سفر به ماه چقدر طول می کشد؟ راه های شگفت انگیز رسیدن به قمر زمین - سرزمین کانادا

با وجود آنکه ماه نزدیک ترین همسایه کیهانی زمین محسوب می گردد، رسیدن به آن به محاسبات پیچیده مداری، فناوری های پیشرفته پیشرانش و انتخاب مسیر مناسب احتیاج دارد. به همین علت طراحی مسیرهای متفاوتی برای هر مأموریت انجام می گردد. با انتخاب راه های متفاوت، بعضی فضاپیماها تنها در چند روز به ماه می رسند و بعضی دیگر، برای پیمودن همین فاصله، چندین ماه زمان صرف می نمایند.

زمان سفر به ماه چقدر است؟

به طور معمول، سفر از زمین به ماه با استفاده از موشک های قدرتمند سوخت شیمیایی، حدود 3 روز طول می کشد. این زمان با توجه به نوع مأموریت، مسیر انتخاب شده و هدف نهایی فضاپیما می تواند کمی متفاوت باشد. برای نمونه، فضاپیمای آپولو 11 حدود 102 ساعت و 47 دقیقه پس از پرتاب روی سطح ماه فرود آمد، در حالی که آپولو 8 در مدت تقریبا 69 ساعت به مدار ماه رسید.

در مأموریت های بدون سرنشین نیز زمان سفر به ماه دامنه گسترده ای دارد. بعضی فضاپیماها برای عبور از کنار ماه تنها به چند ده ساعت احتیاج دارند، اما مأموریت هایی که با هدف کاهش مصرف سوخت طراحی می شوند، ممکن است چند هفته یا چند ماه در مسیر باقی بمانند.

بدین ترتیب نمی توان برای تمام مأموریت ها زمان مشخصی معین کرد. نوع پیشرانه، سرعت اولیه فضاپیما، اندازه سوخت در دسترس و پیچیدگی مسیر انتقالی، همگی بر مدت زمان سفر تأثیر می گذارند. به طور کلی مهم ترین طراحی مسیرها برای سفر به ماه شامل موارد زیر می گردد.

فاصله زمین تا ماه

فاصله میانه زمین تا ماه حدود 384 هزار و 400 کیلومتر است. البته این فاصله ثابت نیست. ماه در مداری بیضوی به دور زمین حرکت می نماید و در نزدیک ترین موقعیت خود (حضیض مداری) حدود 363 هزار و 300 کیلومتر و در دورترین موقعیت (اوج مداری) حدود 405 هزار و 500 کیلومتر از زمین فاصله دارد.

با وجود این فاصله نسبتا زیاد، ماه در مقیاس کیهانی به زمین بسیار نزدیک است. برای درک بهتر این موضوع کافی است بدانیم نور که با سرعت تقریبی 300 هزار کیلومتر بر ثانیه حرکت می نماید، حدود 1.3 ثانیه زمان احتیاج دارد تا از ماه به زمین برسد. در مقابل، یک فضاپیما باید چندین روز در فضا حرکت کند تا این فاصله را بپیماید.

علاوه بر سرعت کم تر فضاپیما نسبت به نور، علتش این است که فضاپیماها در یک خط مستقیم به سمت ماه نمی روند. در طراحی مسیر، حرکت هم زمان زمین و ماه، میدان گرانشی دو جرم و سرعت لازم برای ورود مداری و فرود روی سطح هم در نظر گرفته می گردد.

چرا سفر به ماه معمولا سه روز طول می کشد؟

برای سفر به ماه، مهندسان فضایی باید میان سه عامل مهم تعادل برقرار نمایند: سرعت فضاپیما، اندازه سوخت مصرفی و دقت رسیدن به مقصد. موشک پس از پرتاب، ابتدا فضاپیما را در مدار مناسبی پیرامون زمین قرار می دهد؛ عملیاتی که به آن تزریق مداری (Orbit Injection) گفته می گردد. سپس با انجام مانوری به نام تزریق انتقالی به ماه (Trans-Lunar Injection) یا TLI، سرعت و جهت حرکت آن را به گونه ای تغییر می دهد که وارد مسیر انتقالی زمین به ماه گردد.

یکی از روش های متداول برای این کار، استفاده از انتقال مداری نزدیک به انتقال هوهمان (Hohmann Transfer) است. در این روش، فضاپیما با انجام یک مانور پیشران وارد مسیری بیضوی می گردد که آن را از مدار زمین به نزدیکی مدار ماه می رساند. پس از رسیدن به مقصد نیز ممکن است به یک مانور پیشران دیگر برای کاهش سرعت و ورود به مدار ماه احتیاج داشته باشد.

