Быстрые миссии и хорошие миссии
Планируя долгое путешествие, вы сначала продумаете маршрут и способ перемещения. То же справедливо и для путешествия на Марс.
Многие считают, мы не достигнем Марса, поскольку Красная планета находится так далеко от Земли. Пока нам не доступны принципиально более совершенные типы космических двигателей, утверждают скептики, дорога окажется слишком долгой. Давайте рассмотрим это возражение.
Марс действительно далеко. При самом удачном расположении, когда он располагается на линии Солнце – Земля – Марс прямо напротив Земли и ближе всего к ней (древние астрономы, с их геоцентрической картиной мира, описывали это положение как «противостояние», о нем подробнее будет сказано далее), расстояние составляет 56 миллионов километров , или 38 миллионов миль. При максимальном удалении от Земли , то есть когда Марс находится за Солнцем на линии Земля – Солнце – Марс (древние астрономы называли такую конфигурацию «соединение»), расстояние составляет около 400 миллионов километров (рис. 4.1). Сейчас не существует даже чертежей реактивных двигательных систем, которые могли бы напрямую доставить аппарат с Земли на Марс, когда планеты находятся в противостоянии. Дело обстоит так, потому что космический корабль, покидая Землю, обладает ее скоростью – около 30 километров в секунду, и, таким образом, космический корабль продолжит обращаться вокруг Солнца в том же направлении, что и Земля, пока не израсходует огромное количество топлива на изменение курса. В самом деле, как показал немецкий математик Вальтер Гоман в 1925 году, если в качестве топлива используется бензин, лучшее время для путешествия с Земли на Марс – соединение планет, когда они находятся на максимальном расстоянии друг от друга с противоположных сторон от Солнца (рис. 4.2). Это самый простой путь, поскольку корабль движется по эллипсу, который одним краем касается орбиты Земли, а другим – орбиты Марса, таким образом необходимое изменение курса становится минимальным. Чем больше отклонение от такого плана полета, тем больше работы придется совершить двигателям и тем дороже обойдется миссия. Но даже если мы решим израсходовать дополнительное топливо, чтобы «срезать углы» и отклониться от полноценной траектории Гомана, нам скорее всего придется преодолеть дугу по меньшей мере в 400 миллионов километров, чтобы добраться с Земли на Марс. Четыреста миллионов километров. Это очень много. Для сравнения, Луна от Земли «всего» в 400000 километров. Таким образом, чтобы добраться до Марса, придется преодолеть расстояние в тысячу раз больше, чем пролетели в свое время астронавты миссии «Аполлон» по пути на Луну. На путь в одну сторону у корабля «Аполлон» ушло три дня. Значит ли это, что до Марса лететь 3000 дней, то есть восемь лет?
|
|
|
К счастью, нет. Астронавты миссии «Аполлон» летели к Луне со средней скоростью около 1,5 километра в секунду. Ограничение было установлено не технологией реактивного движения того времени, – третья ступень «Сатурна-5» могла разогнать «Аполлон» в два или даже три раза сильнее, – а выбранной траекторией полета. Астронавты миссии «Аполлон» могли мчаться к Луне со скоростью 4,5 километра в секунду и добраться туда в течение одного дня, но пришлось бы очень дорого заплатить: у них не было бы возможности остановиться. Из-за маленькой силы тяжести на Луне система ускорения космического корабля должна сработать так, чтобы аппарат вышел на орбиту Луны. Командный модуль «Аполлона» просто не смог бы снизить скорость аппарата, если бы он приближался к Луне быстрее, чем со скоростью 1,5 километра в секунду.
