Управление воздушным движением в масштабах планеты — это головоломка из логистики, международных норм и погодных переменных. Но в не столь отдалённом будущем коммерческая авиация покажется детской забавой по сравнению с тем, что потребуется для работы первого лунного космопорта человечества.
Станция Gateway станет первой в истории окололунной станцией и ключевым элементом программы Artemis. Источник изображения — popsci.com
Если всё пойдёт по плану, NASA рассчитывает запустить комплекс Gateway в течение ближайших 20 лет. Заработав, этот орбитальный транспортный узел будет переправлять астронавтов, грузы и научное оборудование к первой постоянной базе на поверхности Луны. И даже если вынести за скобки строительство такой махины, безопасно работать станция сможет только при условии точнейших математических и гравитационных расчётов, которые земной авиации попросту не нужны.
Как объясняют исследователи в работе, опубликованной в журнале Acta Astronautica, всё завязано на траектории под названием околопрямолинейная гало-орбита (NRHO). Этот сравнительно устойчивый маршрут даёт самое экономичное по топливу «космическое шоссе» и непрерывную линию прямой видимости между кораблями и специалистами на Земле.
Простой эту орбиту, впрочем, не назовёшь. NRHO представляет собой сильно вытянутую петлю яйцевидной формы: в ближайшей точке она проходит примерно в 1600 километрах над северным полюсом Луны, а разворачивается на удалении около 64 000 километров за южным полюсом. И благодаря физике станция вместе со всеми экипажами и грузами постоянно находится в зоне гравитационного перетягивания каната между Землёй и Луной.
Концепт-арт: корабль Orion приближается к станции Gateway. Источник изображения — popsci.com
Дальше начинается самое интересное — лунный «час пик». Спланировать полёт одного корабля к Луне относительно несложно. А что делать, когда к ней одновременно направляются несколько экипажей? Как и в случае с дорогой на работу или с рулёжкой самолётов по аэродрому, решение сводится к ожиданию в режиме готовности.
«Ожидание в космосе означает удержание корабля относительно определённой орбиты или траектории без немедленного выполнения манёвра», — поясняет соавтор исследования Дайан Дэвис, инженер космических систем из Техасского университета A&M.
На Земле стоящий транспорт остаётся стоять — по крайней мере, относительно. В космосе такое «ожидание» превращается в борьбу с орбитальной физикой на протяжении дней и даже недель. «Каждый корабль постоянно движется, — объясняет Дэвис. — Это зона Златовласки: „припаркованные“ аппараты должны находиться достаточно далеко друг от друга ради безопасности, но достаточно близко к цели, чтобы ресурсы расходовались эффективно».
Вместе с коллегами из NASA и Университета Пердью Дэвис прогнала тысячи компьютерных симуляций, чтобы найти оптимальные способы безопасно удерживать несколько кораблей рядом с Gateway — с учётом неизбежных факторов вроде сбоев двигателей и навигационных погрешностей. Вывод: нужен набор новых манёвров, удерживающих аппараты как можно ближе к расчётным точкам. Эти манёвры можно наслаивать друг на друга по мере того, как очередь у станции растёт. Сами расчёты Дэвис сравнивает с нанизыванием жемчужин на нить: «Корабли будут естественным образом выстраиваться вдоль лунной орбиты относительно Gateway».
Стоит пояснить, чем околопрямолинейная гало-орбита выгоднее низкой окололунной. Аппарат на низкой орбите вокруг Луны вынужден постоянно бороться с неоднородностями лунного гравитационного поля — так называемыми масконами, — и тратить топливо на удержание. NRHO почти уравновешена между притяжением Земли и Луны, поэтому на поддержание орбиты уходят единицы метров в секунду в год вместо десятков. Для станции, рассчитанной на десятилетия работы, эта разница определяет саму возможность проекта.
Есть у такой орбиты и обратная сторона, о которой в исследовании говорится косвенно. Период обращения по NRHO составляет около недели, и стыковочные окна открываются не когда удобно экипажу, а когда сходится геометрия. Именно поэтому «парковка» кораблей рядом со станцией становится не роскошью, а обязательным элементом: опоздавший на окно аппарат ждёт следующего несколько суток.
На бумаге всё звучит стройно, но перевести эти концепции в многомиллиардные миссии, где на кону десятки жизней, невероятно сложно. Эффектности в такой работе меньше, чем в старте с Gateway к поверхности Луны, — а значения для будущего пилотируемой космонавтики ровно столько же. «Будущее исследования Луны зависит от управления трафиком не меньше, чем от ракетостроения», — резюмирует Дэвис.
