سفر به ماه چقدر طول می‌کشد؟ راه‌های شگفت‌انگیز رسیدن به قمر زمین

با گسترش سفرهای فضایی، یکی از مهم‌ترین پرسش‌ها این است که سفر به ماه چقدر طول می‌کشد؟ پاسخ آن را باید در طراحی‌های مختلف مسیر جست‌وجو کرد.

سفر به قمر زمین جزو شگفت‌انگیزترین دستاوردهای بشر است و اینکه چقدر طول می‌کشد تا به ماه سفر کنیم، همیشه از پرسش‌های مهم بسیاری از مردم است. از نخستین فضاپیماهای بدون سرنشین که در دهه‌ی 1950 میلادی راهی ماه شدند تا مأموریت‌های سرنشین‌دار آپولو و برنامه‌های جدید اکتشاف آن، دانشمندان و مهندسان روش‌های گوناگونی را با زمان‌های متفاوت برای پیمودن این فاصله‌ی فضایی طراحی کرده‌اند.

با وجود آنکه ماه نزدیک‌ترین همسایه‌ی کیهانی زمین محسوب می‌شود، رسیدن به آن به محاسبات پیچیده‌ی مداری، فناوری‌های پیشرفته‌ی پیشرانش و انتخاب مسیر مناسب نیاز دارد. به همین دلیل طراحی مسیرهای متفاوتی برای هر مأموریت انجام می‌شود. با انتخاب راه‌های متفاوت، برخی فضاپیماها تنها در چند روز به ماه می‌رسند و برخی دیگر، برای پیمودن همین فاصله، چندین ماه زمان صرف می‌کنند.

زمان سفر به ماه چقدر است؟

به طور معمول، سفر از زمین به ماه با استفاده از موشک‌های قدرتمند سوخت شیمیایی، حدود 3 روز طول می‌کشد. این زمان با توجه به نوع مأموریت، مسیر انتخاب شده و هدف نهایی فضاپیما می‌تواند 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 مأموریت‌های بدون سرنشین نیز زمان سفر به ماه دامنه‌ی گسترده‌ای دارد. برخی فضاپیماها برای عبور از کنار ماه تنها به چند ده ساعت نیاز دارند، اما مأموریت‌هایی که با هدف کاهش مصرف سوخت طراحی می‌شوند، ممکن است چند هفته یا چند ماه در مسیر باقی بمانند.

بدین ترتیب نمی‌توان برای تمام مأموریت‌ها زمان مشخصی تعیین کرد. نوع پیشرانه، سرعت اولیه فضاپیما، میزان سوخت در دسترس و پیچیدگی مسیر انتقالی، همگی بر مدت زمان سفر تأثیر می‌گذارند. به‌طور کلی مهم‌ترین طراحی مسیرها برای سفر به ماه شامل موارد زیر می‌شود.

روش سفر	ویژگی اصلی	زمان تقریبی یا نمونه
انتقال مستقیم	حرکت به سمت ماه بدون توقف در مدار پارکینگ زمین	حدود 1.5 تا 4 روز
انتقال از مدار پارکینگ	قرارگیری اولیه در مدار زمین و سپس انجام مانور TLI	حدود 3 تا 4 روز
مسیر بازگشت آزاد	عبور از نزدیکی ماه با امکان بازگشت گرانشی به زمین	حدود 3 تا 4 روز تا نزدیکی ماه
انتقال کم‌انرژی	استفاده از مسیرهای گرانشی و انرژی کم‌تر	چند هفته تا بیش از یک سال
افزایش تدریجی مدار زمین	افزایش مرحله‌ای اوج مداری و سپس تزریق به ماه	حدود چند هفته
انتقال تجاری به ماه	استفاده از موشک‌های تجاری و مانورهای اصلاح مسیر	حدود یک هفته
انتقال با ملاقات مداری	استفاده از سوخت‌رسان و فرودگر در مدار زمین و ماه	چند روز تا چند هفته

فاصله زمین تا ماه

فاصله‌ی متوسط زمین تا ماه حدود 384 هزار و 400 کیلومتر است. البته این فاصله ثابت نیست. ماه در مداری بیضوی به دور زمین حرکت می‌کند و در نزدیک‌ترین 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 فاصله‌ی 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 می‌کند، حدود 1.3 ثانیه زمان نیاز 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 کم‌تر فضاپیما نسبت به نور، دلیلش این است که فضاپیماها در یک خط مستقیم به سمت ماه نمی‌روند. در طراحی مسیر، حرکت هم‌زمان زمین و ماه، میدان گرانشی دو جرم و سرعت لازم برای ورود مداری و فرود روی سطح هم در نظر گرفته می‌شود.

