Насколько сложнее высадиться на Луну вдали от экватора и полюсов?

На полярной орбите космический корабль может войти в сферу влияния Луны в месте, где вектор скорости относительно Луны компланарен большому кругу, проходящему через лунные полюса.

В апогее корабль движется со скоростью около 0,19 км/с относительно Земли, а Луна движется со скоростью около 1,02 км/с.

Векторы 0,19 и 1,02 км/с расположены под углом друг к другу, что немного увеличивает дельту V, но не сильно. Vinf относительно Луны составляет около 0,86 км/с, что почти равно скорости Vinf при выходе на экваториальную орбиту.

Дополнительный расход дельты V для достижения полюсов незначителен.

Более важным соображением являются возможности возвращения на Землю. Для низкоширотной лунной орбиты возможность запуска появляется на каждой орбите. Вы можете вернуться на землю практически в любое время. С полярной лунной орбитой возможности запуска открываются каждые две недели.

Еще одно соображение — освещение. Приземлиться рядом с полюсом означает приземлиться рядом с терминатором. Тени очень длинные, поэтому трудно различить рельеф местности на стартовой площадке.

Экваториальные (или околоэкваториальные) места предпочтительнее, поскольку полет с Земли на Луну может осуществляться по траектории свободного возврата . (Это означает, что если двигатель выйдет из строя во время долгого полета, космический корабль сделает петлю вокруг Луны и вернется на Землю.)

Все другие места могут быть достигнуты, например, более поздние высадки на Луну происходили в местах посадки дальше от предпочтительного района. Если бы они потерпели неудачу в полете, им пришлось бы каким-то образом организовать запуск двигателя, чтобы вернуться на Землю. ( Например , это было сделано в « Аполлоне-13 ».)

Во-первых, у меня нет опыта, чтобы рассчитать фактические значения того, насколько сложнее добраться до других посадочных площадок, но я рад добавить свои мысли по этому поводу.

Есть несколько различных вариантов профиля миссии, которые следует учитывать (адаптируя названия из режимов миссии Apollo ):

Прямой подъем

Весь ваш корабль приземляется, ничего не оставляя на орбите, затем по возвращении весь или часть вашего корабля покидает Луну, чтобы вернуться прямо на Землю (или в какой-то другой пункт назначения), снова ничего не оставляя на орбите.

В этом режиме ваши лунные орбиты не имеют особого значения: поскольку вы ничего не оставляете на орбите, орбиты посадки и подъема не должны совпадать. Вам просто нужна орбита выведения, которая проходит над участком (легко настроить при приближении к Луне, не требуя смены самолета, когда вы туда доберетесь), затем при вылете вам просто нужно взлететь в любом направлении, наиболее эффективном для того, где вы хотите идти (и снова корректировать курс в пути вместо смены самолета на орбите).

Обратите внимание, что это предполагает, что у вас нет проблем, которые могут задержать посадку, так что ваша орбита и место посадки больше не совпадают (либо делая посадку на запланированном месте невозможной, либо требуя больше топлива для исправления, и сколько топлива вы должны были включить конкретно по этой причине, что вы могли бы пропустить указанное полярное/экваториальное место?). Возможность составлять запасные планы, которые все равно приводят к успешной миссии, обычно является плюсом.

Рандеву на лунной орбите

Чтобы сэкономить на стоимости топлива при посадке и последующем запуске возвращаемой ступени, вы оставляете ее на орбите, поднимая на поверхность только более легкий посадочный модуль.

Учитывая, что вам в конечном итоге нужно встретиться с вашим этапом возвращения, у вас есть несколько вариантов (исходя из того, что вы предложили):

• Спланируйте продолжительность своего пребывания на поверхности, спланируйте свою орбиту так, чтобы она совпадала с местом посадки как для спуска, так и для подъема. Вам не нужно ждать полного оборота, вам просто нужно дождаться, когда ваша посадочная площадка окажется в плоскости вашего орбитального аппарата (хотя вы сэкономите немного топлива, если сможете воспользоваться вращением Луны, взлетев в прямом направлении, что потребовало бы ожидания полных ~29,5 дней). Лучше всего я могу объяснить это картинкой (простите за отсутствие художественных способностей):Вы не приземляетесь на полюсе, поэтому у вас есть наклонение орбиты где-то между вашей широтой (выравнивается каждые 29,5 дней) и полярной орбитой (выравнивается каждые 14,75 дней, чередуя восходящие и нисходящие проходы). Чем ближе наклонение вашей орбиты к посадочной широте, тем ближе время на поверхности будет к 0 или 29,5 дням (приземлиться на восходящий пролет, чтобы вскоре над головой был нисходящий пролет, или приземлиться на нисходящем пролете и ждать большую часть времени). месяц для восходящего прохода). Например, если вы переместите место посадки в другую часть синей линии, которая пересекает эту широту, потребуется 20 дней для следующей орбиты, совпадающей с местом посадки, вместо 10 дней, которые я представил на рисунке.

Кроме того, вот изображение орбиты Аполлона-15, иллюстрирующее, насколько Луна сместилась под орбиту командного модуля всего за 14 витков.

Вы экономите топливо, не нуждаясь в пересадке самолетов, но ваш график жестко ограничен орбитой вашей орбитальной ступени.

• Имейте высокий апоапсис, поэтому смена самолетов относительно дешева. Это означает, что у вас будет больше скорости, которую нужно сжечь при спуске, и больше скорости, которую нужно компенсировать при подъеме. Я подозреваю, что общий результат будет дешевле с точки зрения топлива, чем изменение самолета для выравнивания с круговой орбитой, но я не знаю математики, чтобы проверить это навскидку, и это все еще не будет дешевым.

• Спланируйте место посадки и орбиту таким образом, чтобы лунные гравитационные аномалии позаботились об изменении плоскости вашего орбитального этапа за вас. Я не знаю, насколько хороша карта лунного гравитационного поля, но я думаю, что нужно быть сумасшедшим, чтобы планировать это.

Вывод

Посадка на Луну связана с компромиссами:

• Вы можете посадить весь свой корабль, чтобы получить удобство (не нужно рандеву на Луну) и, возможно, устранить сложность, чтобы снизить риск, но вам потребуется больше топлива, чтобы посадить дополнительную массу.

• Вы можете оставить часть своего корабля на орбите (уменьшить массу посадочного модуля), чтобы сэкономить топливо при посадке, но теперь вам нужно выровнять орбиты и встретиться с вашим орбитальным аппаратом, когда вы уходите, поэтому вы должны учитывать широту места посадки.

Я бы сказал, что с менее доступным целевым сайтом, безусловно, можно работать, но вы должны решить, добавляет ли этот посадочный сайт достаточную ценность по сравнению с более удобным для доступа сайтом, чтобы он стоил дополнительных усилий.