Jaka jest najlepsza trasa na Księżyc?

Trasa na Księżyc może w przyszłości wyglądać zupełnie inaczej niż dotychczas. Naukowcy opracowali nową metodę obliczeń, która pozwoli znaleźć bardziej efektywną drogę między Ziemią i innymi ciałami niebieskimi, zmniejszając zużycie paliwa podczas misji kosmicznych.

Nowa trasa na Księżyc

W ramach nowego badania naukowcy pod kierownictwem Allana Kardeca de Almeida Júniora z University of Coimbra opracowali metodę matematyczną, która umożliwia dokładniejsze obliczanie najbardziej ekonomicznych tras podróży między orbitami ciał niebieskich. Aby ją zademonstrować, wyliczyli bardziej efektywną trasę między Ziemią a Księżycem niż jakakolwiek wcześniej opisana w literaturze naukowej. Badanie opublikowano w czasopiśmie „Astrodynamics”.

Nowa trasa pozwala zmniejszyć wymagany przyrost prędkości (delta-v) o 58,80 m/s względem wcześniej opisanych najbardziej oszczędnych trajektorii. Różnica ta może wydawać się niewielka w porównaniu z szacowanym całkowitym kosztem podróży, obejmującym średnią prędkość 3342,96 m/s, ale miałaby istotny wpływ na koszt misji.

„W podróżach kosmicznych każdy metr na sekundę oznacza ogromne zużycie paliwa” – zauważa Allan Kardec de Almeida Júnior z University of Coimbra.

Metoda opierała się na teorii połączeń funkcyjnych (theory of functional connections), która zmniejsza koszt obliczeniowy symulacji podróży kosmicznych. Dzięki temu naukowcy mogli zasymulować znacznie większą liczbę różnych trajektorii i znaleźć „tańsze” rozwiązanie. W badaniu odniesiono się do 280 tysięcy symulacji różnych tras, jednak naukowcy przeprowadzili ich około 30 milionów.

Jak wyglądała nowa trajektoria?

Naukowcy podzielili trajektorię, która pozwoliłaby przetransportować statek kosmiczny z orbity Ziemi na orbitę Księżyca, na dwa etapy. Pierwszy obejmował transport z okolic naszej planety na orbitę wokół punktu libracyjnego L1, regionu między Ziemią a Księżycem, gdzie wpływy grawitacyjne obu ciał się równoważą. Przez większość tej podróży statek poruszałby się po naturalnej trajektorii prowadzącej do tej orbity. Jednak rzeczywista ścieżka okazała się inna, niż oczekiwano.

Podczas gdy większość istniejących modeli zakłada, że bardziej efektywne jest wejście na tę trajektorię po stronie bliższej Ziemi, nowe symulacje wykazały, że najbardziej ekonomiczna trasa przebiegała bliżej Księżyca i wchodziła z przeciwnej strony.

„Poszukiwanie takich rozwiązań jest jedną z zalet wykorzystania teorii połączeń funkcyjnych – zamiast zakładać, że łatwiej wybrać naturalną trajektorię najbliższą Ziemi, możemy zastosować systematyczną analizę z użyciem szybszych metod, aby znaleźć optymalniejsze rozwiązania” – twierdzi Vitor Martins de Oliveira z University of São Paulo.

Dzięki systemowi sterowania statek kosmiczny mógłby pozostawać na tej pośredniej orbicie przez nieograniczony czas, aż misja byłaby gotowa do drugiej części podróży, gdy skierowałaby się już na orbitę księżycową. Tego rodzaju trasa umożliwiłaby również ciągłe utrzymanie komunikacji z pojazdem.

„Misja Artemis 2 na przykład na pewien czas utraciła łączność z Ziemią, ponieważ znajdowała się bezpośrednio za Księżycem. Proponowana przez nas orbita jest rozwiązaniem, które utrzymywałoby nieprzerwaną komunikację” – wskazuje Vitor Martins de Oliveira.

Jak zmniejszyć koszty lotów kosmicznych

Choć nowo opracowana trasa jest bardziej ekonomiczna niż wcześniej opisane rozwiązania, nie jest najtańszą możliwą opcją. Symulacje uwzględniały jedynie grawitację Księżyca i Ziemi, pomijając inne ciała niebieskie, takie jak Słońce. Uwzględnienie ich mogłoby przynieść jeszcze większe oszczędności, ale ograniczyłoby okno startowe.

„Konieczne byłoby przeprowadzenie symulacji dla konkretnego położenia Słońca. Na przykład, jeśli zasymulujemy datę startu misji na 23 grudnia, otrzymamy wyniki ważne tylko dla misji wystrzelonej tego dnia. Jednak zastosowana przez nas systematyczna analiza może być w przyszłości szerzej wykorzystywana do wyznaczania optymalnych trajektorii nie tylko na Księżyc, ale również do innych ciał niebieskich” – podsumowuje Allan Kardec de Almeida Júnior.

Emil Gołoś