Все космические корабли, с самого начала запусков и до последнего времени, для вывода полезного груза на орбиту используют реактивную тягу. Принцип тут достаточно прост и использовался еще в средневековом Китае: при сгорании топлива в небольшом пространстве (камере сгорания) образуются его сжатые пары, которые равномерно давят на все стенки камеры. И если в одной из стенок есть отверстие — сопло — то газ устремится в него, поэтому давление на противоположную стенку окажется не уравновешенным, из-за закона сохранения импульса ракета полетит в противоположную вырывающимся из сопла газам сторону. Конечно, на практике современные ракетные двигатели устроены сложнее, но основной принцип не менялся уже много лет. 

Подписаться на iGuides в Telegram, чтобы узнать обо всем первым — t.me/iguides

Но зачем такие сложности? Все просто — чтобы оказаться на стабильной круговой орбите вокруг Земли, нужно набрать так называемую первую космическую скорость — порядка 8 км/с. В теории, тело, летящее на такой скорости, никогда обратно на Землю не упадет — на практике, увы, этому мешает сопротивление воздуха. Но нам же мало круговой орбиты, верно? Для того, чтобы вырваться из притяжения Земли, нам нужна уже вторая космическая скорость — 11.2 км/с. И если мы полетим с такой скоростью или большей, мы сможем спокойно бороздить просторы Солнечной системы. Но мы хотим лететь дальше, не так ли? Для того, чтобы улететь из Солнечной системы, нужна скорость уже в 47 км/с относительно Солнца, но с учетом скорости вращения Земли вокруг нее в 30 км/с минимальная третья космическая скорость относительно Земли составляет 47 - 30 = 17 км/с.

Казалось бы — да, скорости крайне велики, но ведь в теории при движении ракеты никаких ограничений в скорости нет — единственным пределом является скорость света, но она в 10000 раз больше и нам на данный момент абсолютно не мешает. Но, увы, и тут есть немаловажный ограничитель — это масса. Воспользуемся формулой Циолковского, которая показывает соотношение между конечной скоростью (V) летательного аппарата и массами до (M₁) и после старта (M₂):

Не пугайтесь, мы на ней долго останавливаться не будем. Параметр I — удельный импульс (отношение тяги к расходу топлива) — нас сейчас мало интересует: нам интересно узнать, насколько больше нужно взять топлива, чтобы покинуть Солнечную систему, чем для того, чтобы просто вывести корабль на круговую орбиту. Скорости в данном случае различаются в почти 6 раз (47/8) — значит, отношение масс различается уже в e⁶ раз, или почти в 400 раз.

Думаю, многие видели, как стартуют ракеты — произведения высотой с многоэтажный дом, при старте которых трясется земля. А теперь представьте, что для того, чтобы отправить ту же полезную нагрузку за пределы Солнечной системы, нужно объединить несколько сотен таких ракет вместе. Нереально? Еще бы.

К счастью, на практике дела обстоят сильно лучше. Во-первых, тут нам помогает сама Земля — как я писал выше, она движется вокруг Солнца со скоростью в 30 км/с, поэтому если подгадать момент и отправить ракету по движению планеты, то можно уменьшить нужную скорость вылета из Солнечной системы на 30 км/с.

Во-вторых, можно использовать гравитационные маневры: используя гравитацию других планет и точно рассчитав траекторию полета, можно как ускорить, так и замедлить космический аппарат. Так, Вояджер-1, совершив гравитационный маневр вокруг Юпитера, потратил совсем немного топлива, но увеличил при этом свою скорость на 4 км/с — достаточно внушительная величина.



Поэтому если мы будем считать скорость старта с Земли «по минимуму», учитывая движение самой планеты и гравитационные маневры, то можно обойтись скоростью, несильно выше второй космической — а это вполне достижимая величина: это доказывают множество лунных, марсианских и иных инопланетных миссий, да и те же Вояджеры, которые смогли покинуть гелиосферу Солнца (то есть область, где солнечный ветер сдерживает космическое излучение), отличное тому подтверждение.

С Землей разобрались — а что насчет других планет? Ведь с помощью телескопа Кеплер и иных способов мы обнаружили достаточно много экзопланет, находящихся в обитаемой зоне своих звезд — как там обстоят дела с возможностью отправки в межзвездное пространство?

Увы — не очень хорошо. Из-за несовершенства наших приборов мы можем определять лишь некоторые классы планет: это или гиганты по типу Юпитера или Сатурна, где не может быть жизни, схожей с нашей, или различные типы планет, расположенные очень близко к своей звезде. И чтобы на последних могла существовать жидкая вода, их звезды должны быть достаточно слабыми — и лучше всего на эту роль подходят красные карлики.

Эти звезды сильно распространены во вселенной — так, 20 из 30 ближайших к нам звезд именно такие. Они обычно имеют массу в десяток процентов от солнечной, и их светимость на несколько порядков ниже, поэтому планеты, находящиеся в непосредственной близости к ним, не превращаются в «филиалы ада», как тот же Меркурий, а имеют вполне комфортные температуры.

По счастливой случайности, одна из ближайших к нам звезд — Проксима Центавра — как раз является красным карликом и имеет в зоне обитаемости землеподобную планету, названную Проксима b. И ученым, разумеется, было интересно рассчитать, какая нужна скорость, чтобы улететь от нее в межзвездное пространство.


В масштабе — красный карлик, Солнце, голубые гиганты.

И результат, увы, не порадовал: хотя масса Проксимы Центавра составляет всего 12% солнечной, из-за того, что планета в 20 раз ближе к ней, чем Земля к Солнцу, скорость получается 65 км/с — на 40% выше, чем для Земли. Казалось бы — все, улететь от этой планеты будет практически нереальной задачей.

Но, как я уже писал выше, 65 км/с — это гарантированная скорость, с которой можно улететь из системы Проксимы Центавра, двигаясь в любом направлении. А что если мы воспользуемся собственной скоростью планеты? Зная, что радиус орбиты составляет 5% от земного (это 7.5 млн км), а один оборот вокруг звезды планета совершает за 11.2 суток, легко определить, что ее скорость вращения составляет 48 км/с. То есть в лучшем случае при помощи планеты третью космическую скорость можно снизить до 65 - 48 = 17 км/с — то есть до почти такой же, как и для Земли. 

Правда, стоит учитывать, что гравитационный маневр в системе Проксима Центавра совершить не удастся — там нет планет-гигантов, так что еще больше снизить скорость с 17 км/с не получится. Давайте посчитаем, насколько больше нам придется потратить топлива.


Траектория межпланетной космической станции «Новые горизонты».

Самый быстрый космический аппарат — Новые горизонты — покинет Солнечную систему со скоростью в 14 км/с. То есть отношение скоростей составляет 17/14 = 1.2, а значит отношение масс по формуле Циолковского будет больше уже в 3.3 раза — конечно, разница существенная, но вполне достижимая с современными технологиями.

Так что хоть и не без труда, но улететь от ближайшей к нам планете в межзвездное пространство все же можно. И хотя наша планета из-за достаточно большой удаленности от Солнца все же экономит нам часть топлива — как видно, это является лишь приятным бонусом, и нисколько не ограничивает возможные космические путешествия с других планет.