Путешествие на планету Марс

                Путешествие на планету Марс.

         Существование Марса как блуждающего объекта в ночном небе было письменно засвидетельствовано древнеегипетскими астрономами в 1534 г. до н. э., рассчитана траектория движения  Марс - это четвёртая по удалённости от Солнца и седьмая по размеру планета Солнечной системы. Масса  планеты составляет 10,7 % массы Земли, объём составляет  0,151 % объёма  Земли.  Средний линейный диаметр  0,53 % диаметра Земли. Марс называют «красной планетой» из-за красноватого оттенка поверхности.  Планета земной группы с разреженной атмосферой. Давление на поверхности в 160 раз меньше земного. Примерная толщина атмосферы 110 км. Особенностями поверхностного рельефа Марса можно считать ударные кратеры  наподо-бие лунных, а также  вулканы, долины, пустыни и полярные шапки, наподобие земных. У Марса есть два естественных спутника - Фобос и Деймос,  которые относительно малы и имеют неправильную форму. Оба спутника имеют форму, приближающуюся к трёхосному эллипсоиду. Марс имеет период вращения и смену времён года, аналогичные земным, но его климат значительно холоднее и суше земного. Из-за низкого давления вода на планете не может существовать в жидком состоянии на большей части (около 70 %) поверхности Марса. Вода в состоянии льда была обнаружена в марсианском грунте.  Любая вода на поверхности Марса является слишком солёной и кислотной для поддержания постоянной земно подобной жизни. На 2021 г. орбитальная исследовательская группировка на орбите Марса насчитывает восемь функционирующих космических аппаратов. Марс хорошо виден с Земли невооружённым глазом. Противостояние Марса можно наблюдать каждые два года. Последний раз Марс был в противостоянии 8 декабря 2022 г. Последнее же великое противостояние Марса произошло 27 июля 2018 г. Тогда он находился на расстоянии 0,386 а. е. (55,76 млн. км.) от Земли. Как правило, во время великого противостояния оранжевый Марс является ярчайшим объектом земного ночного неба после Луны, но это происходит лишь один раз в 15-17 лет в течение одной-двух недель. Марса имеет довольно заметный эксцентриситет (0,0934), поэтому расстояние до Солнца меняется от 206,6 до 249,2 млн. км. Ускорение свободного падения на экваторе равно 3,711 м./сек.; (0,378 земного) Сила тяжести у поверхности Марса составляет 39,4 % от земной (в 2,5 раза слабее). Поскольку неизвестно, является ли такая сила тяжести достаточной, чтобы избежать длительных проблем со здоровьем, для долговременного пребывания человека на Марсе рассматриваются варианты создания искусственной силы тяжести с помощью утяжеляющих костюмов или центрифуг, обеспечивающих схожую с земной нагрузку на скелет. Период вращения планеты близок к земному:  24 часа 37 мин., длина средних марсианских солнечных суток составляет 24  часа  39 мин. , что всего на 2,7 % длиннее земных суток. На  Марсе северное лето долгое и прохладное, а южное  короткое и относительно тёплое. Температура на планете колеблется от ;153 C° на полюсах зимой и до +20 C°  на экваторе летом (максимальная температура атмосферы, зафиксированная марсоходом «Спирит», составила +35 C°, средняя температура – около  ;63 C°. В средних широтах температура колеблется от ;50 C° зимней ночью до 0 C° летним днём, среднегодовая температура ;50 C°. Радио просвечивание атмосферы на радиоволнах от 8 до 32 см. (240 – 9600 ГГц), проведённое АМС «Марс-4» в 1974 г., показало наличие ночной ионосферы Марса с главным максимумом ионизации на высоте 110 км. Разреженность марсианской атмосферы и отсутствие магнитосферы являются причиной того, что уровень ионизирующей радиации на поверхности Марса существенно выше, чем на поверхности Земли и обусловлена главным образом космическим излучением. Таким образом, за один-два дня космонавт на поверхности Марса получит такую же