|
|
|
Рис. 4.1. Противостояние и соединение. В противостоянии Марс и Земля находятся по одну сторону от Солнца. В соединении Марс, если смотреть с Земли, находится за Солнцем
Рис. 4.2. Возможные траектории для полета на Марс: (А) орбита Гомана; (В) быстрая миссия во время соединения Земли и Марса; (С) миссия во время противостояния Земли и Марса
|
|
|
Марс же обладает существенной силой тяжести и атмосферой, которые могут поспособствовать торможению космического аппарата. Таким образом, если космический аппарат подлетит к Марсу на гораздо большей скорости, то все равно сможет выйти на его орбиту. Более важно, что корабль, покидающий Землю с гиперболической скоростью в 3 километра в секунду, не полетит с той же скоростью по Солнечной системе. Земля в этом случае играет роль быстро движущейся платформы, а поскольку она движется в одном направлении с аппаратом, он набирает дополнительную скорость в 30 километров в секунду, пока вращается с Землей вокруг Солнца. Итак, начальная скорость корабля составляет не 3 километра в секунду, а 33 километра в секунду, что более чем в двадцать раз превышает скорость командного модуля «Аполлона». (Этот эффект «подвижной платформы» нельзя использовать, чтобы облегчить путь до Луны, потому что Луна движется вокруг Солнца вместе с Землей.) По мере того как корабль покидает потенциальную яму Солнца и движется от орбиты Земли к орбите Марса, часть кинетической энергии, связанной с этой скоростью, преобразуется в потенциальную, и аппарат немного замедляется, но по-прежнему летит очень быстро. К счастью, Марс будет двигаться по своей орбите со скоростью 24 километра в секунду примерно в том же направлении, что и космический корабль. Когда тот достигнет орбиты Марса, его скорость относительно Красной планеты составит только около 3 километра в секунду (так как скорость его движения примерно 27 километров в секунду), и это достаточно медленно, чтобы можно было вывести аппарат на орбиту Марса. К тому времени, когда космический аппарат достигнет Красной планеты, он преодолеет расстояние в тысячу раз больше, чем астронавты миссии «Аполлон», но в среднем примерно в двадцать раз быстрее. Поделив тысячу на двадцать, мы получим время полета от Земли до Марса – 150 дней, в пятьдесят раз больше, чем трехдневное путешествие астронавтов миссии «Аполлон». Это и есть грубая оценка времени полета только в сторону Марса с использованием технологий реактивного движения эпохи программы «Аполлон», которые совпадают с современными. И это вполне хорошая оценка. Хотя на самом деле перелет по траектории Гомана занимает 258 дней. Сократить путешествие до 150 дней возможно, только если использовать дополнительное топливо.
|
|
|
Но добраться до Марса – это полдела, еще нужно вернуться назад. Земля и Марс находятся в непрерывном движении вокруг Солнца, и поскольку они движутся с разными скоростями, то постоянно смещаются друг относительно друга. Поскольку для запуска и возвращения миссии подходят только конкретные взаимные положения Земли и Марса, выбранная траектория не только определяет, как долго вам придется путешествовать, она также задает время, когда можно стартовать с планеты. Это сильно усложняет формирование плана миссии, но в итоге, по сути, у нас остается два варианта пилотируемой миссии на Марс, которая предусматривает возвращение на Землю. Эти два варианта известны как миссии класса соединений и противостояний. Типичные параметры обоих типов миссий приведены в табл. 4.1.
Одним из примеров миссии в соединении будет «миссия с минимальными затратами энергии», которая реализуется двумя маневрами Гомана между Землей и Марсом. Такая миссия будет самой дешевой, но в один конец придется лететь 258 дней. Этот вариант подходит для груза, но, если на Марс полетят люди, желательно ускорить процесс. Оказывается, что для сокращения времени полета до 180 дней при старте в период соединения Земли и Марса понадобится не слишком много дополнительного топлива, именно этот вариант мы предлагаем для миссии «Марс Директ». Тем не менее, если принять такой план полета, придется задержаться на поверхности Марса на 550 дней, пока не откроется стартовое окно для возвращения на Землю. То есть общая продолжительность миссии составит около 910 дней.
Таблица 4.1. Продолжительность полета и пребывания на Марсе
Первая половина миссии в противостоянии – полет с Земли на Марс – осуществляется таким же образом, как в случае миссии в соединении. Но обратный путь будет радикально отличаться. По дороге домой придется потратить топливо для старта с Марса, но не для непосредственного возвращения на Землю, а для выхода в межпланетное пространство. Затем придется обогнуть Венеру, производя гравитационный маневр, который благодаря эффекту пращи поможет набрать скорость для полета к Земле. Такой способ позволит астронавтам поймать стартовое окно для возвращения на Землю вскоре после прибытия на Марс. И хотя на обратный путь потребуется значительно больше времени, чем на маневр Гомана, миссия в противостоянии займет всего приблизительно 600 дней.