این روش از نظر مصرف سوخت بسیار کارآمد است و در عین حال امکان رسیدن نسبتا سریع به ماه را فراهم می نماید. البته مسیر واقعی مأموریت ها لزوما یک انتقال هوهمان ساده نیست و مهندسان با در نظر گرفتن گرانش ماه، زمان پرتاب و محدودیت های فضاپیما، مسیرهای پیچیده تری را طراحی می نمایند.

با انتخاب این مسیر متداول و کارآمد است که سفر معمول به ماه با پیشرانه های شیمیایی قدرتمند، حدود سه روز طول می کشد. هرچند رسیدن به مدار ماه، فرود روی سطح آن و عبور از کنار ماه سه هدف متفاوت هستند و بسته به مأموریت زمان متفاوتی دارند.

مسیرهای متداول سفر به ماه

با متداول شدن سفر فضاپیماهای بدون سرنشین و سرنشین دار به ماه، برای رسیدن به ماه از مسیرهای متفاوتی استفاده می گردد. هر کدام از نظر مدت سفر، اندازه مصرف سوخت و پیچیدگی مانورها ویژگی های خاص خود را دارند به طوری که بعضی سفر سریع تر و بعضی مصرف کم تر سوخت را در نظر می گیرند. در ادامه، مهم ترین روش های انتقال به ماه بیان شده است.

انتقال مستقیم به ماه؛ سریع ترین مسیرهای متداول

یکی از روش های متداول رسیدن به ماه، انتقال مستقیم به ماه (Direct Lunar Transfer) است. در این روش مبتنی بر انتقال هوهمن، فضاپیما پس از پرتاب و خروج از محدوده نزدیک زمین، مستقیما وارد یک مسیر انتقالی به ماه می گردد. برخلاف روش هایی که ابتدا فضاپیما را مدتی اطراف زمین نگه می دارند، در این روش احتیاجی به گردش اولیه در مدار پارکینگ نیست.

برای اجرای این روش که حدود 1.5 تا 4 روز طول می کشد، موشک حامل باید سرعت و جهت حرکت مناسبی به فضاپیما بدهد تا از میدان گرانشی زمین خارج گردد و بلافاصله در مسیر رسیدن به ماه قرار بگیرد. پس از خاتمه مرحله پیشرانش، فضاپیما بخش عمده مسیر را تحت تأثیر گرانش زمین و ماه طی می نماید.

کاوشگر لونا 1 (Luna 1) اتحاد جماهیر شوروی، نمونه تاریخی این روش است. این فضاپیما در 2 ژانویه 1959 (12 دی 1337) پرتاب شد و تنها حدود 34 ساعت بعد به نزدیکی ماه رسید. هرچند هدف اولیه آن برخورد با سطح ماه بود، اما به علت خطای سامانه راهنمایی و سرعت بیش از حد، در فاصله حدود 6 هزار کیلومتری از کنار ماه گذشت و در نهایت وارد مدار خورشیدمرکزی شد.

روش انتقال مستقیم، معمولا برای مأموریت هایی مناسب است که رسیدن سریع به ماه اهمیت دارد و پرتاب گر توانایی تأمین انرژی اولیه لازم را دارد. البته این روش به معنای حرکت در یک خط مستقیم هندسی نیست، بلکه مسیر فضاپیما همچنان تحت تأثیر حرکت مداری ماه و میدان های گرانشی قرار گرفته است و باید اصلاحات کوچکی انجام گردد.

برای رسیدن به سطح ماه در برنامه آرتمیس، یکی از روش های در نظر گرفته شده، وارد شدن به مدار هاله ای نزدیک راست خط (NRHO) است. مداری کشیده و سه بعدی پیرامون ماه که برای استقرار ایستگاه فضایی دروازه ماه (Lunar Gateway) در نظر گرفته شده بود. هرچند به گفته ناسا قرار است در مأموریت های مختلف انتخاب مدار ورود، بسته به احتیاج مأموریت انجام گردد.

انتقال از مدار پارکینگ زمین؛ روش مأموریت های آپولو

یکی دیگر از روش های متداول سفر به ماه، ابتدا قرار دادن فضاپیما در مدار پارکینگ زمین (Earth Parking Orbit) و سپس فرستادن آن به سمت ماه است. روش انتقال از مدار پارکینگ، به مهندسان امکان می دهد تا پیش از شروع سفر میان سیاره ای، شرایط فضاپیما و سامانه های حیاتی آن را در فضا آنالیز نمایند.