- 2 -

эквивалентную дозу облучения, какую на поверхности Земли он получил бы за год. Вихри и пылевые бури, которые  наблюдаются и на Земле, однако на Марсе они могут достигать гораздо больших размеров: в 10 раз выше и в 50 раз шире земных. Для систематического исследования Марса были использованы возможности космического телескопа «Хаббл» США. В данный момент на орбите Марса работают 8 автоматических межпланетных станций (АМС). На поверхности Марса в данный момент работают 4 аппарата.  (Л1)
         По расчётам специалистов, работающих над миссией “Mars One”, время полёта составит около 210 дней или 7-8 месяцев. На “Красную планету” ещё не ступала нога человека, но беспилотных космических аппаратов и «марсоходов» здесь побывало довольно много.
     1. Mariner-4 (Автоматическая межпланетная станция НАСА) первым приблизилась к Марсу в 1964 г., на расстояние от 16800 км. до 12000 км. до его поверхности. Путь в один конец составил 228 дней. Был  сделан 21 снимок Марса и окончательно выяснилось, что «Красная планета» больше напоминает Луну, чем Землю. Вторично Mariner-6 отправился в путь в феврале 1969 г. На полёт ему понадо-билось 155 дней. Расстояние до поверхности планеты на этот раз составило всего 3429 км. Помимо съёмок исследовалась состав атмосферы и определялась температура поверхности Марса. В 1971 г. к Марсу отправился  Mariner-9. Он добрался до заданной точки за 168 дней и стал первым спутником «Красной планеты». Также была составлена карта Марса. Работал он до октября 1972 г. пока не кончились запасы сжатого газа.
     2. Viking-1  первый аппарат, предназначенный для посадки на Крассную планету был запущен в1976 г., добрался он за 304 дня.  Viking-2 стартовал в1976 г. и добирался до Марса 333 дня. Он также состоял из орбитальной станции и зонда. Основная задача, стоявшая перед аппаратами была поиск жизни. Было сделано около 16 тыс. снимков Марса.
     3. В 1996 г. и в 1999 г. за изучение планеты принялся Mars Global Surveyor (проект НАСА), долетевший до Марса за 308 дней. Mars Pathfinder , аппарат США, стартовавший в1997 г. совершил посадку на планету, Он изучал марсианские камни, температуру поверхности, ветер и делал снимки. Mars Express – станция Европейского космического агентства в 2003 г и достигла цели за 201 день. Mars Reconnaissance Orbiter долетел до Марса в 2006 г. за 210 дней. Ему надо было найти место, где могли бы высадиться люди. Американский межпланетный зонд Maven в 2013 г. долетел до Марса за 307 дней. Основной его задачей было исследование атмосферы «Красной планеты».
         Как видно из приведённых данных, время в пути зависит от взаимного расположения небесных тел. Один год на Марсе равен 1,88 земным годам. Таким образом, марсианский год составляет 687 земных суток. «Зонд-2», отправленный Советским Союзом к Марсу в 1964 г., вообще не попал в район планеты. Свои аппараты на орбиту Марса не удалось вывести японцам в 2011 г. и была неудачная попытка запуска у Китая.
         Небесные тела находятся в постоянном движении, дистанции между ними могут изменяться. Самое большое расстояние от Земля до  Марс – 401 млн. км., в среднем Земля находится на 225 млн. км. от Марса, а наименьшее расстояние - 54,6 млн. км. Это если Земля будет находиться в точке афелий (так называется место максимального удаления от Солнца). И при этом “Красная планета” будет максимально приближена к звезде – это точка перигелий. Пока такое взаимное расположение указанных небесных тел

