Догнать комету⁠⁠

Комета C/2019 Q4 (Борисова) была открыта 30 августа 2019 года и стала вторым межзвёздным объектом после астероида 1I/Оумуамуа, который был открыт двумя годами ранее. Оба этих объекта представляют огромную важность для науки. Возможно, комета была частью протопланетного диска другой звезды и может поведать нам о процессах в другой планетной системе в период её формирования. Сравнивая их с теми, которые происходили в нашей Солнечной системе, мы расширим горизонты своих знаний о мире вокруг нас.

C/2019 Q4 (Борисова)

Астероид 1I/Оумуамуа

Всё более интересным становится вопрос: можно ли отправить к одному из этих межзвездных странников исследовательский космический аппарат, используя сегодняшние технологии?

Траектория прямого перехвата

Рассмотрим возможность перехвата кометы без использования дополнительных стыковок и гравитационных манёвров в космосе. Предположим, что полет будет длиться до 10000 дней, а дата старта расположена в промежутке между 2015 и 2050 годом.

График значений дельта-v для различных траекторий перехвата кометы C/2019 Q4 (Борисова)

Как видно на графике, при длительности полёта от 20 лет (7000 дней) необходимый для перехвата кометы запас скорости (дельта-v) составляет менее 100 километров в секунду. Даже если старт состоится в 2050 году, когда комета будет ещё дальше. Тем не менее, требуемая дельта-v всё ещё велика, чтобы совершить этот полёт с использованием современных химических ракетных двигателей.

Оптимальная траектория прямого перехвата

Существует ли оптимальная траектория прямого перелёта до кометы? Конечно! Если не привязываться к дате старта и длительности полёта, то можно найти такую траекторию, которая требует минимального запаса скорости и, следуя которой, можно было бы перехватить комету всего за год. Ракета-носитель Falcon Heavy могла бы по такой траектории доставить к комете космический аппарат массой около двух тонн. К сожалению, здесь мы опоздали: чтобы воспользоваться такой возможностью, стартовать надо было еще в 2018 году.

Сплошная желтая линия отображает оптимальную траекторию перехвата для случая, если бы комету обнаружили раньше

Оптимальная траектория для тех, кто опоздал

С каждым годом комета улетает от нас всё дальше. Чем она дальше, тем большая дельта-v требуется, чтобы догнать её. Единственный способ сделать это — совершить ряд манёвров с использованием гравитации других небесных тел для экономии топлива. Сперва космический аппарат должен долететь до Юпитера. Он использует притяжение гиганта, чтобы значительно уменьшить свою скорость относительно Солнца, а затем устремится к нему по очень вытянутой гелиоцентрической орбите. Оказавшись в её низшей точке, перехватчик совершит манёвр Оберта — настоящий чит из мира физики! Его смысл в том, что чем быстрее космический аппарат движется, тем большую скорость ему сообщает двигатель. В какой точке орбиты аппарат имеет максимальную скорость? Правильно, в низшей! Учитывая высокую вытянутость орбиты, можно себе представить, как высока будет скорость рядом с Солнцем.

Зеленая линия показывает траекторию от Земли к Юпитеру.

Голубая линия — это траектория аппарата после гравитационного манёвра около Юпитера. После торможения перехватчик, по-сути, падает на Солнце.

Красная линия — траектория спутника после манёвра Оберта. Она выглядит почти прямой, потому что космический аппарат летит с очень большой скоростью.

Если в 2030 году запустить сверхтяжелую ракету Space Launch System Block 1 с твердотопливными ускорителями и второй ступенью от ракеты Delta IV, то к 2045 году комету C/2019 Q4 (Борисова) можно будет перехватить космическим аппаратом массой… 3 килограмма. Принципиально нет ограничений для отправки в межзвёздный полет маленького аппарата формата CubeSat. Более того, подобные проекты уже существуют. Например, межпланетный Mars Cube One. Но, в отличие от марсианского «кубсата», аппарат-перехватчик будет несколько крупнее — для обнаружения кометы в глубоком космосе ему потребуется оптика большого диаметра.

Источник: https://arxiv.org/abs/1909.06348