Книга: Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

* * *

Проект Rosetta — наглядный пример применения новых методов проектирования траекторий для космических аппаратов. В нем не используется эффект бабочки, но ясно видно, что творческое планирование с использованием естественных особенностей гравитационного ландшафта Солнечной системы помогает получить невозможный на первый взгляд результат. Эта программа представляла собой техническую сложность, не в последнюю очередь из-за расстояния и скорости мишени. Во время посадки комета 67P находилась от Земли на расстоянии 480 миллионов километров и двигалась со скоростью более 50 000 километров в час. Это в 60 раз быстрее, чем летают реактивные пассажирские самолеты. В этой ситуации метод прицеливания в точку, использовавшийся для посадки на Луну, просто не сработал бы из-за ограничений современной ракетной техники.

Уйти с околоземной орбиты с достаточной скоростью сложно и дорого, но возможно. И действительно, аппарат New Horizons при полете к Плутону следовал по наиболее короткому маршруту. Правда, в пути он позаимствовал немного дополнительной скорости у Юпитера, но мог бы обойтись и без этого, просто его путешествие продолжалось бы чуть дольше. Сложность представляло торможение у цели; эту проблему обошли, решив, что не будут тормозить вообще. Покидая Землю, New Horizons — самый быстрый космический аппарат из когда-либо запущенных человеком — использовал очень мощную ракету с пятью твердотопливными ускорителями и дополнительной верхней ступенью[50]. Разумеется, он избавился от них, как только смог; они слишком тяжелы, чтобы тащить их за собой, и к тому же все равно пусты, топлива в них не осталось. Добравшись до Плутона, аппарат пронесся через его систему на полной скорости — на все основные научные наблюдения у него были приблизительно сутки. Все это время он был слишком занят, чтобы поддерживать связь с Землей, и для ученых и управленцев эти сутки стали периодом нервного ожидания. Никто не мог сказать наверняка, переживет ли аппарат встречу с системой Плутона — столкновение с одной-единственной пылинкой могло оказаться для него фатальным.

Напротив, Rosetta нужно было не только встретиться с 67P, но и оставаться при ней все то время, пока комета будет приближаться к Солнцу, непрерывно проводя наблюдения. Ей нужно было сбросить Philae на поверхность ядра кометы. Для этого аппарат должен был быть практически неподвижен по отношению к нему, но комета-то при этом находилась в 300 миллионов километрах от Земли и двигалась с колоссальной скоростью — 55 000 километров в час. Так что аппарат необходимо было вывести в точности на ту орбиту, по которой следовала комета, и при этом разогнать до точно такой же скорости. Даже найти подходящую траекторию было сложно; сложно было и подобрать подходящую комету.

В конечном итоге траектория космического аппарата получилась очень и очень непрямой — только к Земле, помимо всего прочего, он возвращался трижды. Это как путешествовать из Лондона в Нью-Йорк, слетав для начала несколько раз из Лондона в Москву и обратно. Но города хотя бы стоят неподвижно относительно Земли, а ведь о планетах этого не скажешь, и это существенно меняет дело. Европейский аппарат начал свое эпохальное путешествие в совершенно неправильном, на наивный взгляд непосвященного, направлении. Он двинулся к Солнцу, хотя комета-мишень при этом находилась далеко за орбитой Марса и двигалась от него прочь. (Я не имею в виду прямо к Солнцу: просто расстояние до Солнца некоторое время уменьшалось.) Орбита Rosetta обогнула Солнце и вновь вернулась к Земле, откуда ее швырнуло на встречу с Марсом. Обогнув Марс, аппарат отправился на вторую встречу с Землей, затем обратно и снова за орбиту Марса. К этому моменту комета находилась за Солнцем и ближе к нему, чем Rosetta. Третья встреча с Землей вновь отшвырнула аппарат вовне — в погоню за кометой, которая в этот момент уносилась от Солнца прочь. В конце концов Rosetta встретилась с предназначенной ей целью.

Но почему такой сложный маршрут? Почему ЕКА просто не направило свою ракету на комету и не скомандовало старт? Для этого потребовалось бы слишком много топлива, да и к тому моменту, когда аппарат добрался бы до намеченной точки, комета находилась бы совсем в другом месте. Вместо этого Rosetta исполнила тщательно срежиссированный космический танец, в ходе которого ускорилась совместными усилиями сил тяготения Солнца, Земли, Марса и других задействованных тел. Ее маршрут, рассчитанный на основании закона всемирного тяготения Ньютона, был нацелен на максимальную экономию топлива. Каждое сближение с Землей и Марсом придавало аппарату бесплатное ускорение за счет энергии планеты. Редкие и кратковременные включения четырех двигателей малой тяги удерживали его на курсе. За экономию топлива пришлось заплатить тем, что до места назначения Rosetta добиралась 10 лет. Однако без этого проект оказался бы слишком дорогим и старта вообще бы не случилось.

Подобные траектории, на которых космические аппараты ходят кругами, туда и сюда, в поисках желанных толчков в нужном направлении от планет и лун, стали обычными для космических проектов в тех случаях, когда спешить нет необходимости. Пролетая на близком расстоянии от планеты, двигающейся по орбите, позади нее, космический аппарат может позаимствовать часть энергии планеты за счет эффекта пращи (официальный термин «гравитационный маневр»). Планета при этом реально замедляется, но снижение скорости настолько мало, что его невозможно уловить даже самыми чувствительными приборами. А вот аппарат получает приращение скорости без всяких затрат ракетного топлива[51].

Дьявол, как обычно, кроется в деталях. Чтобы разработать такую траекторию, инженеры должны уметь предсказывать движение всех задействованных в схеме тел; кроме того, для того чтобы довести аппарат до места назначения, им необходимо состыковать отдельные участки в единую траекторию и согласовать все ее детали в пространстве и времени. Так что разработка маршрута превращается в смесь точных расчетов и черной магии[52]. Все зависит от одной области человеческой деятельности, на роль которой в исследовании космоса редко указывают хотя бы намеком, но без которой ничего невозможно было бы добиться. Всякий раз, когда средства массовой информации заводят разговор о «компьютерных моделях» или «алгоритмах», можно считать, что на самом деле они имеют в виду «математику», но либо слишком боятся упоминать это слово, либо считают, что оно испугает вас. Существуют достаточно разумные причины не грузить читателя сложными математическими подробностями, но, делая вид, что математики вообще не существует, мы оказываем одному из самых мощных интеллектуальных инструментов человечества очень плохую услугу.