Минович придумал способ приближенной оценки параметров облетной траектории, пригодных для дальнейшего численного расчета, и заметил интереснейшую вещь: энергия КА после сближения с планетой – если измерять ее в системе отсчета, связанной с Солнцем, – может очень значительно отличаться от энергии до сближения.
В августе Майкл подготовил 47-страничный доклад с алгоритмом расчета траекторий в случае последовательного пролета нескольких планет. Молодой автор показал, что, войдя с нужного направления в поле тяготения планеты, можно «позаимствовать» часть ее энергии и выйти в другом направлении со значительно большей энергией и гелиоцентрической скоростью. В частности, на выходе можно получить направление и скорость, позволяющие направить аппарат к другой, более далекой планете. При этом скорость отлета от Земли может оказаться меньше, а время перелета – короче, чем если бы аппарат сразу запускался ко второй планете. Аналогичный «фокус» можно проделать и у второй планеты – и направиться к третьей. В качестве иллюстрации Минович предложил для расчета траекторию Земля – Венера – Марс – Земля – Сатурн – Плутон – Юпитер – Земля.
Руководитель Майкла встретил эту инициативную работу без энтузиазма, и Миновичу пришлось самостоятельно программировать свои уравнения и вводить исходные данные – координаты девяти планет на 1960–1980 гг. Он проводил расчеты с января 1962 по сентябрь 1964 г. на институтском компьютере, а с июня 1962 г. и на машинах в JPL, после того как продемонстрировал руководителю Группы траекторий Виктору Кларку свои результаты расчета траектории Земля – Венера – Марс – Земля и получил поддержку.
В марте 1963 г. Минович представил в JPL официальный отчет на 130 страницах уже с конкретными вариантами траекторий Земля – Венера – Меркурий и Земля – Венера – Марс. Среди них, в частности, была и та трасса, по которой спустя десять лет проследовала американская АМС «Маринер-10» (Mariner 10). Она была запущена 3 ноября 1973 г. и совершила 5 февраля 1974 г. пролет Венеры, благодаря которому была направлена к своей главной цели – Меркурию. Это и был первый гравитационный маневр в американской космической программе.
Весной и летом 1963 г. Минович выступил с несколькими докладами, после чего его работа стала хорошо известна в профессиональной среде, а метод взят на вооружение. Практическое использование «планетной» тяги поначалу казалось затруднительным из-за высокой чувствительности метода к погрешностям траекторий, но в начале 1965 г. Эллиотт Каттинг и Фрэнсис Стёрмс показали, что с использованием существующей навигационной аппаратуры необходимые точности достижимы.
Майкл Минович и сегодня живет в Лос-Анджелесе и пребывает в полной уверенности, что именно он изобрел метод гравитационного маневра и открыл человечеству доступ к планетам Солнечной системы. Он утверждает, что все его предшественники хоть в чем-нибудь да ошиблись. Вальтер Гоманн (1925) и Гаэтано Крокко (1956) рассматривали вариант посещения одним кораблем нескольких планет, но возмущения от его сближения с планетами, скорее всего, не использовали и пытались компенсировать либо включениями бортовых двигателей, либо взаимно. Фридрих Цандер, зная об изменении энергии КА при пролете у планеты, оставался якобы «в плену» гоманновских траекторий. Дерек Лауден (1954) вычислял приращение скорости от пролета планеты, но не указывал на возможность его использования. (Ознакомившись с этими претензиями, мы не были удивлены, узнав, что Минович является держателем целого ряда патентов.) О работах советских специалистов, выполненных в конце 1950-х гг., и о полете «Луны-3» он «благоразумно» не упоминает.
Если уж говорить о предшественниках, то нужно заметить, что работа Ф. А. Цандера «Перелеты на другие планеты (Теория межпланетных путешествий)», написанная в 1925–1929 гг., была впервые опубликована на русском языке в 1961 г. – воспользоваться ею американец не мог. Но при внимательном прочтении видно, что Цандер использовал тот же принцип суммирования вектора планетоцентрической скорости КА и скорости самой планеты, что и Минович, вычислял изменение энергии и гелиоцентрической скорости после пролета, считал приращение скорости в результате гравитационного маневра важным ресурсом, оценивал соответствующую ему экономию топлива и поставил вопрос о вычислении максимально возможного удаления корабля от Солнца в результате пролета планеты. Единственное, что Цандер не сделал, – это не направил свой корабль после гравитационного маневра к другой планете.
«Большой тур» начинается
Второй и последний отчет Майкл Минович выпустил в феврале 1965 г. – он был посвящен использованию гравитационного поля Юпитера для полетов к дальним планетам, выхода из плоскости эклиптики и отправки зонда в окрестности Солнца. Все эти идеи были реализованы в период со второй половины 1970-х до начала 1990-х гг.
Автор указывал на возможность перелета по трассе Земля – Юпитер – Сатурн в 1976 г. и Земля – Юпитер – Плутон в 1977 г. с продолжительностью полета до Плутона всего в семь лет. Один из представленных в отчете вариантов предусматривал запуск КА 8 сентября 1977 г. с возможностью дальнейшего полета от Юпитера к Сатурну. Расчет этой траектории, однако, закончен не был: в распоряжении Миновича не было эфемерид планет на период после 1980 г.