                - 3 -

еще не было зафиксировано. При полёте на ракете нужно учитывать солнечное притяжение. Для экономии топлива необходимо двигаться на максимально возможном удалении от звезды, кругами.
          Добраться до Марса с Земли можно только двумя способами: 1. По Гумановской траектории, это классический метод, придуманный немецким учёным Вальтером Гоманом предполагает , что космический аппарат как бы встречает планету на пути её движения. Недостатком этого метода является большой расход энергии для торможения аппарата, чтобы он не проскочил планету и не улетел в космическое пространство. 2. “Баллистический захват”, когда космический аппарат запускают навстречу движения планеты. При приближении к ней происходит гравитационный захват аппарата, и он становиться её спутником. Здесь экономиться энергия, т.к. не надо тормозить, но требуется значительно больше времени на запуск.
         Когда расстояние между Марсом и нашей планетой наименьшее, свет проходит это расстояние за 3 мин., за 13 мин. – если расстояние среднее и за 22 мин. – если максимальное.  Скорость света составляет 299 тыс. км./сек.     Самая быстрая ракета в истории космических полётов – “Saturn V”, которая разгонялась до 64 тыс. км./час, т.е.17,8 км./сек. Обычно аппараты развивают скорость около 20000 км./час, т.е. 5,6 км./сек. Самая быстрая на сегодняшний день космическая автоматическая станция «New Horizons», запущенная в 2006 г., имеет скорость 16,26 км./сек. Она отправилась к Плутону. Если бы её целью был Марс, она достигла бы его за 39 дней – при минимальном расстоянии, 162 дня – при среднем отдалении Марса и Земли друг от друга и 289 дней – при максимальном. То есть, путешествие бы длилось немногим дольше месяца. Перемещаться со скоростью света невозможно ни при каких условиях. Теория относительности указывает, что перемещение объекта быстрее света будет выглядеть как возникновение следствия ранее причины. Такой парадокс никогда не наблюдался.
         Разработан проект “Mars One”, согласно которому, на Марс отправятся земляне. Финансируется проект частными инвесторами, а руководит Бас Лансдорп. Будут созданы искусственные спутники Солнца для организации связи, отправка необходимых грузов (жилых модулей, систем жизнеобеспечения, складских и грузовых блоков, марсохода). В 2027 г. на орбиту Земли выводится транзитный модуль, космический корабль “MarsLander”, ступени двигателей и другие части. Аппарат собирается в космосе. “MarsLander” занимает экипаж из 4-х человек, который непосредственно проводит полёт к Марсу. Учёные ориентируются на то, что полёт от Земли до Марса займёт 7-8 месяцев. Вне зависимости от того, сколько лететь до Марса от Земли, возврат по этому же маршруту невозможен. На сегодняшний день не существует экономически целесообразного решения, позволяющего доставить на Марс ресурсы для строительства стартовой площадки и необходимого количества топлива. У спонсоров миссии нет на это денег даже в теории. Скорее всего, эта идея не будет реально реализована.
         Известный бизнесмен Илон Маск, который является главой корпорации “SpaceX”, в 2016 г. представил программу по колонизации Марса. Для её реализации необходимо серьёзное удешевление полётов, постройка новой тяжёлой ракеты, создание космического корабля для перевозки 200 человек и другие инновации. Всё это требует серьёзного капитала и труда сотен образованных людей. Условия жизни на Марсе должны быть похожими на те, что имеются на Земле. Этот процесс займёт несколько сотен лет. Пока такие полёты невозможны. Но если даже представить, что полёт к Марсу состоится, то сколько же потребуется топлива космическому кораблю при его, достаточно продолжительном, полёте? Интересен проект Роберта Зубина. Главным источником энергии космического корабля будущего он видит