Разработчики миссии НАСА «90-дневный отчет» делали ставку на запуск в период противостояния, потому что хотели минимизировать общую продолжительность полета. Другие следовали их примеру, полагая, что противостояние – единственное удобное время для полетов на Марс. Но есть ли смысл у такого подхода? В рамках миссии в противостоянии к реактивным двигателям предъявляются значительно более строгие требования: например, изменение скорости на 7,8 километра в секунду, чтобы ускорить или замедлить космический корабль. Для миссии в соединении это значение составляет всего 6,0 километра в секунду. (ΔV – это изменение скорости, необходимое для перемещения космического корабля с одной орбиты на другую.) Если использовать для вывода корабля с опорной марсианской орбиты на ведущую к Земле траекторию хранящееся в космосе топливо, стартовая масса будет примерно вдвое больше, чем для миссии в соединении. Однако на самом деле все еще сложнее. Требования на ΔV, приведенные в табл. 4.1, относятся только к ускоряющему маневру отправки с НОО Земли и с высокоэллиптической орбиты Марса. Предполагается, что космический аппарат способен произвести торможение на земной или марсианской орбите. Но космический корабль для миссии в противостоянии может оказаться настолько массивным, что торможение в атмосфере будет трудновыполнимо или вообще невозможно. Если это так, для замедления придется использовать ракетные двигатели, что увеличит ΔV для всей миссии, а это приведет к увеличению массы аппаратов и стоимости. Так мы приходим к выводу, что миссия в противостоянии практически невозможна до тех пор, пока не ловится ЯРД, у которого скорость истечения вдвое выше, чем у химического реактивного двигателя, или что-то лучшее. (По этой причине миссии в противостоянии поддерживают некоторые сторонники разработки ЯРД.)
Но для чего нам уменьшать длительность миссии? Обычно называют классические причины: важно минимизировать воздействие на экипаж невесомости и различных типов космического излучения. В рамках миссии в противостоянии экипажу действительно гораздо дольше придется находиться в невесомости, так как почти все время полета люди проведут в межпланетном пространстве. Кроме того, доза радиации, полученная за единицу времени в межпланетном пространстве, примерно в четыре раза выше, чем на Марсе, где атмосфера и вещество поверхности обеспечивают существенную защиту (даже если не принимать дополнительные меры, такие как укрепление мешков с песком на крыше жилого модуля). Следовательно, доза радиации, полученная экипажем в миссии в противостоянии, скорее всего будет немного больше, чем во время миссии в соединении.
Несмотря на все сомнения по поводу радиации в полете на Марс, нужно понимать, что дозы, приведенные в табл. 4.1, особой угрозы не представляют. Если вдуматься, каждые 60 бэр радиации, полученные за длительный период времени, такой как многолетнее путешествие на Марс и назад, добавляют 1 % риска заболеть смертельной формой рака в будущем для женщины тридцати пяти лет, в то время как для тридцатипятилетнего мужчины аналогичная (по последствиям) доза составляет 80 бэр. Радиация – это не самый опасный фактор в пилотируемой марсианской миссии.
Таким образом, преимущества миссии в противостоянии иллюзорны, а вот недостатки реальны. Требования к реактивным двигателям для миссии в противостоянии возрастают, увеличивая массу аппарата и, следовательно, стоимость миссии. Сборка оборудования при такой огромной массе должна производиться на орбите, где невозможен полноценный контроль качества. Кроме того, масштабность и сложность такой сборки растут, тем самым увеличивая риск ошибок. Но и это еще не все. Для миссии в противостоянии потребуется больше топлива, чем для какой-либо другой, значит, двигатели будут работать дольше, что увеличивает риск их отказа из-за изношенности. Также растет время полета в один конец, значит, требуются более надежные системы жизнеобеспечения корабля (для миссии в соединении они должны гарантированно работать только 180 дней подряд; для миссии в противостоянии этот срок составляет 430 дней). Система жизнеобеспечения миссии в противостоянии также должна выдерживать перепады внешней температуры, вызванные тем, что по пути от Марса к Земле корабль пролетает мимо Венеры, где Солнце греет вдвое сильнее, чем у Земли. (Вот почему некоторые разработчики миссии в противостоянии говорят об этом маневре не «пролететь мимо Венеры», а «прожариться у Венеры».[20]) Наконец, когда корабль достигнет Земли, он войдет в атмосферу Земли намного жестче, чем более легкий космический аппарат для миссии в соединении. Возрастают силы, действующие на спускающийся корабль и экипаж при замедлении, а также увеличивается риск того, что в случае неудачного входа в атмосферу космический аппарат либо сгорит, либо оттолкнется от атмосферы, оставив экипаж в бездействии в межпланетном пространстве.