در این روش که مجموعا حدود 3 تا 4 روز زمان می برد، موشک ابتدا فضاپیما را در مداری نسبتا پایین پیرامون زمین تزریق می نماید. پس از آنالیز های اولیه، مرحله پیشران موشک دوباره روشن می گردد و با افزایش سرعت فضاپیما، آن را وارد مسیر انتقالی زمین به ماه می نماید. این مانور مهم با عنوان تزریق انتقالی به ماه (Trans-Lunar Injection) یا TLI شناخته می گردد.

مسیر انتقالی معمولا بیضوی است و به گونه ای طراحی می گردد که فضاپیما در زمان مناسب به موقعیت ماه برسد. از نظر مصرف انرژی، این مسیر به انتقال هوهمان شباهت دارد، اما به علت حرکت ماه و تأثیر گرانش آن، مسیر واقعی مأموریت پیچیده تر از یک انتقال هوهمان ساده است.

مأموریت آپولو 11 نمونه مشهور این روش محسوب می گردد. ابتدا موشک ساترن 5 فضاپیمای آپولو را در مدار پارکینگ زمین قرار داد. سپس پس از حدود دو ساعت و 44 دقیقه و یک دور و نیم گردش به دور زمین، مرحله سوم موشک دوباره روشن شد و فضاپیما را وارد مسیر انتقالی به ماه کرد.

اهمیت این روش به ویژه در در مأموریت های سرنشین دار خود را نشان می دهد. چون امکان آنالیز سامانه های فضاپیما پیش از شروع سفر طولانی به اعماق فضا را فراهم می نماید. بعلاوه می توان زمان روشن شدن موتور و شرایط تزریق به مسیر ماه را با دقت بیشتری کنترل کرد.

مسیر بازگشت آزاد؛ راهکاری برای افزایش ایمنی

مسیر بازگشت آزاد (Free-Return Trajectory) با مدت 3 تا 4 روز، یکی از راهکارهای مهم طراحی مسیر، در مأموریت هایی است که مانند آرتمیس 2، قصد گذر از کنار ماه را دارند. در این روش، مسیر فضاپیما به گونه ای محاسبه می گردد که پس از عبور از نزدیکی ماه، برهم کنش گرانشی زمین و ماه آن را به سمت زمین بازگرداند.

به بیان ساده، فضاپیما پس از رسیدن به نزدیکی ماه و عبور از کنار آن، به جای احتیاج به یک مانور بزرگ پیشران برای شروع مسیر بازگشت، از هندسه مسیر و گرانش دو جرم آسمانی برای بازگشت استفاده می نماید. هرچند اصلاحات کوچک مداری همچنان ضروری هستند.

اهمیت این روش در مأموریت های سرنشین دار با امکان بازگشت اضطراری پیوند خورده است. اگر مسئله ای برای موتور یا بعضی سامانه های فضاپیما پیش بیاید، مسیر از پیش طراحی شده می تواند امکان بازگشت به زمین را فراهم کند.

برای نمونه، آپولو 8 در سال 1968 از مسیر بازگشت آزاد برای گردش در اطراف ماه و بازگشت به زمین استفاده کرد. مأموریت آپولو 13 هم پس از بروز انفجار در مخزن اکسیژن و از دست رفتن بخشی از سامانه های حیاتی، با بهره گیری از همین ویژگی مسیر توانست به زمین بازگردد.

استفاده از مسیر بازگشت آزاد، الزاما به معنای ناممکن بودن فرود روی ماه نیست. برای مثال آپولو 11 در بخش ابتدایی سفر خود چنین مسیری داشت، اما پس از ورود به مدار ماه، این مسیر را با انجام مانورهای لازم تغییر داد و ماه نشین عقاب (Eagle) را برای فرود روی سطح ماه فرستاد. در حقیقت، اگر فضاپیما بدون انجام مانور ورود به مدار، از کنار ماه عبور کند، مسیر بازگشت آزاد آن را به زمین بازمی گرداند.

انتقال کم انرژی؛ سفر طولانی با مصرف سوخت کم تر

سریع رسیدن به ماه همواره اولویت اصلی مهندسان فضایی نیست. در بعضی مأموریت ها، کاهش مصرف سوخت و هزینه پرتاب اهمیت بیشتری دارد. به همین علت، از مسیرهای انتقال کم انرژی (Low-Energy Transfer) استفاده می گردد که می تواند از چند هفته تا بیش از یک سال طول بکشد.