                - 4 -

ядерный реактор. При этом корабль повезёт с Земли 6 т. водорода. В дальнейшем будет использован диоксид углерода, тот, что входит в состав марсианской атмосферы. С помощью реактора данные компоненты будут преобразованы в метан и воду. Воду, с помощью электричества, станут разлагать на кислород и водород, а водород будут использовать для производства метана. Полученное топливо, предполагается, что количество его превысит 100 т. – обеспечит возвращение астронавтов на Землю. Всё это позволит сделать полёт относительно краткосрочным – около 18 месяцев. Кроме того, чтобы  вернуться, корабль должен нести на себе огромное количество топлива. Чтобы полёт состоялся, скорость космического корабля должна быть не менее 18 км./сек. При этом, обратный перелёт займёт примерно 9 месяцев, и 17 месяцев корабль будет находиться на орбите Марса, ожидая когда Марс и Земля сблизятся. Срок ожидания может занять до 500 дней. Поэтому учёные называют такую цифру: на полёт «туда и обратно» понадобится не менее 33 месяцев.  Время экспедиции при сегодняшнем уровне развития науки составит 7-8 месяцев. (Л2)
         В рамках проводимой НАСА программы по исследованию Марса в 2020 г. состоялся запуск космического исследовательского зонда “Perseverance”. Научная группа проекта “Mars 2020”, возглавляла Кеном Фарли. Время полёта составило 6 месяцев 19 дней. За это время зонд преодолел 470776457 км. пути, со средней скоростью около 39600 км./час. (11 км./сек.) Эта скорость была придана исследовательскому аппарату двухступенчатым ракетоносителем «Atlas-5». В 2021 г. зонд приземлился на Марсе.
         Самый верхний, наиболее разреженный атмосферный слой, - экзо-сфера. Нижняя граница начинается от 450 км. над Землей, верхняя достигает нескольких тысяч км. Космос начнется в экзосфере, где газовая среда не вращается как единое целое вместе с Землей. По другой версии космос начинается после исчезновения гравитационного воздействия Земли - на расстоянии 21 млн. км. В США отмечают расстояние 122 км., на котором шаттлы переключались с маневрирования двигателями на аэродинамику. А военно-воздушные силы своим пределом узаконили отметку 80,45 км. В 1979 г. СССР предложил считать границей космоса величину выше 100-110 км. (линия Кармона). Самый распространенный на сегодня тип двигателей для движения в космосе - реактивные. Они основаны на третьем законе Ньютона: силы, с которыми тела действуют друг на друга, равны. В таком типе двигателей из сопла выбрасывается очень горячий газ с высоким ускорением. Если перемножить эти два параметра для газа, то мы получим силу, с которой он действует на тело. Наиболее распространенный тип двигательной установки космического аппарата - химический ракетный двигатель, в котором газ с высокой скоростью истекает из сопла Лаваля. Кроме этого, распространение получили реактивные установки без сжигания топлива, в том числе электроракетные двигатели и другие. Перспективными двигателями являются установки на основе солнечного паруса. Преодоление земного притяжения - придать аппарату первую космическую скорость, которая для Земли составляет около 7,9 км./сек. Для человека привычно воздействие гравитации, характеризуемой ускорением свободного падения примерно 9,8 м./сек.;, или 1 g. Для пилотируемого аппарата идеальной двигательной установкой была бы система, обеспечивающая постоянное ускорение, равное этой величине, что устранило бы неприятные явления у экипажа. Однако, обеспечить такое ускорение затруднительно. Чтобы достичь орбиты вокруг Земли, ракета должна будет развить скорость 29000 км./час (7,9 км./сек.) Если космический корабль отправляется в межпланетное путешествие, скорость должна составлять 40000 км./час или (11,2 км./сек. Чтобы космический аппарат вышел в межпланетное пространство