چرا سفر به ماه معمولا سه روز طول می‌کشد؟

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

یکی از روش‌های 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 می‌شود که آن را از مدار زمین به نزدیکی مدار ماه می‌رساند. پس از رسیدن به مقصد نیز ممکن است به یک مانور پیشران دیگر برای کاهش سرعت و ورود به مدار ماه نیاز داشته باشد.

این روش از نظر مصرف سوخت بسیار کارآمد است و در عین حال امکان رسیدن نسبتا سریع به ماه را فراهم می‌کند. البته مسیر واقعی مأموریت‌ها لزوما یک انتقال هوهمان ساده نیست و مهندسان با در نظر گرفتن گرانش ماه، زمان پرتاب و محدودیت‌های فضاپیما، مسیرهای پیچیده‌تری را طراحی می‌کنند.

با انتخاب این مسیر متداول و کارآمد است که سفر معمول به ماه با پیشرانه‌های شیمیایی قدرتمند، حدود سه روز طول می‌کشد. 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 سرنشین‌دار به ماه، برای رسیدن به ماه از مسیرهای متفاوتی استفاده می‌شود. هر کدام از نظر مدت سفر، میزان مصرف سوخت و پیچیدگی مانورها ویژگی‌های خاص خود را دارند به طوری که برخی سفر سریع‌تر و برخی مصرف کم‌تر سوخت را در نظر می‌گیرند. در ادامه، مهم‌ترین روش‌های انتقال به ماه بیان شده است.

انتقال مستقیم به ماه؛ سریع‌ترین مسیرهای متداول

یکی از روش‌های 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 محدوده‌ی نزدیک زمین، مستقیما وارد یک مسیر انتقالی به ماه می‌شود. برخلاف روش‌هایی که ابتدا فضاپیما را مدتی اطراف زمین نگه می‌دارند، در این روش نیازی به گردش اولیه در مدار پارکینگ نیست.

برای اجرای این روش که حدود 1.5 تا 4 روز طول می‌کشد، موشک حامل باید سرعت و جهت حرکت مناسبی به فضاپیما بدهد تا از میدان گرانشی زمین خارج شود و بلافاصله در مسیر رسیدن به ماه قرار بگیرد. پس از پایان مرحله‌ی پیشرانش، فضاپیما بخش عمده‌ی مسیر را تحت تأثیر گرانش زمین و ماه طی می‌کند.

کاوشگر «لونا 1» (Luna 1) اتحاد جماهیر شوروی، نمونه‌ی 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 اولیه‌ی آن برخورد با سطح ماه بود، اما به دلیل خطای سامانه‌ی هدایت و سرعت بیش از حد، در فاصله‌ی حدود 6 هزار کیلومتری از کنار ماه گذشت و در نهایت وارد مدار خورشیدمرکزی شد.

روش انتقال مستقیم، معمولا برای مأموریت‌هایی مناسب است که رسیدن سریع به ماه اهمیت دارد و پرتاب‌گر توانایی تأمین انرژی اولیه‌ی 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 میدان‌های گرانشی قرار دارد و باید اصلاحات کوچکی انجام شود.

برای رسیدن به سطح ماه در برنامه آرتمیس، یکی از روش‌های در نظر گرفته شده، وارد شدن به «مدار هاله‌ای نزدیک راست‌خط» (NRHO) است. مداری کشیده و سه‌بعدی پیرامون ماه که برای استقرار ایستگاه فضایی «دروازه ماه» (Lunar Gateway) در نظر گرفته شده بود. هرچند به گفته‌ی ناسا قرار است در مأموریت‌های مختلف انتخاب مدار ورود، بسته به نیاز مأموریت انجام شود.

انتقال از مدار پارکینگ زمین؛ روش مأموریت‌های آپولو

یکی دیگر از روش‌های 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 می‌دهد تا پیش از آغاز سفر میان‌سیاره‌ای، وضعیت فضاپیما و سامانه‌های حیاتی آن را در فضا بررسی کنند.

در این روش که مجموعا حدود 3 تا 4 روز زمان می‌برد، موشک ابتدا فضاپیما را در مداری نسبتا پایین پیرامون زمین تزریق می‌کند. پس از بررسی‌های اولیه، مرحله‌ی پیشران موشک دوباره روشن می‌شود و با افزایش سرعت فضاپیما، آن را وارد مسیر انتقالی زمین به ماه می‌کند. این مانور مهم با عنوان «تزریق انتقالی به ماه» (Trans-Lunar Injection) یا TLI شناخته می‌شود.

