مانور دو-احتراقی: مدار انتقال هومان چگونه سوخت سفرهای میان‌سیاره‌ای را به حداقل می‌رساند

هر مریخ‌نورد و ماهواره‌ای که با موفقیت به مریخ رسیده، تسلیم یک مصالحه ریاضی خاص شده است: مبادله زمان سفر با بهره‌وری سوخت. فضاپیماها به جای پرواز در یک خط راست، در یک مسیر بیضوی حرکت می‌کنند که مماس بر مدار سیاره مبدأ و مقصد است.[4]

این مسیر که به عنوان «مدار انتقال هومان» (Hohmann transfer orbit) شناخته می‌شود، دقیقاً به دو احتراق موتور نیاز دارد. احتراق اول فضاپیما را از مدار فعلی‌اش شتاب می‌دهد و احتراق دوم، مسیر آن را پس از رسیدن به مقصد دایره‌ای می‌کند.[4][5]

این مانور برای انجام بخش عمده کار به گرانش خورشید متکی است. به گفته مسترکلاس (MasterClass): «مدار انتقال هومان یک مدار بیضوی است که برای انتقال بین دو مدار دایره‌ای با شعاع‌های متفاوت به دور یک جرم مرکزی و در یک صفحه مشترک استفاده می‌شود.»[6]

والتر هومان (Walter Hohmann)، مهندس آلمانی، برای نخستین بار در سال ۱۹۲۵ اثبات ریاضی این مسیر را منتشر کرد. محاسبات او نشان داد که حرکت بین دو مدار، در صورتی که مدار انتقال بر هر دو مدار اولیه و نهایی مماس باشد، به کمترین میزان تغییر در سرعت — که به عنوان دلتا-وی (delta-v) شناخته می‌شود — نیاز دارد.[4][5]

برای ماموریتی به مریخ، فیزیک یک زمان‌بندی خشک و غیرقابل‌انعطاف را دیکته می‌کند. زمین و مریخ تنها هر ۲۶ ماه یک‌بار برای این مسیر بهینه در یک راستا قرار می‌گیرند و پنجره باریکی را ایجاد می‌کنند که هندسه در آن اجازه انجام این مانور را می‌دهد.[2]

در طول این پنجره پرتاب، یک فضاپیما برای خروج از مدار زمین و ورود به بیضی انتقال به سمت سیاره سرخ، به دلتا-ویِ تقریبی ۲.۹ کیلومتر بر ثانیه نیاز دارد.[2]

هزینه این بهره‌وری سوخت، زمان است. یک انتقال هومان به مریخ برای طی کردن مسیر ۴۸۰ میلیون کیلومتری در امتداد این منحنی، تقریباً ۲۵۹ روز یا حدود ۸.۵ ماه طول می‌کشد.[2]

آژانس فضایی اروپا (ESA) خاطرنشان می‌کند که رسیدن به مدار و ناوبری بین سیارات نیازمند غلبه بر چاه‌های گرانشی عظیم است. با استفاده از انتقال هومان، آژانس‌های فضایی می‌توانند به جای پر کردن کل موشک با پیشرانه، محموله علمی را به حداکثر برسانند.[3]

فصل چهارم ناسا در مورد مسیرهای پروازی توضیح می‌دهد که اگرچه مسیرهای مستقیم و سریع‌تر از نظر فیزیکی ممکن هستند، اما به طور تصاعدی به سوخت بیشتری نیاز دارند. این آژانس بیان می‌کند: «انتقال هومان بهینه‌ترین راه از نظر مصرف سوخت برای انتقال یک فضاپیما از یک مدار دایره‌ای به مدار دایره‌ای دیگر است.»[1]

با این حال، معادله پایه هومان فرض می‌کند که هر دو سیاره دارای مدارهای کاملاً دایره‌ای هستند و دقیقاً در یک صفحه دوبعدی قرار دارند.[1][7]

در واقعیت، مریخ دارای یک مدار بیضوی و انحراف مداری ۱.۸۵ درجه نسبت به صفحه مداری زمین است. این بدان معناست که برنامه‌ریزان ماموریت باید یک انتقال هومان «تعمیم‌یافته» را محاسبه کنند که شامل احتراق‌های اصلاحی در میانه مسیر برای تطبیق با واقعیت سه‌بعدی منظومه شمسی است.[4][7]

در حالی که این سفر ۲۵۹ روزه برای کاوشگرهای رباتیک مانند مریخ‌نورد استقامت (Perseverance) قابل قبول است، اما یک تنگنای بیولوژیکی جدی برای ماموریت‌های سرنشین‌دار آینده ایجاد می‌کند. قرار گرفتن طولانی‌مدت در معرض تشعشعات کیهانی و ریزگرانش، مهندسان را وادار می‌کند تا در مورد مسیرهای سریع‌تر و پرانرژی‌تر تحقیق کنند که بهره‌وری هومان را به نفع ایمنی فضانوردان کنار می‌گذارند.[7]

پنجره پرتاب بعدی زمین به مریخ در اواخر سال ۲۰۲۶ باز می‌شود و زمان‌بندی نسل بعدی مدارگردهای مریخی را دیکته می‌کند. تا زمانی که فناوری پیشرانه به طور بنیادین از موشک‌های شیمیایی فاصله نگیرد، معادله سال ۱۹۲۵ همچنان سرعت گسترش حضور انسان در منظومه شمسی را کنترل خواهد کرد.[2][7]