                - 5 -
на собственную орбиту вокруг Солнца, ему нужно развить скорость, которую называют «второй космической», или «скоростью убегания»; для нашей планеты она составляет 11,19 км./сек. Ее значение тоже меняется с высотой, поэтому специалисты обычно используют значение 11,02 км./сек, которое соответствует высоте 200 км., именно там проходит «промежуточная» орбита, с которой стартуют межпланетные аппараты. Минимальная «скорость убегания» от Солнца – 42,12 км./сек. – в четыре раза больше, чем от Земли. Но если мы стартуем в направлении по движению нашей планеты вокруг Солнца, то используем ее собственную скорость, которая близка к 29,78 км./сек. Значит, необходимо иметь «на бесконечности», где притяжение Земли уже пренебрежимо мало, скорость 12,34 км./сек. Это соответствует скорости отлёта с низкой орбиты примерно 16,54 км./сек. относительно Земли – ее называют «третьей космической» скоростью. Рассчитать ее можно через закон сохранения энергии. Сам полет, если сделать всё правильно, будет продолжаться 259 дней.  Можно сократить время перелета, чуть увеличив начальную скорость. Например, если скорость поднять до 11,8 км./сек, то аппарат доберется до Марса за 165 дней; если до 12 км./сек., то за 144 дня; если до 13 км./с, то за 105 дней. (Л3) Но это всё пока только в теории, а как будет на самом деле – это дела нескольких столетий в будущем.
         Немаловажное значение имеет возможность нахождения человека внутри космического аппарата при полёте на Марс и к другим планетам. Рекорд скорости, с которой двигался человек, принадлежит тройке космонавтов миссии «Аполлон-10». Возвращаясь на Землю после облета Луны в 1969 г., капсула астронавтов разогналась до 24790 км./час (6,9 км./cек.) относительно планеты Земля. Аппарат «Орион» НАСА США, совершил полёт с экипажем в 2012 г., где  максимальная скорость для «Ориона» в 32 000 км./час (8,9 км./сек.) К нашему удивлению, скорость т. е. быстрота перемещения  сама по себе не является для нас физической проблемой, пока остается относительно постоянной в одном направлении. При разгоне аппарата до 40000 км./час, ускорение должно происходить постепенно. Быстрое ускорение и торможение могут быть смертельными для человеческого организма. Для человеческого тела постоянство скорости – это хорошо, опасаться надо только об ускорении. G-силы оказывают влияние вертикально, с головы до пят, или наоборот, и это может быть очень неудобно для космонавтов. Затуманивается зрение, может наступить полная потеря зрения. Высокая перегрузка может привести к обмороку, потере сознания. Человек может выдержать перегрузку в 5 G с головы до пят, после чего теряет сознание. В течение коротких периодов тело человека может переносить нагрузки выше 9 G. Рекорд мгновенной перегрузки принадлежит Элаю Бидингу, капитану американских ВВС. Он ехал задом наперед на санях с ракетным двигателем в 1958 г., где нагрузка получилась в 82,6 G, когда сани разогнались до 55 км./час за одну десятую секунды. Он выжил. Разнообразные двигательные системы на базе синтеза и распада атомов могут в теории разогнать аппарат до 10% скорости, т.е. 100 000 000 км./час. На один кубический сантиметр в космосе присутствует примерно один атом, космический водород превратится в бомбардировку интенсивной радиации. Этот водород вольется в субатомные частицы, которые будут проходить сквозь корабль, облучая экипаж и оборудование. При скорости в 95% световой, облучение почти мгновенно станет смертельным. Корабль раскалится до температуры плавления любого мыслимого материала, а вода в телах членов экипажа моментально закипит.  Скорости выше 10% световой будет очень сложно достичь. (Л4)
        Скорости космических аппаратов  (КА).
     1. Гиперзвуковые самолёты – 1,7 км./сек. (6100 км./час).
     2. Первая космическая скорость, для вывода на круговую постоянную орбиту КА, чтобы он не упал на Землю. – 7,9 км./сек. (28440 км./час.