Не был он, кстати, и первым, кто опубликовал предложение о гравитационном маневре у Юпитера: Максвелл Хантер, знакомый с работами Миновича, еще в 1964 г. предложил использовать такой пролет для быстрого достижения внешних планет. А осенью 1965 г. с аналогичной идеей выступил аспирант Калифорнийского технологического института Гэри Фландро, приглашенный в JPL продолжить исследования Майкла Миновича.
Он выполнил расчеты различных вариантов пролета внешних планет с использованием поля тяготения Юпитера в 1975–1981 гг. Фландро показал, в частности, что при запуске в 1976–1978 гг. можно осуществить последовательный пролет всех четырех внешних планет – Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна – при весьма скромной отлетной скорости. Фландро дал этой поистине головокружительной траектории название Grand Tour («Большой тур» или «Великое путешествие»), хотя проекты с таким наименованием уже существовали[3]. Было ясно, что это уникальная возможность: следующего благоприятного периода для пролета всей четверки больших планет пришлось бы ждать почти 180 лет.
Наибольший интерес к «Большому туру» проявила, что неудивительно, Лаборатория реактивного движения, базирующаяся в Пасадене, в Калифорнии. Уже в декабре 1966 г. руководитель перспективного планирования JPL Хомер Стюарт, говоря современным языком, пропиарил проект «межпланетного бильярда» в журнале Astronautics & Aeronautics. Там же освещались дальнейшие этапы работы над проектом.
Детальное изучение траекторий показало, что пуски по трассе «Большого тура» в принципе возможны в период с 1976 по 1980 г. Как установил в 1967 г. Брент Силвер из Lockheed Missiles and Space Company, в наибольшей степени траектория зависела от того, на каком расстоянии от Сатурна можно будет пройти. Траектории, проходящие сквозь кольца Сатурна, нельзя было рассматривать всерьез из-за высочайшей вероятности гибели аппарата от столкновения с образующими их частицами. Пролет между нижним краем колец и поверхностью Сатурна, по так называемой внутренней траектории, увеличивал отлетную скорость и сокращал продолжительность маршрута до Нептуна на два-три года по сравнению с пролетом выше колец, но условия в этой области были неизвестны, и навскидку шансы благополучно миновать ее оценивались не более чем в 50 %.
Оптимальное время старта к Юпитеру повторялось с интервалом в 13 месяцев. Почему так? Будем считать орбиты обеих планет круговыми. Земля движется вокруг Солнца с угловой скоростью 1 оборот за год, а Юпитер – 1/12 оборота за год. Разность угловых скоростей составляет 11/12, а значит, одно и то же оптимальное взаимное положение двух планет повторяется через 12/11 года[4]. В реальности обе орбиты немного эллиптические, эллипсы несоосны, а плоскость орбиты Юпитера наклонена на 1,3° к эклиптике. Поэтому оптимальные даты слегка «плавали», а требуемые отлетные скорости заметно отличались. Минимальными они были в 1976 г., а максимальными – в 1980 г.
Разумеется, с каждым годом Сатурн и остальные внешние планеты смещались, отставая от Юпитера; отсюда вытекали дополнительные ограничения на условия встреч. Чтобы при пуске в 1976 г. пройти по «внутренней» траектории у Сатурна, нужно было сначала пролететь на высоте всего 1500 км над Юпитером. Опять же, это расценивалось как неприемлемый риск – как физический, в силу неизвестных пока опасностей, так и баллистический – такую точность прицеливания было трудно реализовать. В 1977 и 1978 гг. полеты по «внутренним» траекториям были намного более выгодными. Сходным образом лучшие из «внешних» траекторий получались в 1976 и 1977 гг.; после этого аппарат прошел бы слишком далеко от Юпитера, чтобы изучить его детально.
Дальнейшие уточнения показали, что наиболее благоприятны пуски в 1977 и 1978 гг. по «внутренней» траектории – условные обозначения 1977I и 1978I, а также в 1977 г. по «внешней» траектории 1977E. Их основные данные приведены в таблице 2.
К концу 1960-х уже не было проблемой придумать и рассчитать межпланетную траекторию с гравитационными маневрами, пусть даже очень хитроумную. Намного сложнее и дороже были следующие шаги на пути к реализации проекта. Имеет ли полет по предложенной траектории очевидную ценность? Каким должен быть облик космического аппарата, способного пройти по ней? Какую научную программу он мог бы выполнить и какие приборы нужно для этого сделать и поставить? Какой носитель потребуется для того, чтобы отправить его в долгое путешествие?
Подготовив ответы на вопросы о потенциальной реализуемости проекта, разработчики должны были доказать необходимость его осуществления, то есть убедить в этом руководство NASA и научное сообщество, которому больше импонировали малые краткосрочные миссии с быстрой отдачей, а затем и правительство, чтобы получить необходимые – и немалые – средства.