Авторы работы утверждают, что им удалось сократить необходимое изменение скорости как минимум на 58,80 метра в секунду по сравнению с ранее известными оптимальными траекториями. В масштабах космических миссий даже такие, на первый взгляд, небольшие улучшения способны привести к серьезной экономии топлива, снижению стоимости запуска или увеличению полезной нагрузки.

Исследование было опубликовано в журнале Astrodynamics. Его первым автором стал исследователь из University of Coimbra Аллан Кардек де Алмейда Жуниор. По его словам, в космических полетах каждый дополнительный метр в секунду требует огромного количества топлива, поэтому поиск более эффективных траекторий имеет критическое значение.

Новый маршрут основан на использовании области вокруг точки Лагранжа L1 — особого региона между Землей и Луной, где гравитационные силы двух тел уравновешивают друг друга. Вместо прямого полета к Луне аппарат сначала проходит ближе к спутнику Земли, а затем входит в своеобразный гравитационный коридор возле L1. Эти естественные пути формируются самой динамикой системы Земля–Луна и позволяют перемещаться с минимальными затратами энергии.

Одной из главных проблем при расчете межпланетных маршрутов является огромное количество возможных траекторий. Даже незначительное изменение начальных параметров способно полностью изменить движение аппарата. Чтобы справиться с этой задачей, исследователи применили математический метод под названием теория функциональных связей. Он позволяет заранее встроить в вычисления основные физические ограничения, например касательный импульс при выходе с орбиты Земли, и тем самым значительно сократить сложность расчетов.

Движение аппарата моделировалось в рамках так называемой ограниченной круговой задачи трех тел, где учитываются только Земля, Луна и космический аппарат с пренебрежимо малой массой. В этой системе особую роль играют орбиты Ляпунова вокруг точки L1. Эти орбиты нестабильны, однако вокруг них существуют естественные входящие и исходящие гравитационные пути, называемые устойчивыми и неустойчивыми многообразиями. Фактически они работают как невидимые космические трассы, по которым аппарат может перемещаться практически без дополнительных затрат топлива.

С помощью нового метода ученые смоделировали около 30 миллионов возможных маршрутов. Для сравнения, предыдущие исследования рассматривали лишь примерно 280 тысяч вариантов. Такой масштаб вычислений позволил обнаружить неожиданную закономерность. Самые выгодные траектории оказались не теми, которые входят в гравитационный коридор со стороны Земли, а маршрутами с противоположной стороны — после более тесного сближения с Луной.

Одним из самых неожиданных выводов исследования стало то, что наиболее дешевый по затратам топлива путь включает близкий пролет возле Луны перед входом в область L1. Такой манёвр действует как гравитационный ускоритель и позволяет уменьшить потребность в работе двигателей в ключевые моменты полета. Авторы работы признали, что такой результат выглядит довольно парадоксально, поскольку более удаленный путь оказался выгоднее с энергетической точки зрения.

Миссия в исследовании была разделена на два этапа. На первом космический аппарат покидает орбиту Земли на высоте 167 километров и входит в устойчивое многообразие, ведущее к области L1. Затем аппарат движется по естественным гравитационным потокам и позже переходит на траекторию, ведущую к Луне через неустойчивое многообразие.

Наиболее эффективный участок маршрута от Земли до области L1 потребовал суммарного изменения скорости в 3342,96 метра в секунду. Для этого понадобились два точно рассчитанных включения двигателей: одно выводит аппарат с околоземной орбиты, а второе переводит его на нужную гравитационную траекторию возле Луны. После этого основную работу фактически выполняет сама гравитация.

Полная траектория — от старта с Земли до выхода на лунную орбиту — требует около 3991,60 метра в секунду изменения скорости и занимает примерно 32 дня. Хотя этот маршрут не является самым быстрым, он дает важные преимущества. Среди них исследователи называют возможность создания промежуточных «перевалочных» орбит возле точки L1, гибкость в проектировании миссий, а также потенциально более стабильную связь с Землей.

Ученые подчеркивают, что участок маршрута от L1 к Луне уже почти достиг теоретического минимума расхода топлива. Основные возможности для дальнейшей экономии остаются именно на этапе перелета от Земли к области L1. В целом новый подход позволяет сократить общие энергетические затраты миссии примерно на 1–2 процента. В автомобильной аналогии это сопоставимо с экономией нескольких литров топлива на каждые сто литров во время длительной поездки.

Авторы отмечают и ограничения своей модели. В расчетах не учитывалось влияние Солнца и других небесных тел, поэтому результаты пока не привязаны к конкретным датам запусков. В реальных условиях солнечная гравитация может открыть еще более дешевые маршруты, однако только в определенные временные окна, когда взаимное расположение небесных тел будет особенно благоприятным.

По словам исследователей, главным достижением работы является не только обнаружение нового маршрута к Луне, но и сама вычислительная система, способная анализировать десятки миллионов возможных траекторий и находить среди них наиболее эффективные варианты для будущих космических миссий.