                - 6 –

     3. Вторая космическая скорость, для проделывания гравитации Земли – 11,2
        км./сек. (40320 км./час)
     4. “Космический лифт” до высоты 36000 км. за 7,5 день без реактивного старта
        - 11,2 км./сек. (40320 км./час)
     5. Самая быстрая ракета “New Horizons”– 16,26 км./сек. (58536 км./час)
     6. Третья космическая скорость, для преодоления гравитации Солнца и уйти за
        пределы Солнечной системы – 16,54 км./сек. (59544 км./час)
     7. Самая быстрая КА в истории человечества “Saturn IV” – 17.8 км./сек.
     8. Скорость КА, которая необходима для полёта на Марс не менее – 18 км./сек.
       (64800 км./час)
     9. Скорость вращения Солнца – 20 км./сек. (72000 км./час). Диаметр Солнца в
        109 раз больше Земли.
    10. Скорость Земли вокруг Солнца – 29,74 км./сек. (107172 км./час)
    11. Скорость ухода от солн. притяжения– 42,12 км./сек.(151632 км./час)
    12. Скорость ухода во Вселенную – 66,93 км./сек. (240948 км./час)

               
               
     Вторая космическая скорость с высоты 200 км.     Схема  полёта от Земли к Марсу и его спутникам. 
    
         Согласно многим теориям, миллиарды лет назад Красная планета могла быть похожа на Землю и являлась идеальным местом для живых существ.
Гипотезы предполагают, что Земля и Марс образовались из материалов, столкнувшихся друг с другом. Стоит отметить, что миллиарды лет назад Солнце было более холодным и менее ярким, а в Солнечной системе было две планеты с жидкой водой, покрывающей большую часть их поверхности. Конечно же, речь идёт о Земле и Марсе. 
         Однако на земле углекислый газ поглощается океанами и задерживается в карбонатных породах. У планеты нашего соседа этот процесс не происходил, потому что океаны были слишком кислыми. Давным-давно Марс превратился из тёплой, влажной планеты в холодное, сухое и неприятное место, которым и является сегодня. Многие учёные на протяжении десятков лет задавались вопросом, в чём тому причина.
 
                - 7 -

Одно из возможных объяснений состоит в том, что Марс пережил массивное столкновение с астероидом, который удалил часть атмосферы планеты и «выключил» её магнитное поле. Другая теория изменений на Красной планете предполагает, что небесное тело, имея лишь половину диаметра Земли (с меньшей плотностью и меньшим ядром), остыло настолько, что активное магнитное поле заглохло. Это могло стать поворотным моментом в истории планеты.  Изменения связаны с угасанием магнитного поля. Его отсутствие позволило солнечному ветру уничтожить всю атмосферу. Здесь стоит добавить, что магнитное поле генерируется динамо-эффектом в ядре планеты. В настоящее время внутренняя часть Марса меньше и холоднее, чем на Земле, и не создаёт никакого поля для поддержки возможной атмосферы.
Установили, что временной шкалы около 100 миллионов лет было бы достаточно, чтобы преобразовать мир размером с Марс, не защищённый от солнечного ветра, из планеты с похожей земной атмосферой, в то, что есть сейчас. Многие опасаются, что история Марса, может повториться на Земле. Поэтому эти процессы учёные хотят изучить более досконально, потому что они важны для нас.  (Л3,4)               

                Литература:
      1.  Википедия. Марс ( (wikipedia.org) 
      2.  В. Иркутский   “Сколько лететь с Земли до Марса – время и маршруты.
          Время полёта на Марс, топливо скорость.” (https://equity.today/polet-
          na-mars.html?ysclid=lg158pnz3a1586)
      3.  С.Н. Рязанский “Какая скорость нужна, чтобы добраться до Луны
          и Марса?”  (wikireading.ru)
      4.  И. Хиль “Насколько быстрым и безопасным может быть космический
          полет для людей?” 12.08.2015 (/naskolko-bystrym-i-bezopasnym-
          mozhet-byt-kosmicheskij-polet-dlya-lyudej.html)   

                Материал подготовил Львов Ю.М.  02.04.23