Но даже на фоне всех этих изъянов один недостаток выглядит особенно огромным и абсурдным: миссия в противостоянии даст практически нулевой результат. После шести месяцев пути длиной в 400 миллионов километров космический аппарат и экипаж проведут на Марсе всего тридцать дней. Проведя всего лишь месяц на орбите Марса, экипаж может надеяться в лучшем случае пробыть на поверхности две недели перед возвращением на Землю. А если погода на Марсе будет плохой, астронавты могут вообще не начать высадку. Вся миссия может оказаться бесполезной (вспомните, что «Маринер-9» после прибытия к Марсу вынужден был четыре месяца пережидать пылевую бурю). Я сравниваю план миссии в противостоянии с семейной рождественской поездкой на Гавайи: десять дней придется провести в пути, перелетая из одного аэропорта в другой, и еще половину дня – на пляже, если повезет с погодой. Проще говоря, план миссии в противостоянии – это просто глупая затея. Он донельзя увеличивает затраты и риск и сводит к минимуму научную результативность. Этот вариант поддерживают лишь те, кто хотел бы представить пилотируемый полет на Марс как несбыточную мечту, или те, кто пытается усложнить миссию в надежде получить финансирование для разработки новых реактивных двигательных систем. Те, кто действительно хочет достичь Марса, вообще не рассматривают всерьез миссии в противостоянии.
А вот миссии в соединении дают нам куда больше простора для выбора наиболее разумного варианта. План минимальных энергозатрат – самый дешевый, но план быстрого полета приводит к большей результативности, так как большая часть общего времени миссии будет потрачена на исследование Марса, а меньшая – на дорогу. Полет на Марс по короткой траектории в соединении резко уменьшает время, проведенное экипажем в невесомости, тем самым урезая возможные дозы радиации, и сводит к минимуму требования к надежности системы жизнеобеспечения на корабле. При этом, поскольку не предполагается, что миссия с минимальными энергозатратами, будет быстрой, корабль для нее можно сделать более тяжелым, с большим количеством резервных версий для различных критически важных для миссии систем: двигательной, управления и жизнеобеспечения. И если космический корабль для миссии с минимальными энергозатратами должен быть более надежным, чем для быстрой миссии, то сделать его таким поможет запас массы. (Космический корабль для миссии в противостоянии, который должен быть самым надежным, будет иметь наименьший запас массы, чтобы обеспечить надежность подсистем корабля и возможность их резервного дублирования.)
В данном случае нужно найти разумный компромисс между скоростью космического аппарата и возможностью резервного дублирования его ключевых систем. Но есть и дополнительное соображение. При определенных скоростях старта можно полететь на Марс по траектории, которая доставит корабль прямо назад, на Землю, если экипаж решит не лететь (или по какой-то причине не сможет лететь) вперед, чтобы выполнить маневр орбитального захвата на Марсе. Такие траектории известны как траектории свободного возвращения. Если система реактивных двигателей корабля полностью выйдет из строя во время полета с Земли на Марс или если миссию необходимо будет прервать по любой другой причине, то движение по таким траекториям позволит экипажу благополучно вернуться домой точно так же, как произошло в почти катастрофической миссии «Аполлон-13», где использовали траекторию свободного возвращения, чтобы добраться до Луны. Безопасность вылета к Марсу по такой траектории настолько очевидна, что вряд ли стоит рассматривать траектории несвободного возвращения для участка пути Марс – Земля, которые помогут в лучшем случае сэкономить тридцать дней. В таблице 4.2 мы перечисляем характеристики траекторий свободного возвращения для Марса. При скорости старта 3,34 километра в секунду и почти минимальной энергии (вариант А) полет до Марса занимает 250 дней, а полет с Марса на Землю займет три года (то есть два полуторагодичных орбитальных периода), что отлично подходит для грузового рейса, но не слишком хорошо – для пилотируемого полета. При скорости старта 5,08 километра в секунду (вариант В) сокращается транзит до Марса до 180 дней, а время полета по траектории свободного возвращения – до двух лет. Это явно лучший вариант для пилотируемой миссии. Во-первых, полет на Марс по траекториям свободного возвращения (варианты С и D) с большими затратами энергии приведет к гораздо большим затратам ракетного топлива в обмен на небольшое уменьшение времени полета. Во-вторых, облетать Марс придется делая большую петлю, а это приведет к тому, что экипаж потратит больше времени, чтобы добраться до дома, если придется, прибегнуть к свободному возвращению. В дополнение к этому высокоэнергетические варианты приведут к тому, что скорость аппарата при входе в марсианскую атмосферу будет слишком велика для безопасного торможения.