مسیر انتقالی معمولا بیضوی است و به گونه‌ای طراحی می‌شود که فضاپیما در زمان مناسب به موقعیت ماه برسد. از نظر مصرف انرژی، این مسیر به انتقال هوهمان شباهت دارد، اما به دلیل حرکت ماه و تأثیر گرانش آن، مسیر واقعی مأموریت پیچیده‌تر از یک انتقال هوهمان ساده است.

مأموریت آپولو 11 نمونه‌ی مشهور این روش محسوب می‌شود. 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، مرحله‌ی سوم موشک دوباره روشن شد و فضاپیما را وارد مسیر انتقالی به ماه کرد.

اهمیت این روش به ویژه در در مأموریت‌های سرنشین‌دار خود را نشان می‌دهد. چون امکان بررسی سامانه‌های فضاپیما پیش از آغاز سفر طولانی به اعماق فضا را فراهم می‌کند. همچنین می‌توان 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 مأموریت‌هایی است که مانند آرتمیس 2، قصد گذر از کنار ماه را دارند. در این روش، مسیر فضاپیما به‌گونه‌ای محاسبه می‌شود که پس از عبور از نزدیکی ماه، برهم‌کنش 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 نیاز به یک مانور بزرگ پیشران برای آغاز مسیر بازگشت، از هندسه‌ی مسیر و گرانش دو جرم آسمانی برای بازگشت استفاده می‌کند. هرچند اصلاحات کوچک مداری همچنان ضروری هستند.

اهمیت این روش در مأموریت‌های سرنشین‌دار با امکان بازگشت اضطراری پیوند خورده است. اگر مشکلی برای موتور یا برخی سامانه‌های فضاپیما پیش بیاید، مسیر از پیش طراحی‌شده می‌تواند 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 سامانه‌های حیاتی، با بهره‌گیری 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 ماه‌نشین «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 بازمی‌گرداند.

انتقال کم‌انرژی؛ سفر طولانی با مصرف سوخت کم‌تر

سریع رسیدن به ماه همیشه اولویت اصلی مهندسان فضایی نیست. در برخی مأموریت‌ها، کاهش مصرف سوخت و هزینه‌ی پرتاب اهمیت بیشتری دارد. به همین دلیل، از مسیرهای «انتقال کم‌انرژی» (Low-Energy Transfer) استفاده می‌شود که می‌تواند از چند هفته تا بیش از یک سال طول بکشد.

در این روش‌ها، فضاپیما به جای حرکت در یک مسیر نسبتا کوتاه و نیازمند انرژی زیاد، از هندسه‌ی پیچیده‌تر میدان‌های گرانشی زمین، ماه و حتی گاهی خورشید برای حرکت در فضا بهره می‌برد. برخی از این مسیرها با کمک نقاط لاگرانژی و نواحی تعادل نسبی گرانشی طراحی می‌شوند و امکان رسیدن به ماه را با انرژی کم‌تر فراهم می‌کنند.

یکی از تکنیک‌های 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، می‌تواند بدون نیاز 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 نیاز دارد و معمولا زمان سفر را افزایش می‌دهد.

کاوشگر «اسمارت-1» (SMART-1) آژانس فضایی اروپا، نمونه‌ای 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 تولید می‌کند، اما مصرف پیشرانه‌ی آن پایین‌تر است و می‌تواند 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 برهم‌کنش گرانشی ماه و مانورهای پیشرانی به مدار قمر زمین رسید. این سفر حدود 13 تا 14 ماه طول کشید که در مقایسه با مأموریت‌های آپولو بسیار طولانی‌تر است.

افزایش تدریجی مدار زمین؛ گام‌به‌گام تا ماه

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

در این روش فضاپیما ابتدا در مداری بیضوی پیرامون زمین قرار می‌گیرد. سپس موتور آن در چند مرحله و معمولا هنگام عبور از نزدیک‌ترین نقطه‌ی مدار به زمین روشن می‌شود. هر بار روشن شدن موتور، انرژی مداری فضاپیما را افزایش می‌دهد و نقطه‌ی اوج مدار را به فاصله بیشتری از زمین جابه‌جا می‌کند.

پس از چند مرحله افزایش مدار، فضاپیما به شرایط مناسبی برای انجام مانور تزریق انتقالی به ماه می‌رسد و مسیر خود را به سمت قمر زمین ادامه می‌دهد. این روش در مقایسه با انتقال مستقیم معمولا زمان بیشتری می‌برد که بسته به طراحی تا چند هفته طول می‌کشد، اما می‌تواند محدودیت‌های موشک پرتاب‌گر را جبران کند.

