Budeme posílat k Marsu sondy levněji, bezpečněji a kdykoliv?

Vyslat sondu k Marsu je obtížný úkol. Náklady na start zpravidla dosahují stovek miliónů amerických dolarů, a to i v době, kdy je ke startu využito období tzv. startovacího okna. Tedy doby, kdy je vzájemná pozice Marsu a Země výhodná a trasa je nejkratší. Aby se sonda dostala k Marsu, musí nejprve nabrat potřebnou rychlost pro odpoutání od gravitačního pole Země, proletět meziplanetárním prostorem a na konci své cesty nabranou rychlost zase ztratit (let tzv. Hohmannovou elipsou). Snížení rychlosti sondy se dociluje použitím raketových motorů, brzděním o atmosféru planety či kombinací těchto dvou způsobů. Oba způsoby ale zvyšují hmotnost sondy. V prvním případě je potřeba s sebou vézt větší množství paliva, v tom druhém zase tepelný štít. Neexistuje však jiný způsob, jak Marsu dosáhnout? Způsob, který by nevyžadoval velké množství paliva na brzdění ani tepelný štít a který by umožňoval start v podstatě kdykoliv? Řešení tohoto rébusu nabízí nová studie dvou matematiků Francesci Topputa a Edwarda Belbruna – balistické zachycení (v originále ballistic capture).

Samotná myšlenka balistického zachycení není nová. Byla několikrát úspěšně využita pro navedení sond k pozemskému Měsíci. K prvnímu použití došlo v roce 1991 u japonské sondy Hiten. Průběh letu sondy provázely komplikace, kvůli kterým měla sonda nedostatek paliva k dosažení oběžné dráhy Měsíce obvyklým způsobem. Matematici z JPL proto navrhli novou trajektorii letu, která využila poprvé dráhu balistického zachycení. Novátorský manévr se vyvedl a sonda se úspěšně dostala na oběžnou dráhu Měsíce. Později stejného manévru využila i americká sonda GRAIL. Metoda ale nikdy nebyla využita mimo soustavu Země-Měsíc. Její využití jinde bylo shledáno jako neproveditelné. Nicméně díky zájmu firmy Boing, jednoho z hlavních dodavatelů americké NASA, došlo k oprášení této myšlenky.

Obrázek zobrazuje Hohmannovu elipsu široce využívanou pro cestování ze Země k jiným tělesům sluneční soustavy. Zelená barva označuje pohyb na nízké orbitě, žlutá Hohmannovu elipsu a červená pohyb cíle. Zdroj: Leafnode, licence: Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Generic.

V současnosti jsou sondy vysílány k jiným planetám za pomoci Hohmannovy elipsy. Během cesty je sonda vyslána na dráhu, během které se snaží dostat do místa, kde se bude nacházet cíl její cesty – planeta – v době, kdy se tam dostane i sonda. Oproti tomu během balistického zachycení je sonda navedena na dráhu, která se shoduje s oběžnou dráhou planety. Nicméně tak, že sonda letí těsně před planetou a to rychlostí jen o trochu menší, než je rychlost pohybu planety kolem Slunce. To má za následek, že planeta brzy sondu dožene a přitáhne si ji svou gravitací k sobě bez nutnosti využívat raketového motoru a tedy paliva. Výsledná oběžná dráha, kam je sonda stažena, je v případě Marsu přibližně 20 000 km nad jeho povrchem. To je sice příliš daleko, než jaké se běžně využívají pro vědecká pozorování, ale malý motor pro korekci dráhy by mohl případně sondu navést na nižší oběžnou dráhu. Tak nízko, jak vědci potřebují.

Topputo_and_Belbruno-Arch

Ilustrativní schéma balistického zachycení. (c) Topputo a Belbruno.

Když se podíváme na srovnání přístupů z pohledu spotřeby paliva, uvidíme, že potřebné množství zůstává víceméně stejné pro navedení sondy na správnou dráhu k planetě a i na korekce během letu. Nicméně u balistického zachycení odpadá palivo potřebné na brzdění sondy u cíle. Výpočty naznačují, že by úspora mohla dosáhnout až 25 %. Plánovači misí tak mohou stát před otázkou, jestli budou chtít zmenšit hmotnost a tím ušetřit, anebo využít úspory hmotnosti paliva k vyslání robustnější sondy.

Mimo to balistické zachycení nabízí i další výhody. Při jeho použití odpadne kritická fáze, kdy sonda musí ve správný čas zapnout hlavní brzdící motor. Pozdní či brzké zapnutí nebo vypnutí motoru má za následek navedení sondy na špatnou dráhu, případně i zničení sondy. Z výpočtů se také zdá, že odpadne nutnost vysílat sondy v úzkých startovacích oknech. Sonda by sice letěla k Marsu déle (takže tento způsob nebude vhodný pro lodě s lidskou posádkou kvůli snaze minimalizovat vystavení radiaci), ale zase by mohla být vyslána téměř kdykoliv. Můžeme si tedy představit situaci, kdy budeme pomocí balistického zachycení vysílat k Marsu zásobovací lodě či automatické sondy, u kterých nebude vadit, že poletí o pár měsíců déle.

A je tu ještě jedno využití. Navedení satelitů na vysokou oběžnou dráhu může mít i své opodstatnění v případě, že bude potřeba vytvořit na Marsu globální komunikační síť. Obdobně jako na Zemi jsou komunikační satelity umístěny na geostacionární dráze, i na Marsu bude vhodné jejich umístění vysoko nad povrch planety. Kdyby tedy náhodou nevyšel plán SpaceX na globální síť satelitů na nízké orbitální dráze, budeme mít v záloze i toto řešení.

Nicméně bychom měli mít na paměti, že se zatím jedná jen o zajímavou teorii vyžadující další výpočty pro potvrzení. Zatím není jasné, co s dráhou sondy může udělat gravitační působení Jupiteru. NASA zvažuje otestování této možnosti v průběhu 20. let 21. století. Uvidíme, jestli se nový způsob cesty mezi Zemí a Marsem osvědčí. Kdyby ano, mohl by se stát významným mezníkem nejen na poli dobývání rudé planety, ale i dalších planet sluneční soustavy. Lidstvo by již nemuselo ke startům využívat krátká startovací okna, ale mohlo by vysílat vesmírné lodě skoro nepřetržitě. Ke všemu za výrazného snížení nákladů a s větší bezpečností.

Video pro ty z vás, kteří si po přečtení článku chtějí zopakovat základy nebeské mechaniky :)

Napsat komentář