В фильмах вроде «Интерстеллара» или «Блуждающей Земли» человечество легко и непринужденно вырывается из объятий Солнца и устремляется к звездам. Однако в реальности мы до сих пор крутимся внутри Солнечной системы. И дело не в лени или отсталости технологий, а в фундаментальных законах физики, с которыми приходится считаться.
Граница Солнечной системы — дальше, чем вы думаете
Сначала стоит развеять распространенное заблуждение: вылететь из Солнечной системы — это не то же самое, что миновать орбиту Нептуна (или Плутона, если вам он больше по душе).
Нептун находится примерно в 4,5 миллиарда километров от Солнца. Но за ним лежат пояс Койпера и огромное облако Оорта, которое и считается истинной границей гравитационного влияния Солнца. Его радиус около одного светового года, то есть примерно 9,46 триллиона километров.
«Вояджер-1» летит уже почти пятьдесят лет и удалился от нас примерно на 25 миллиардов километров. Звучит внушительно, но в пересчете на световые годы это всего 0,0026 светового года, то есть он даже не подошел к порогу облака Оорта.
Если считать границей именно облако Оорта, то при нынешней скорости «Вояджера-1» около 17 километров в секунду ему потребуется примерно 17 000 лет, чтобы действительно покинуть Солнечную систему. Это в разы больше, чем вся письменная история человечества.
Гравитационный маневр: бесплатный обед, но с условиями
Возникает вопрос: почему бы нам просто не разогнаться как следует? Здесь мы подходим к ключевому понятию космонавтики: дельта-v (Δv, приращение скорости).
Δv — это, по сути, «бюджет скорости», который нужен аппарату для выполнения того или иного орбитального маневра. Скорость нельзя получить из ниоткуда: каждый метр в секунду требует топлива. А чтобы вырваться из Солнечной системы, требуемый Δv огромен.
Земля обращается вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с. Вторая космическая скорость для Солнца на орбите Земли — примерно 42,1 км/с. Значит, аппарату нужно добавить к скорости Земли еще около 12 км/с, чтобы преодолеть притяжение Солнца. С учетом того, что нужно еще вырваться из гравитационного поля самой Земли, стартующему с поверхности планеты аппарату требуется примерно 16,7 км/с — это и есть третья космическая скорость.
Проблема в том, что химические ракетные двигатели имеют низкий удельный импульс (меру эффективности топлива). Чтобы «упаковать» такой Δv в ракету, почти вся ее стартовая масса должна состоять из топлива. По формуле Циолковского, с каждым добавленным метром в секунду требуемая масса топлива растет экспоненциально. Накопить скорость для вылета из Солнечной системы на одной химии — задача, близкая к невозможной и с инженерной, и с экономической точки зрения.
И тут на сцену выходит гравитационный маневр. Его идея — «одолжить» немного орбитальной энергии у планеты, пролетая мимо нее. Если смотреть с самой планеты, аппарат входит в ее гравитационное поле и выходит из него с той же скоростью относительно планеты, меняется лишь направление. Но если смотреть со стороны Солнца, аппарат может получить или потерять скорость.
Проще говоря, это как если бы вы бросили теннисный мяч навстречу идущему поезду: отскочив, мяч унесет с собой часть скорости поезда. Масса планеты неизмеримо больше массы аппарата, поэтому планета «теряет» ничтожную долю кинетической энергии, а аппарат приобретает вполне ощутимую.
«Вояджеры» смогли развить скорость убегания из Солнечной системы около 17 км/с именно благодаря двум точным гравитационным маневрам — у Юпитера и Сатурна. Но такие возможности крайне редки: планеты должны оказаться в нужных точках орбит. «Парад планет», позволивший запустить «Вояджеры», повторяется примерно раз в 175 лет.
Жестокая арифметика Δv
Однако даже с гравитационными маневрами баланс Δv остается безжалостным.
Возьмем полет к Марсу. Из низкой околоземной орбиты для перехода по Гомановской траектории нужно около 2,9 км/с Δv, чтобы поднять орбиту до гелиоцентрической орбиты Марса, а по прибытии еще примерно 2,6 км/с, чтобы затормозить или скорректировать курс (хотя современные аппараты часто экономят топливо, используя аэроторможение в атмосфере Марса). И это только «плата за проезд» в одну сторону, без учета примерно 9,4 км/с, необходимых для выхода на низкую околоземную орбиту с поверхности Земли.
Но Δv для вылета из Солнечной системы на порядок больше, чем для полета к Марсу. И вот что удивительно: полететь к Солнцу труднее, чем улететь от него. Земля движется «боком» со скоростью 30 км/с, и любой аппарат, запущенный с Земли, наследует это поперечное движение. Чтобы «упасть» на Солнце, нужно почти полностью погасить эти 30 км/с — требуемый Δv достигает 32 км/с. А чтобы покинуть Солнечную систему, достаточно разогнаться вдоль движения Земли, примерно 16,7 км/с. Гравитационный колодец Солнца коварен: чтобы «упасть» в него, нужно погасить колоссальную орбитальную скорость, а чтобы вырваться — преодолеть его огромную глубину
Почему мы до сих пор не улетели к другим звездам?
Вылететь из Солнечной системы уже тяжело, а добраться до ближайшей звезды — Проксимы Центавра, до которой около 4,22 светового года, это задача совершенно иного масштаба.
Скорость света — 300 000 км/с, скорость «Вояджера-1» — 17 км/с. Разница примерно в 17 600 раз. Это значит, что даже при скорости «Вояджера» путь до Проксимы Центавра занял бы около 70 000 лет. Это больше, чем существует человеческая цивилизация.
Термоядерные двигатели теоретически могли бы разогнать корабль до нескольких процентов скорости света и сократить путешествие до нескольких столетий. Но даже столетия для пилотируемой миссии означают необходимость поколений людей, живущих и умирающих в замкнутом корабле. Вопросы жизнеобеспечения, социальной структуры и этики здесь куда сложнее, чем орбитальная механика.
Варп-двигатели или кротовые норы, возможно, и существуют в некоторых решениях уравнений Эйнштейна, но нужные для них «отрицательная энергия» или «экзотическая материя» до сих пор не обнаружены экспериментально. В обозримом будущем это математическая возможность, а не инженерная.
Гравитационный колодец: коротких путей нет
Когда вы смотрите на звездное небо и знаете, что «Вояджер» все еще одиноко скользит со скоростью 17 км/с, стоит помнить: за почти 50 лет он едва добрался до края солнечного «двора». А самые быстрые аппараты, которые мы можем построить, в масштабах межзвездных расстояний, к сожалению, лишь медленно ползущие улитки.
Вылететь из Солнечной системы так трудно потому, что гравитация это консервативная сила, а ракета, крайне неэффективный преобразователь энергии. Гравитационный маневр — один из немногих «бесплатных обедов», которые дарит нам Солнечная система, но он позволяет одолжить энергию, а не сжульничать. Каждый метр в секунду Δv в конечном счете приходится выжимать из какого-то источника энергии.
Кино может игнорировать эти детали, потому что его задача доставлять эмоции, а не полезные грузы. Но если мы действительно хотим стать межзвездным видом, придется сначала смириться перед этим гравитационным колодцем. Он молчаливо определяет, что такое «близко», что такое «далеко» и почему «далеко» — гораздо дальше, чем кажется.
Присоединяйтесь к нам в соцсетях