در این روش ها، فضاپیما به جای حرکت در یک مسیر نسبتا کوتاه و احتیاجمند انرژی زیاد، از هندسه پیچیده تر میدان های گرانشی زمین، ماه و حتی گاهی خورشید برای حرکت در فضا بهره می برد. بعضی از این مسیرها با یاری نقاط لاگرانژی و نواحی تعادل نسبی گرانشی طراحی می شوند و امکان رسیدن به ماه را با انرژی کم تر فراهم می نمایند.

یکی از تکنیک های مرتبط با این روش، به دام افتادن بالستیک (Ballistic Capture) است. در این حالت، فضاپیما با نزدیک شدن به ماه و استفاده از شرایط خاص گرانشی، می تواند بدون احتیاج به یک مانور بزرگ ترمز هنگام ورود، در مسیر مناسبی برای گرفتار شدن در میدان گرانشی ماه قرار بگیرد. طراحی چنین مسیری به محاسبات بسیار دقیق احتیاج دارد و معمولا زمان سفر را افزایش می دهد.

کاوشگر اسمارت-1 (SMART-1) آژانس فضایی اروپا، نمونه ای از این رویکرد بود. این فضاپیما در سال 2003 با استفاده از موتور یونی به فضا پرتاب شد. موتوری که نیروی رانش بسیار کمتری نسبت به موتورهای شیمیایی فراوری می نماید، اما مصرف پیشرانه آن پایین تر است و می تواند برای مدت طولانی به فعالیت ادامه دهد.

SMART-1 ابتدا وارد مداری بیضوی اطراف زمین شد و سپس با روشن کردن مکرر موتور یونی، مدار خود را به تدریج افزایش داد. در ادامه با استفاده از برهم کنش گرانشی ماه و مانورهای پیشرانی به مدار قمر زمین رسید. این سفر حدود 13 تا 14 ماه طول کشید که در مقایسه با مأموریت های آپولو بسیار طولانی تر است.

افزایش تدریجی مدار زمین؛ گام به گام تا ماه

یکی دیگر از روش های رسیدن به ماه، افزایش مرحله ای انرژی مداری فضاپیما پیش از تزریق نهایی به مسیر انتقالی است. این روش به ویژه هنگامی کاربرد دارد که توان موشک پرتاب گر برای فرستادن مستقیم فضاپیما به مسیر ماه کافی نباشد یا مهندسان بخواهند از ظرفیت پیشرانش فضاپیما به شکل بهینه استفاده نمایند.

در این روش فضاپیما ابتدا در مداری بیضوی پیرامون زمین قرار می گیرد. سپس موتور آن در چند مرحله و معمولا هنگام عبور از نزدیک ترین نقطه مدار به زمین روشن می گردد. هر بار روشن شدن موتور، انرژی مداری فضاپیما را افزایش می دهد و نقطه اوج مدار را به فاصله بیشتری از زمین جابه جا می نماید.

پس از چند مرحله افزایش مدار، فضاپیما به شرایط مناسبی برای انجام مانور تزریق انتقالی به ماه می رسد و مسیر خود را به سمت قمر زمین ادامه می دهد. این روش در مقایسه با انتقال مستقیم معمولا زمان بیشتری می برد که بسته به طراحی تا چند هفته طول می کشد، اما می تواند محدودیت های موشک پرتاب گر را جبران کند.

مأموریت چاندریان 3 هند نمونه شناخته شده این روش است. فضاپیما در 14 جولای 2023 (23 تیر 1402) پرتاب شد و طی چند مانور، مدار بیضوی خود پیرامون زمین را توسعه داد. پایان در 1 آگوست همان سال، مانور تزریق انتقالی به ماه را انجام داد و 5 آگوست وارد مدار ماه شد. بنابراین، از پرتاب تا ورود به مدار ماه حدود 22 روز زمان برد.

مسیرهای انتقالی مأموریت های تجاری؛ پیشگامی اینتوئیتیو مشینز

با توسعه فعالیت شرکت های خصوصی در کاوش های فضایی، روش های انتقال به ماه نیز وارد مرحله تازه ای شده اند. شرکت هایی مانند اینتوئیتیو مشینز (Intuitive Machines) با توسعه فرودگرهای رباتیک و استفاده از موشک های تجاری، امکان انتقال تجهیزات علمی به سطح ماه را فراهم نموده اند.

