Самарская студентка доказала возможность исследования Фобоса с помощью "космического лифта"

Студентка Самарского университета им. Королёва (вуза-участника национального проекта "Наука и университеты") Дарья Нерядовская математически доказала возможность использования "космического лифта" при проведении дистанционных исследований марсианского спутника Фобос. В научной работе она представила расчеты, которые дают необходимое математическое обоснование для осуществления в перспективе проекта НАСА PHLOTE (Phobos L1 Operational Tether Experiment, "Флоут"), предполагающего спуск научной аппаратуры на тросе с космического зонда, висящего в нескольких километрах над поверхностью марсианского спутника.

Данный проект НАСА, обнародованный в 2017 году, пока не реализован и последние несколько лет представлен в открытых источниках лишь в виде общей концепции, без подробностей и какого-либо математического обоснования. Исследование Дарьи Нерядовской не только подтверждает возможность осуществления такого проекта на практике, но и значительно расширяет перспективы проведения подобных исследовательских миссий - благодаря расчетам студентки ученые смогут опустить на тросе больший, чем предполагалось, груз аппаратуры и исследовать обе стороны Фобоса, а не только одну, как говорится в изначальной концепции проекта PHLOTE. Кроме того, данные расчеты применимы и для организации миссий к другим подобным спутникам планет Солнечной системы, например, к другому спутнику Марса - Деймосу. Работа Дарьи Нерядовской была поддержана грантом Российского научного фонда (проект № 19-19-00085).

"Использование тросовых систем для изучения и освоения планет Солнечной системы и их спутников является одной из актуальных задач современной космонавтики. Большое внимание в настоящее время уделяется исследованию спутника Марса Фобоса, происхождение которого до сих пор не установлено. Результаты проведенного исследования подтверждают возможность осуществления миссии, подобной PHLOTE, со строительством "космического лифта" и спуском оборудования и датчиков на специальном тросе с борта космического аппарата, находящегося в точке либрации, - рассказала Дарья Нерядовская. - Для подготовки такой исследовательской миссии вначале необходимо разработать теоретическое обоснование, получить подтверждение, что данный проект в принципе осуществим, а для этого нужно выполнить большой объем аналитических и численных расчетов различных моделей движения тросовой системы и способов управления ею. В открытых материалах НАСА не представлено каких-либо аналитических выкладок по расчетам, есть только некоторые данные. Поэтому выполненные расчеты могут помочь в дальнейшем реализовать подобную миссию по изучению Фобоса или другого естественного спутника, находящегося в схожих с Фобосом условиях".

Согласно концепции миссии НАСА, космический зонд PHLOTE, находясь на высоте примерно 3 км от поверхности Фобоса, спустит на тросе из углеродных нанотрубок аппарат с приборами и датчиками. В одном из вариантов проекта аппарат с приборами опустится непосредственно на поверхность спутника, в другом - остановится на высоте 400 метров. После выполнения цикла исследований спускаемый аппарат можно будет поднять обратно на борт зонда и доставить на Землю или использовать в другой точке пространства.

Как рассчитали ранее ученые, для того, чтобы "космический лифт" работал максимально устойчиво и надежно, необходимо, чтобы центр тяжести тросовой системы находился в одной из точек Лагранжа, или точек либрации, в системе Марс - Фобос: L1 или L2. В этих особых точках космического пространства - точках Лагранжа - различные физические силы настолько успешно компенсируют взаимное воздействие друг на друга, что небольшой объект, оказавшийся в такой точке, оказывается как бы в гравитационной "невесомости" или гравитационном равновесии - его не притягивает ни к одному из двух массивных вращающихся небесных тел, под чье общее влияние он попал (например, под влияние Марса и Фобоса). Поэтому траектория движения объекта, находящегося в точке Лагранжа, оказывается весьма устойчивой и мало подверженной внешнему влиянию.

В проекте НАСА планируется задействовать только одну точку либрации - L1. В работе самарской студентки рассчитаны параметры также и для тросовой системы, размещаемой в точке L2, которая находится с обратной стороны Фобоса, невидимой с Марса (в этом Фобос похож на земную Луну). Два "космических лифта" позволят изучать марсианскую луну с обеих сторон. Кроме того, проведенные расчеты позволяют увеличить массу аппарата с приборами и датчиками до 50 кг, в зависимости от возможностей космического зонда. В проекте НАСА масса спускаемого аппарата составляет лишь 15 кг.

"Проведенные расчеты развивают на перспективу идею проекта PHLOTE по исследованию Фобоса. Разместив тросовые системы в коллинеарных точках либрации L1 и L2, можно проводить дистанционные исследования всей поверхности марсианского спутника. С помощью размещенной над Фобосом системой видеонаблюдения можно будет с достаточно близкого расстояния следить за ходом исследовательской миссии, высадившейся на поверхность Фобоса. Кроме того, такой "лифт" может служить промежуточной станцией для проведения исследований, связанных с изучением окружающего космического пространства, а также в качестве промежуточной площадки для межпланетных перелетов - например, для высадки на Марсе или для возвращения с Марса на Землю", - отметила Дарья Нерядовская.

Справочно

*Научная работа опубликована в авторитетном международном журнале Aerospace: Aslanov V. S., Neryadovskaya D. V. A Tether System at the L 1, L 2 Collinear Libration Points of the Mars–Phobos System: Analytical Solutions // Aerospace. – 2023. – Т. 10. – №. 6. – С. 541.

**Фобос (др.-греч. "страх") - один из двух спутников Марса, наряду с Деймосом (др.-греч. "ужас"). Оба спутника были открыты в 1877 году американским астрономом Асафом Холлом. За полтора века до этого, в вышедшем в 1726 году романе "Путешествия Гулливера" Джонатан Свифт писал, что астрономы летающего острова Лапуту открыли два спутника Марса. Космическое происхождение обоих марсианских спутников до сих пор остается неясным.

***Точки Лагранжа (точки либрации) существуют в системах, состоящих из двух массивных небесных тел (например, пары Земля и Луна или Земля и Солнце), где тело с меньшей массой вращается вокруг тела с большей массой. Из-за взаимного уравновешивания центробежной силы и гравитационных сил в подобных системах возникают пять пространственных точек, находясь в которых третье тело с очень малой массой (например, спутник или частицы межпланетной пыли) может оставаться неподвижным во вращающейся системе отсчета, связанной с массивными телами. Точки Лагранжа получили своё название в честь французского математика Жозефа Луи Лагранжа, который в 1772 году путем математических вычислений сделал вывод о существовании этих особых точек.

Текст: Алексей Соколов
Фото: Олеся Орина