Глава 21. ПОЛЕТЫ К КОМЕТАМ

§ 1. Импульсные полеты

Мы будем рассматривать полеты к ядрам комет, состоящим, по данным астрономии, из льдистых твердых веществ, в которые вкраплены каменистые частицы и пылинки (метеорное вещество). Размеры ядер — от нескольких сот метров до нескольких километров. При приближении к Солнцу вещество ядра начинает испаряться и образуется туманная газообразная оболочка — кома (поперечником 104-105 км), составляющая вместе с ядром голову кометы. Под действием давления солнечного света и в результате взаимодействия солнечного ветра с веществом кометы образуется ее хвост, простирающийся в сторону от Солнца на десятки и сотни миллионов километров (наблюдавшийся рекорд — 900 млн. км).

Предполагается, что общее число комет порядка ста миллиардов, но их суммарная масса не превышает 0,1 земной. Большинство их составляет облако на расстоянии 100000—150000 а. е. (облако Оорта) на границе сферы действия Солнца, мы же наблюдем только те, которые вблизи Солнца образуют комы и хвосты.

Объектом исследования для космонавтики служат короткопериодические кометы, орбиты которых лежат в пределах обозреваемой части Солнечной системы. Долгопериодические кометы, совершающие один оборот вокруг Солнца за многие миллионы лет, представляют как случайные гости нашей планетной системы гораздо меньший интерес.

Большинство комет имеет очень сильно вытянутые, огромные эллиптические орбиты. Орбитальная скорость таких комет в перигелии близка к параболической. Плоскости движения обычно сильно наклонены к плоскости эклиптики. Направление движения вокруг Солнца у некоторых комет, например у кометы Галлея (см. § 2), обратно общему направлению обращения планет. Поэтому те трудности, о которых говорилось в предыдущей главе в связи с полетами к некоторым астероидам, теперь, в гораздо большей степени,

относятся к большинству комет. Даже простой пролет кометы может представлять собой нелегкую задачу. При сильном наклоне орбиты лучше всего, казалось бы, проектировать встречу в ее узле, чтобы перелет мог происходить в плоскости эклиптики. И лучше всего, если перелет происходит по траектории, близкой к полуэллиптической, а для этого требуется, чтобы благоприятное положение Земли на орбите было приурочено к прохождению кометой узла, что может случиться не часто. Но зарегистрированных комет много, и отбор их для перехвата такого рода возможен.

Но тут возникает новая трудность, уже аппаратурного характера. Ядро кометы мало, и изучать его со слишком большого расстояния невозможно, а на малом расстоянии должна быть ограничена относительная скорость пролета, иначе ядро промелькнет в поле зрения телекамер как метеор. Утверждалось, что расстояние должно быть не более 5000 км, а относительная скорость при этом не превышать 16 км/с. Увы, относительная скорость при пролете кометы Галлея в 1986 г., когда она с огромной скоростью приходит в центр Солнечной системы, может составить [4.93].

Лучше обстоит дело с кометой Энке, проходящей перигелий (0,37 а. е.) 7 декабря 1980 г. (период обращения 3,3 года, наклонение 12°). При старте со скоростью (приведенной к поверхности Земли) вблизи узла орбиты Энке скорость пролета вблизи перигелия кометы равна при старте со скоростью скорость пролета Она может быть уменьшена, если приложить еще один импульс на среднем участке [4.94].

Для научных наблюдений гораздо более интересная, хотя и более сложная задача, — сопровождение кометы, требующее встречи с ней на некотором расстоянии (без стыковки), что, как известно, предполагает выравнивание скоростей. Для этого нужен как минимум двухимпульсный маневр с выходом из плоскости эклиптики и — в некоторых случаях (например, полет к знаменитой комете Галлея) — преодоление в какой-то мере орбитального движения Земли. Однако в ряде случаев получаются вполне приемлемые значения суммарных характеристических скоростей.

В одной из работ [4.95] приводятся результаты расчета на ЭВМ 59 многоимпульсных траекторий для встреч с 13 кометами (конечно, кометы Галлея среди них нет) во время их 15 появлений в центре Солнечной системы в период 1980-2000 гг. Суммарные характеристические скорости разрешают доставку в 58 случаях полезных нагрузок от до с помощью ракеты «Титан-ЗО-Центавр» (иногда с присоединением ступени «Бёрнер-2») или более мощной «Титан-ЗР-Центавр». Число импульсов колеблется в разных случаях от 3 до 5. Трехимпульсный (биэллиптический) переход на орбиту кометы целесообразен в том случае, когда ее линия узлов близка к линии апсид, т. е. ее плоскость орбиты отклонена от плоскости эклиптики как бы поворотом вокруг линии апсид. Тогда

космический аппарат сначала по траектории, слабо наклоненной к эклиптике и близкой к полуэллипсу, приближается к афелию кометы, где второй импульс переводит движение в новую плоскость (поворот вектора скорости не требует слишком большого импульса из-за малости ее величины). Второй участок траектории (эллиптическое падение) уже близок к орбите кометы. Сближение с ней и выравнивание скоростей происходит где-то вблизи орбиты Земли. Пример: аппарат сходит с околоземной орбиты высотой со скоростью февраля 1980 г., чтобы встретиться с кометой Энке через 3,82 года; второй и третий импульсы

Было разработано несколько вариантов встречи с кометой Галлея при использовании пертурбационного маневра во время пролета Юпитера или Сатурна. Идея такой операции проста. Космический аппарат, облетев планету (возможен, в частности, и активный маневр), выходит на эллиптическую гелиоцентрическую орбиту с афелием, лежащим за орбитой Юпитера или Сатурна, причем плоскость орбиты совпадает с плоскостью орбиты кометы Галлея. Расчет тот, что, приближаясь к Солнцу, аппарат наберет большую скорость, так что, когда его наюнит комета Галлея (где-то за орбитой Марса), разница скоростей будет не столь велика. После выравнивания скоростей с помощью разгонного импульса оба тела дальше движутся бок о бок. Суммарная характеристическая скорость при активном облете Юпитера равна 28 км/с и требует использования ракеты класса «Сатурн-5» при очень малой полезной нагрузке [4.96].

Комета Галлея, имеющая период обращения 76,029 года, эксцентриситет орбиты 0,967, перигелийное расстояние 0,587 а. е. и наклонение 162,21° (точность этих значений не гарантируется) [4.1], в настоящее время возвращается из своего афелия, находящегося за орбитой Нептуна. Очевидно, описанная операция встречи должна быть начата загодя, а так как комета Галлея пройдет со скоростью свой перигелий 8 января 1986 г., то момент для старта, как это совершенно ясно, упущен. И действительно, чтобы использовать облет Сатурна старт должен былсостояться в 1973 или 1974 гг., а при облете Юпитера — в 1977 или 1978 гг.

Вследствие неточности знания нами кометных орбит (они испытывают большие возмущения от планет, особенно вблизи афелиев, и немалые — от реактивных сил, вызванных испарением льдов в ядрах вблизи перигелиев) полеты к кометам требуют большего запаса характеристической скорости для коррекций, чем полеты к планетам.