مأموریت چاندریان 3 هند نمونه‌ی شناخته شده‌ی این روش است. فضاپیما در 14 جولای 2023 (23 تیر 1402) پرتاب شد و طی چند مانور، مدار بیضوی خود پیرامون زمین را گسترش داد. سرانجام 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 مأموریت‌های تجاری؛ پیشگامی اینتوئیتیو مشینز

با گسترش فعالیت شرکت‌های خصوصی در کاوش‌های فضایی، روش‌های انتقال به ماه نیز وارد مرحله تازه‌ای شده‌اند. شرکت‌هایی مانند «اینتوئیتیو مشینز» (Intuitive Machines) با توسعه‌ی فرودگرهای رباتیک و استفاده از موشک‌های تجاری، امکان انتقال تجهیزات علمی به سطح ماه را فراهم کرده‌اند.

فرودگرهای این شرکت از مسیرهای انتقالی نسبتا سریعی استفاده می‌کنند. پس از پرتاب، فضاپیما با انجام چند مانور اصلاح مسیر به سمت ماه حرکت می‌کند و هنگام نزدیک شدن به مقصد، مانور «ورود مداری به ماه» (Lunar Orbit Insertion) یا LOI را انجام می‌دهد. این مانور سرعت فضاپیما را کاهش می‌دهد 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 مأموریت‌ها نشان می‌دهند که با استفاده از موشک‌های شیمیایی تجاری و مسیرهای انتقالی نسبتا مستقیم، می‌توان در حدود یک هفته از زمین به سطح ماه رسید. زمان دقیق اما به برنامه‌ریزی مأموریت برای تعداد مانورهای اصلاحی، شرایط مداری و مدت انتظار در مدار ماه پیش از فرود بستگی دارد.

انتقال با ملاقات مداری؛ معماری استارشیپ HLS

یکی از برنامه‌های مهم آینده‌ی سفر به ماه، استفاده از فضاپیمای استارشیپ شرکت اسپیس‌ایکس است. این سامانه در قالب نسخه‌ی ماه‌نشین خود موسوم به «فرودگر انسانی ماه» (HLS) برای انتقال فضانوردان و تجهیزات به سطح ماه توسعه یافته و از اجزای برنامه‌ی آرتمیس ناسا محسوب می‌شود.

معماری این مأموریت با روش‌های سنتی سفر به ماه تفاوت‌هایی دارد. «استارشیپ» (Starship) برای تأمین سوخت مورد نیاز سفر باید در مدار پایین زمین سوخت‌گیری کند. در این فرایند، فضاپیماهای سوخت‌رسان به مدار زمین فرستاده می‌شوند و سوخت لازم برای ماه‌نشین را به آن منتقل می‌کنند. پس از تکمیل سوخت‌گیری، استارشیپ مانور تزریق انتقالی به ماه را انجام می‌دهد و به سمت مقصد حرکت می‌کند.

در طرح مأموریت آرتمیس، استارشیپ پس از رسیدن به مدار ماه می‌تواند با فضاپیمای «اوریون» (Orion) ملاقات کند و به آن متصل شود. سپس فضانوردان به ماه‌نشین منتقل می‌شوند و با آن روی سطح ماه فرود می‌آیند.

اسپیس‌ایکس تاکنون زمان قطعی سفر به ماه با استارشیپ را اعلام نکرده است. اما با توجه به استفاده از پیشرانه‌ی شیمیایی و ماهیت مسیر انتقالی، می‌توان چند روز را به عنوان برآورد اولیه در نظر گرفت. زمان نهایی به معماری هر مأموریت، سوخت‌گیری مداری و مانورهای موردنیاز بستگی دارد.

جمع‌بندی

متوسط زمان 3 روز به عنوان طول سفر به ماه در نظر گرفته می‌شود. هرچند مدت زمان سفر به قمر زمین همیشه 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 گزینه‌های متداولی هستند که سه تا چهار روز زمان نیاز دارند. در مقابل، مسیرهای کم‌انرژی و استفاده از پیشرانه‌های الکتریکی یا چندمرحله‌ای، می‌توانند مصرف سوخت و انرژی را کاهش دهند، اما با افزایش مدت سفر تا چند ماه همراه هستند.

در نهایت، پیشرفت سامانه‌هایی مانند استارشیپ می‌تواند روش انتقال انسان و محموله به ماه را متحول کند. هر چه سفر انسان به ماه، به امری عادی‌تر تبدیل شود، راه‌های مختلفی نیز توسط مهندسان برای آن طراحی می‌شود تا نیازهای مختلف را پوشش دهد. باید دید در آینده کدام روش می‌تواند گونه‌ی بشر را سریع‌تر به نزدیک‌ترین همسایه‌ی خود در فضا برساند.

منابع: NASA, Space, Britanica, Royal Museums Greenwich