§ 4. Пертурбационные маневры в сферах действия планет группы Юпитера

Как видно из табл. 10 в § 6 гл. 13, планеты группы Юпитера (Плутон не в счет) обещают наибольший эффект при их использовании для пертурбационных маневров. В особенности это касается Юпитера, во вторую очередь — Сатурна. Кольцо Сатурна в принципе не препятствует близкому (наиболее эффективному) облету его, так как космический корабль может проскользнуть в щель шириной между внутренним краем кольца и плотными слоями атмосферы: предполагается, что эта щель свободна от твердых частиц, которые погибли, заторможенные разреженной атмосферой. Но такой маневр требует весьма большой точности навигации. Что касается наружного края кольца, то нет уверенности, что он не находится дальше известного сейчас края (радиуса более 2,3 экваториального радиуса Сатурна).

Рассмотрим несколько характерных операций. Начнем с той, которая уже используется на практике.

Земля — Юпитер — Сатурн. Старт для ускоренного перелета возможен ежегодно во время сезона продолжительностью примерно в месяц в течение четырех лет, причем этот период повторяется через 20 лет. Один из таких периодов с 1976 по 1979 гг. Начальная скорость при этом примерно равна минимальной скорости достижения Сатурна прямым путем, но все путешествие продолжается не 6 лет, а в раза меньше, благодаря ускоряющему импульсу, сообщаемому Юпитером, причем путь до Юпитера проходится примерно за 500—600 сут. Расстояние от Юпитера при пролете равно нескольким радиусам планеты Мы познакомимся более подробно с этой операцией, когда будет рассказываться о полетах американских космических аппаратов «Вояджер-1» и «Вояджер-2».

Если не ставится задача ускоренного достижения Сатурна, то полет к нему через Юпитер возможен и при скорости, равной минимальной скорости достижения Юпитера [4.71]. Примером такого перелета может служить полет аппарата «Пионер-11», о котором будет также рассказано в § 11.

Интересны две следующие возвратные траектории.

Земля — Юпитер — Сатурн — Земля [4.73]. Благоприятные возможности для такой операции предоставляются ежегодно с 1977 по 1983 г. и затем с 1996 по 1999 г. (сезоны разделены синодическим периодом Юпитера — 399 сут), причем скорость входа в земную атмосферу во всех случаях менее (на высоте перигея а энергия запуска менее (т. е. начальная

скорость поверхности Земли меньше за исключением полета, начинающегося в феврале 1983 г.,когда она равна Если траектория пролета Сатурна проходит через щель между его кольцом и поверхностью планеты, то продолжительность всей операции уменьшается по сравнению с траекторией, проходящей снаружи кольца при старте в тот же сезон. При старте в 1979 г. разница составляет сут, т. е. более 2 лет. Минимальная продолжительность (старт 8 июля 1999 г.) — 2148,2 сут (около 6 лет), максимальная (старт 8 января 1989 г.) — 3654,0 сут (10 лет).

Земля — Сатурн — Юпитер — Земля [4.73]. Благоприятные сезоны, разделенные синодическим периодом Сатурна (378 сут), существуют с 1979 по 1984 и с 1997 по 1999 гг. Все траектории, кроме соответствующей старту в октябре 1979 г. с облетом Сатурна внутри кольца, требуют энергии запуска менее Продолжительности полетов: максимальная (старт 27 декабря 1982 г.) — 4303,9 сут (около 12 лет), минимальная (старт 14 июня 1997 г., пролет внутри кольца) — 3831,4 сут (10,5 года). Показанная на рис. 154 траектория соответствует энергии запуска пролету Сатурна на расстоянии 3,25 и Юпитера на расстоянии 1,38 радиуса соответствующей планеты от ее центра.

В следующих трех вариантах Юпитер используется для достижения остальных планет группы Юпитера.

Земля — Юпитер — Уран. Такие полеты возможны ежегодно с 1978 по 1980 гг. [4.38]; наиболее приемлемые — в 1978 и

1979 гг. [4.74]. Конфигурация планет относительно Солнца повторяется через 14 лет. При скорости схода с орбиты высотой полет до Урана продолжается 5,04 года [4.74].

Земля-Юпитер - Нептун [4.38, 4.71, 4.74]. Полеты возможны с 1977 по 1985 гг., наиболее приемлемые в 1979 и 1980 гг. Повторение конфигурации через 13 лет. При скорости схода с орбиты полет продолжается 7,56 года. При той же начальной скорости полет до Нептуна по гомановской траектории длится около 31 года (табл. 6 в § 4).

