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.
«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.
