Межпланетный космический полёт (межпланетное путешествие) — путешествие между планетами, как правило, в пределах одной планетной системыInterplanetary Flight: an introduction to astronautics.. В практике человечества понятие космический полёт такого типа означает реальный и гипотетический перелёт между планетами Солнечной системы. Составная часть гипотетических проектов колонизации космоса человечеством.
Практические достижения в области межпланетных путешествий Дистанционно управляемые космические зонды (Автоматическая межпланетная станция, АМС) пролетали вблизи всех планет Солнечной системы от Меркурия до Нептуна. Зонд «Новые горизонты», был запущен к девятой на тот момент планете — Плутону и пролетел мимо этой карликовой планеты в 2015 году. Зонд «Dawn» («Рассвет») в настоящее время находится на орбите карликовой планеты Церера.
Наиболее дальним космическим аппаратом является «Вояджер-1», который, вероятно, всё же покинул Солнечную систему, ещё 4 аппарата — Пионер-10, Пионер-11, Вояджер-2 и «Новые горизонты» продолжают свой полёт к границам системы и через некоторое время также покинут её«NASA Spacecraft Embarks on Historic Journey Into Interstellar Space» ..
В целом, миссии искусственных спутников других планет и спускаемые аппараты, позволяют получить гораздо более подробную и полную информацию, чем пролётные миссии. Космические зонды были выведены на орбиту вокруг всех пяти планет, известных с древних времён: сперва Марса («Маринер-9», 1971), затем Венеры («Венера-9», 1975; атмосферные зонды и спускаемый аппарат достигли планеты ранее), Юпитера («Галилео», 1995), Сатурна (Кассини и Гюйгенс, 2004), а в недавнее время Меркурия (MESSENGER, март 2011), и вернули ценные научные сведения о планетах и их спутниках.
Несколько миссий проводили сближения с астероидами и карликовыми планетами: NEAR Shoemaker в 2000 году вышел на орбиту крупного околоземного астероида 433 Эрос, и совершил посадку. Японская станция «Хаябуса» с ионным двигателем в 2005 году вышла на орбиту небольшого околоземного астероида 25143 Итокава, сблизилась с ним и вернула образцы с его поверхности на Землю. «Dawn» с ионным двигателем побывала на орбите крупного астероида Веста (июль 2011-сентябрь 2012) и затем перелетела на орбиту вокруг карликовой планеты Церера (март 2015).
Дистанционно управляемые аппараты Викинг, Pathfinder и марсоходы Mars Exploration Rover и Кьюриосити высадились на поверхности Марса, несколько космических аппаратов серий Венера и Вега достигли поверхности Венеры. Зонд Гюйгенс успешно приземлился на спутнике Сатурна, Титане.
До сих пор не предпринималось пилотируемых миссий по достижению планет Солнечной системы. Программа НАСА Аполлон позволила двенадцати астронавтам посетить поверхность спутника Земли — Луны и вернуться на Землю. Существовало несколько программ НАСА: «Созвездие» (отправка человека на Марс) и пилотируемый облёт Венеры, но они обе были отменены (в 2010 и конце 1960-х годов).
Причины межпланетных путешествий Высокие затраты и риск межпланетных путешествий привлекают широкое внимание населения. Множество миссий столкнулось с различными неисправностями или полным выходом из строя беспилотных зондов, например Марс-96, Deep Space 2 и Бигль-2. (В статье Список межпланетных космических аппаратов приводится полный список успешных и неудачных проектов).
Многие астрономы, геологи и биологи считают, что изучение Солнечной системы даёт знание, которое не может быть получено лишь при помощи наблюдений с поверхности Земли или с земной орбиты. Существуют различные точки зрения относительно того, принесут ли пилотируемые миссии полезный научный вклад; некоторые учёные считают, что автоматические зонды дешевле и безопаснее, в то время как другие утверждают, что космонавты при помощи советов от земных учёных, смогут реагировать более гибко и разумно на новые или неожиданные особенности изучаемых регионовCrawford, I.A. (1998)..
Те, кто оплачивает расходы на подобные миссии (прежде всего в государственном секторе), вероятнее всего будут заинтересованы в выгоде для себя или для человечества в целом. Пока только преимуществами такого подхода стали различные «побочные» технологии, изначально разработанные для космических полётов, но затем пригодившиеся в других видах деятельности.
Другие практические мотивы для межпланетных путешествий являются более спекулятивными, поскольку современные технологии ещё не достаточно развиты для поддержки тестовых проектов. Писателям, работающим в жанре научной фантастики, иногда удаётся прогнозировать будущие технологии — например, были предсказаны геостационарные спутники связи (Артур Кларк) и некоторые аспекты компьютерных технологий (Мак Рейнольдс).
Множество научно-фантастических рассказов (в частности, истории Бена Бова серии «Гранд Тур») подробно описывают, как люди могли бы добывать полезные минералы из астероидов или получать энергию различными путями, включая использование солнечных батарей на орбите (где им не мешают облака и атмосфера). Некоторые считают, что лишь такие технологии могут стать единственным способом обеспечения роста уровня жизни без излишнего загрязнения или истощения ресурсов Земли (например, снижение уровня добычи ископаемых энергоносителей — так называемый пик нефти — был предсказан за десятилетия до его начала).