فرودگرهای این شرکت از مسیرهای انتقالی نسبتا سریعی استفاده می نمایند. پس از پرتاب، فضاپیما با انجام چند مانور اصلاح مسیر به سمت ماه حرکت می نماید و هنگام نزدیک شدن به مقصد، مانور ورود مداری به ماه (Lunar Orbit Insertion) یا LOI را انجام می دهد. این مانور سرعت فضاپیما را کاهش می دهد تا به جای گذر از کنار ماه، در مدار آن قرار بگیرد.

فرودگر اودیسئوس (Odysseus) در مأموریت IM-1 روز 15 فوریه 2024 پرتاب شد، 21 فوریه وارد مدار ماه شد و یک روز بعد، روی سطح ماه فرود آمد. در مأموریت IM-2 نیز فرودگر آتنا (Athena) در 26 فوریه 2025 پرتاب شد، 3 مارس به مدار ماه رسید و 6 مارس فرود آمد.

این مأموریت ها نشان می دهند که با استفاده از موشک های شیمیایی تجاری و مسیرهای انتقالی نسبتا مستقیم، می توان در حدود یک هفته از زمین به سطح ماه رسید. زمان دقیق اما به برنامه ریزی مأموریت برای تعداد مانورهای اصلاحی، شرایط مداری و مدت انتظار در مدار ماه پیش از فرود بستگی دارد.

انتقال با دیدار مداری؛ معماری استارشیپ HLS

یکی از برنامه های مهم آینده سفر به ماه، استفاده از فضاپیمای استارشیپ شرکت اسپیس ایکس است. این سامانه در قالب نسخه ماه نشین خود موسوم به فرودگر انسانی ماه (HLS) برای انتقال فضانوردان و تجهیزات به سطح ماه پیشرفته و از اجزای برنامه آرتمیس ناسا محسوب می گردد.

معماری این مأموریت با روش های سنتی سفر به ماه تفاوت هایی دارد. استارشیپ (Starship) برای تأمین سوخت مورد احتیاج سفر باید در مدار پایین زمین سوخت گیری کند. در این فرایند، فضاپیماهای سوخت رسان به مدار زمین فرستاده می شوند و سوخت لازم برای ماه نشین را به آن منتقل می نمایند. پس از تکمیل سوخت گیری، استارشیپ مانور تزریق انتقالی به ماه را انجام می دهد و به سمت مقصد حرکت می نماید.

در طرح مأموریت آرتمیس، استارشیپ پس از رسیدن به مدار ماه می تواند با فضاپیمای اوریون (Orion) دیدار کند و به آن متصل گردد. سپس فضانوردان به ماه نشین منتقل می شوند و با آن روی سطح ماه فرود می آیند.

اسپیس ایکس تا به امروز زمان قطعی سفر به ماه با استارشیپ را اعلام ننموده است. اما با توجه به استفاده از پیشرانه شیمیایی و ماهیت مسیر انتقالی، می توان چند روز را به عنوان برآورد اولیه در نظر گرفت. زمان نهایی به معماری هر مأموریت، سوخت گیری مداری و مانورهای مورداحتیاج بستگی دارد.

جمع بندی

میانه زمان 3 روز به عنوان طول سفر به ماه در نظر گرفته می گردد. هرچند مدت زمان سفر به قمر زمین همواره ثابت نیست و به نوع مأموریت، اهداف آن و مکانیک مداری زمین و ماه هنگام پرتاب بستگی دارد. اگر سرعت رسیدن به ماه اهمیت داشته باشد، انتقال مستقیم یا انتقال از مدار پارکینگ گزینه های متداولی هستند که سه تا چهار روز زمان احتیاج دارند. در مقابل، مسیرهای کم انرژی و استفاده از پیشرانه های الکتریکی یا چندمرحله ای، می توانند مصرف سوخت و انرژی را کاهش دهند، اما با افزایش مدت سفر تا چند ماه همراه هستند.

در نهایت، پیشرفت سامانه هایی مانند استارشیپ می تواند روش انتقال انسان و محموله به ماه را متحول کند. هر چه سفر انسان به ماه، به امری عادی تر تبدیل گردد، راه های مختلفی نیز به وسیله مهندسان برای آن طراحی می گردد تا احتیاجهای مختلف را پوشش دهد. باید دید در آینده کدام روش می تواند گونه بشر را سریع تر به نزدیک ترین همسایه خود در فضا برساند.

منابع: NASA, Space, Britanica, Royal Museums Greenwich