Траектории полетов к Сатурну, или Урану, или Нептуну через Юпитер наименее чувствительны к начальным ошибкам в сезон 1979 г.

Земля — Юпитер — Плутон [4.38, 4.47, 4.74]. Повторение конфигурации через 12 лет. Плутон достигается через 8,93 года

Рис. 154. Возвращение на Землю после облета Сатурна и Юпитера [4.73]: 1 — старт 16 декабря 1981 г., 2 — пролет Сатурна 23 января 1986 г., 3 — пролет Юпитера 14 декабря 1991 г., 4 — возвращение на Землю 1 сентября 1993 г.

при скорости схода с орбиты Старты возможны в 1977 и 1978 гг.

В следующих двух типах траекторий Сатурн помогает самостоятельно достичь следующих за ним планет.

Земля — Сатурн — Уран [4.71]. Полеты возможны в 1979-1985 гг.

Земля — Сатурн — Нептун [4.71]. Полеты возможны в 1977-1985 гг.

Описанный ниже тип траекторий, вероятно, уже знаком читателю по публикациям во многих популярных изданиях. Он является развитием «ускоренной» траектории Земля — Юпитер — Сатурн.

Рис. 155. Траектории полетов «Гранд тур» (старты в 1976-1980 гг.) и Земля — Юпитер

Плутон (старт в 1977 г.).

Земля — Юпитер — Сатурн — Уран — Нептун [4.47, 4.74-4.76]. Такой полет получил в литературе название «Гранд тур» (Grand Tour - Великое путешествие). На рис. 155 показаны пять траекторий типа «Гранд тур», соответствующих стартам в 1976-1980 гг. во время ежегодных примерно трехнедельных окон запуска. Эти траектории в начале пути, на участке Земля — Юпитер — Сатурн, соответствуют рассмотренной выше «ускоренной» траектории. Следующий подобный полет можно начать лишь в 2154 г. Начало и конец периода 1976-1980 гг. определяются взаимным расположением Юпитера и Сатурна. Старт 14 сентября 1977 г. с энергией обеспечил бы достижение Нептуна за 9,2 года [4.75]. Юпитер был бы пройдет 20 января 1979 г. на расстоянии 4,0 радиуса планеты от ее центра; Сатурн — 3 сентября 1980 г. на расстоянии 1,1 радиуса (т. е. внутри кольца); Уран — 1 февраля 1984 г. на расстоянии 1,9 радиуса планеты от ее центра; Нептун — 8

ноября 1986 г. Перелет до Нептуна продолжается дольше (примерно 11 лет), если пролет Сатурна осуществляется вне его кольца. Во всех случаях гелиоцентрические участки Сатурн — Уран и Уран — Нептун являются резко гиперболическими. После же пролета Нептуна гелиоцентрическая скорость превышает местную параболическую относительно Солнца в несколько раз, и космический зонд стремительно направляется к окраинам Солнечной системы.

Возможны упрощенные варианты «Великого путешествия».

Земля — Сатурн — Уран — Нептун [4.75]. Полеты возможны в течение нескольких лет после 1980 г. Они требуют начальной скорости, превышающей третью космическую (энергия запуска более

Земля — Юпитер — Уран — Нептун [4.38, 4.76]. Благоприятны 1978-1980 гг. Следующий такой период — При старте 6 ноября 1979 г. с энергией через 9,1 года, 28 ноября 1988 г., был бы достигнут Нептун.

Земля — Юпитер — Сатурн — Плутон [4.38, 4.76]. Благоприятны 1977 и 1978 гг. Следующий период — 2076 и 2077 гг. Маневр в гравитационном поле Сатурна теперь должен обеспечивать иное, нежели раньше, направление гелиоцентрической скорости выхода из сферы действия Сатурна. При старте 4 сентября 1977 г. с энергией Плутон достигается через 8,5 года — 9 марта 1986 г., из которых 5,5 года уходит на почти прямолинейный участок (см. рис. 155) Сатурн — Плутон (в параболическом полете такой путь был бы пройден за 10 лет; это видно из табл. 7 в § 4 гл. 13, если учесть, что в 1986 г. Плутон будет находиться примерно на расстоянии Нептуна от Солнца).

Разумеется, многопланетные траектории, да еще столь длинные, как описанные, весьма чувствительны к малейшим отклонениям от расчетных характеристик при пролетах планет. Отсюда вытекают высокие требования к бортовым навигационным системам Должно быть учтено также влияние притяжения четырех больших («галилеевых») спутников Юпитера — Ио, Европы, Ганимеда, Каллисто [4.38].