Наконец, колонизация человечеством других частей Солнечной системы позволит предотвратить вымирание человечества в ходе того или иного потенциального катастрофического для Земли события, множество из которых являют неотвратимыми (см. статью Варианты гибели человечества). Среди возможных событий — столкновения с крупным астероидом, один из которых, вероятно, ранее способствовал Мел-Палеогеновому вымиранию. Хотя и прорабатываются различные системы мониторинга астероидных угроз и планетарной защиты, текущие методы обнаружения и борьбы с астероидами остаются чрезвычайно дорогими, сырыми, непроработанными и малоэффективными. Например, углистые хондриты имеют очень низкое альбедо, что сильно осложняет их обнаружение. Хотя углистые хондриты считаются редкими, некоторые из них очень велики и подозреваются в участии в массовых вымираниях крупных видов. Так, крупнейший по своим последствиям Чиксулуб, возможно, был углистым хондритом.
Некоторые учёные, в том числе члены Space Studies Institute (Принстонский университет), утверждают, что в долгосрочном плане подавляющее большинство людей в конечном счёте будут жить в космосеValentine, L (2002)..
Энергетика межпланетного полёта Одной из основных задач в практических межпланетных путешествиях остаётся получение очень больших изменений скорости, необходимых, чтобы путешествовать от одного тела к другому в рамках Солнечной системы.
Из-за гравитационного притяжения Солнца космический корабль, движущийся по орбите дальше от Солнца, имеет более низкую скорость, чем космический аппарат, движущийся на более близкой орбите. Кроме того, все планеты находятся на разных расстояниях от Солнца, планета, с которой космический аппарат стартует, и планета-назначение движутся с различными скоростями (в соответствии с третьим законом Кеплера). Из-за этих причин космическому кораблю при полёте к планете, находящейся ближе к Солнцу, требуется значительно уменьшить свою орбитальную скорость, чтобы достичь цели, в то время как полёты к более дальним планетам потребуют существенного увеличения скорости корабля по отношению к СолнцуCurtis, Howard (2005).. Если космический корабль должен не просто пролететь мимо планеты, а выйти на орбиту вокруг неё, при сближении он должен выровнять собственную скорость со скоростью планеты, на что также требуется затратить значительные усилия.
Прямолинейный подход к подобной задаче — попытка ускорения по самому короткому маршруту к цели и изменение скорости у цели — потребовал бы слишком больших объёмов топлива. И топливо, необходимое для таких изменений скорости должно быть запущено с самим кораблём, из-за чего потребуется ещё больше топлива на отлёт корабля к цели, и ещё больше — на вывод корабля и топлива на исходную орбиту вокруг Земли. Разработано несколько методов снижения потребности в топливе для межпланетных путешествий.
Например, космический корабль, путешествующий с низкой околоземной орбиты к Марсу с помощью классической перелётной (гомановской) траектории сперва должен произвести увеличение скорости на (параметр, называемый характеристической скоростью орбитального манёвра), совершить многомесячный перелёт, затем, после перехвата Марса, он должен уменьшить свою скорость ещё на для того, чтобы сравняться с орбитальной скоростью Марса вокруг Солнца и войти на орбиту вокруг планеты«Rockets and Space Transportation».. Для сравнения, запуск космического корабля на низкую околоземную орбиту требует изменения скорости на величину около .
Гомановские траектории
В течение многих лет под экономичными межпланетными полётами подразумевалось использование Гомановских переходных траекторий. Гоманн доказал, что в орбитальной механике маршрутом перелёта между двумя орбитами с наименьшими затратами энергии является эллиптическая орбита, образующая касательную к исходной и целевой орбитам. В случае межпланетных полётов к более дальним планетам это означает, что космический корабль изначально стартует с орбиты, близкой к орбите Земли вокруг Солнца так, чтобы второе изменение скорости произошло в Афелии, то есть с противоположной от старта точке относительно Солнца. Космический корабль, использующий такой маршрут при путешествии с Земли на Марс, затратит на полёт около 8,5 месяцев. Правильно спланированный манёвр позволит достичь орбиты Марса вблизи момента прохождения планетой точки второго изменения скорости, что позволит сразу выйти на орбиту вокруг планеты.
Подобные расчёты гомановских перелётов применимы к любым парам орбит, например, это самый распространённый способ отправки спутников на геостационарную орбиту после их вывода на низкую околоземную опорную орбиту. Гомановский перелёт занимает время, близкое к половине периода обращения внешней орбиты, что в случае внешних планет займёт несколько лет и малопрактично для пилотируемых полётов из-за вопросов сохранности полезной нагрузки. Также перелёт основан на предположении, что в точках начала и конца манёвра отсутствуют крупные тела, что верно при изменении околоземных орбит, но требует более сложных расчётов при межпланетных полётах.
Гравитационная праща
Манёвр Гравитационной пращи использует гравитацию планет и лун для изменения скорости и направления полёта космического корабля без использования топлива. При типичном использовании в манёвре используется пролёт вблизи третьей планеты, обычно находящейся между орбитами отправления и назначения, при котором изменяется направление полёта. Общее время в пути за счёт прироста скорости значительно сокращается, или к конечной точке доставляется больший груз. Ярким примером использования пращи являются два аппарата программы «Вояджер», использовавших серию манёвров у нескольких внешних планет Солнечной системы. При полётах во внутренней части Солнечной системы сложнее использовать такой манёвр, хотя они применяются при пролётах мимо близлежащих планет, например, Венеры, а иногда даже используется Луна для начала полёта к внешним планетам.