Изпращането на космически кораб към Луната не се състои само в това да се стигне до нея — важно е колко малко гориво може да се изразходва за това. При космическите мисии дори малки икономии в промяната на скоростта могат да доведат до огромно намаляване на разходите или до допълнителен капацитет за полезен товар.

Ново проучване, публикувано в сп. Astrodynamics, сочи, че може би вече съществува по-добър маршрут към Луната — такъв, който използва скритата структура на самата гравитация.

Авторите на проучването са идентифицирали траектория между Земята и Луната, която намалява разхода на гориво с поне 58,80 м/сек в сравнение с предишните известни оптимални траектории.

„Когато става въпрос за космически пътувания, всеки метър в секунда се равнява на огромно количество изразходвано гориво“, обяснява Алан Кардек де Алмейда Жуниор, първи автор на проучването и изследовател в Университета в Коимбра, Португалия.

Интересното е, че този най-ефективен маршрут не е най-прекият. Вместо това космическият кораб първо се приближава към Луната, преди да навлезе в гравитационна траектория около специална област, наречена точка на Лагранж L1, където гравитационните сили на Земята и Луната се уравновесяват.

Предизвикателството при пътуванията между Земята и Луната не е в липсата на физични закони, а в огромния брой възможни траектории. Гравитационното поле между Земята и Луната създава сложна динамична система, в която дори и най-малките промени в началните условия водят до коренно различни резултати.

За да преодолеят този проблем, авторите на проучването са използвали математическа рамка, наречена „теория на функционалните връзки“ (TFC). Вместо да решават цялостния оптимизационен проблем по метода на грубата сила, TFC позволява ключови физически ограничения (като напускане на Земята при тангенциално ускорение) да бъдат вградени директно в математическата формулировка. Това намалява сложността на проблема с търсенето.

Движението на космическия апарат беше моделирано с помощта на кръговата ограничена задача за три тела, която взема предвид само Земята, Луната и космически апарат без маса. Една важна област в тази система е точката на Лагранж L1. Около тази област космическият кораб може да се движи по затворени траектории, известни като орбити на Ляпунов. Това са нестабилни орбити, което означава, че космическият кораб в крайна сметка би се отклонил без корекции, но те са заобиколени от естествени пътища за влизане и излизане, създадени от гравитацията.

Тези траектории се държат почти като невидими космически магистрали. Космически кораб, който навлезе в тях, може да измине големи разстояния, като изразходва много малко гориво, тъй като самата гравитация помага за насочването на движението.

„След това космическият кораб се пренася без допълнителни разходи до орбитата на Ляпунов чрез естествената динамика на системата“, добавят авторите на проучването.

Използвайки метода TFC, изследователите симулираха около 30 милиона възможни маршрута през тези гравитационни пътеки (много повече от предишните проучвания), което им позволи да идентифицират изненадващо ефективна траектория за прехвърляне от Земята към Луната.

В първия етап – от Земята до точка L1 – космическият апарат напуска орбита около Земята на височина 167 км и навлиза в стабилна многообразна повърхност, водеща към L1. След това, във втория етап – от L1 до Луната – космическият апарат по-късно се отклонява по нестабилна многообразна повърхност и преминава в лунна орбита.

Вместо да тества малък брой възможности, методът позволи оценка на около 30 милиона различни траектории, в сравнение с едва ~280 000 в по-ранни проучвания.

Това мащабно проучване разкри изненадваща тенденция. Най-ефективните траектории не бяха тези, които влизат в многообразието от страната, обърната към Земята, а от противоположната страна, т.е. след по-близко преминаване покрай Луната.

Един от най-неочакваните резултати беше, че най-евтиният път включва близко прелитане покрай Луната преди влизане в коридора за прехвърляне L1. Това прелитане действа като гравитационна помощ, намалявайки нуждата от тяга на двигателя в ключови моменти.

„Донякъде е противоречиво, че проектирането на прехвърляния от орбита около Земята към десния клон на стабилния многообразие е по-рентабилно от използването на левия клон, като се има предвид, че те са по-далеч“, завършват авторите на проучването.

Най-добрият вариант за траектория от Земята до точка L1, установен в проучването, изисква обща промяна на скоростта от 3342,96 м/с, която се постига чрез две прецизно синхронизирани включвания на двигателите. Едното включване извежда космическия апарат от Земята, а другото го поставя на гравитационната траектория в близост до Луната. След това гравитацията поема по-голямата част от работата. Естествените гравитационни течения помагат за насочването на космическия кораб с минимално използване на гориво. Оттам космическият кораб може дори временно да остане паркиран близо до региона L1. Тази междинна орбита е динамично стабилна в контролиран смисъл и може да функционира като междинна зона между Земята и лунните дестинации.

Снимка: Unsplash

Виж още: Домейн, свързан с J-Pop феномена Love Live!, се продава за съвсем разумните 615 млн. долара