Возможность обеспечить свободное возвращение на Землю не является ключевым фактором в выборе траектории полета с Марса на Землю. Тем не менее уменьшение времени полета снижает шансы вернуться, если скорость старта превышает 4 километра в секунду. Чтобы двигаться намного быстрее, пришлось бы просто отказаться от части полезной нагрузки корабля и, таким образом, от критически важной дублированности его систем, при этом время полета снизилось бы почти незначительно.
Итак, мы выяснили, что наиболее удобными траекториями между Землей и Марсом во время пилотируемой марсианской миссии являются те, которые позволяют покинуть Землю со стартовой скоростью 5 километров в секунду (и не более) и покинуть Марс со стартовой скоростью около 4 километра в секунду. Для беспилотной грузовой миссии наиболее удобными будут траектории Гомана или вариант А с близкими к минимальным затратами энергии и стартовой скоростью 3,3 километра в секунду. И что же в итоге? Все это легко осуществить с использованием современных химических реактивных двигателей. От автора: ΔV, необходимое для миссии, и стартовая скорость миссии связаны, но это не одно и то же. Для интересующихся математические соотношения, связывающие их друг с другом, с удельным импульсом ракеты и массой миссии, приводятся в техническом разделе в конце этой главы.
Таблица 4.2. Траектории свободного возвращения между Землей и Марсом
Кто полетит?
После того как мы определили нашу траекторию, мы должны выбрать экипаж: кто полетит? Сколько всего человек?
Выражение «в тесноте, да не в обиде» отражает общую тенденцию, связанную с численностью экипажа для продолжительной миссии на Марс. Однако, так как размер экипажа определяет массу всех обитаемых модулей, двигательных установок и ракет-носителей, важно сделать его минимальным. К тому же, сколько резервных систем и вариантов прерывания ни включал бы в себя план миссии, мы должны понимать, что отправляем людей в опасную неизвестность. С этой точки зрения, чем меньше их будет на борту первой миссии, тем лучше. Наконец, как бы ни хотелось отправить в длительное путешествие большую группу астронавтов, достаточно изучить историю освоения Земли, чтобы понять: провести длительную экспедицию может один человек, два человека или любое другое число людей.
Тогда вопрос стоит переформулировать: сколько людей действительно необходимо для пилотируемой марсианской миссии? Иными словами, в ком мы действительно нуждаемся? Если миссии суждено провалиться, несомненно, наиболее вероятной причиной неудачи будет отказ одной или более критически важных механических и электрических систем (двигатели, управление, жизнеобеспечение). В таком случае самым важным членом экипажа будет механик, человек, от которого зависят жизни его коллег. Если угодно, можно назвать его бортинженером (он должен быть инженером вроде тех, что работали на старинных железнодорожных локомотивах или пароходах), но миссии нужен высококлассный механик, способный распознать проблемы до их возникновения и исправить все, что может быть исправлено. Эта работа настолько важна, что, несмотря на все ограничения, я бы порекомендовал взять двоих людей, способных ее выполнять.
Следующая наиболее важная для миссии роль – это обязанности ученого, работающего в полевых условиях. Помните, что исследования Марса являются сутью и смыслом пилотируемой миссии к Красной планете. Следующие по важности работники после тех, кто обеспечит путь на Марс и возвращение домой, – те, без кого не достичь исследовательских целей миссии. Поскольку нулевой научный результат будет фактически означать провал миссии, я снова рекомендую взять двоих ученых. Одного геолога – он займется разведыванием ресурсов и изучением геологической истории Марса, и одного биолога, который сосредоточится на особенностях Марса, способных прояснить вопрос о жизни на планете. Биолог также будет проводить эксперименты, чтобы определить химическую и биологическую токсичность марсианских веществ для земных растений и животных, а также пригодность местных почв для тепличных сельскохозяйственных работ.
Вот, собственно, и все. Если экипаж состоит из двух механиков и двух «ученых-полевиков», есть возможность разделить его на две группы, в которых никто не останется в одиночестве (один будет выезжать в поле на ровере, скажем, в то время, как другие остаются в базовом лагере). В этом случае всегда найдется кому починить неисправное оборудование и кому сделать научную работу. В людях, которые выполняют только особые функции, такие как «командир миссии», «пилот» или «доктор», нет необходимости. Разумеется, в экипаже миссии будет нужен кто-то, выполняющий обязанности командира, и человек, который может быть его заместителем, потому что в опасных ситуациях необходим человек, способный быстро принимать решения за всех, чтобы не устраивать голосования и обсуждения. Но для человека, который занят исключительно контролем над работой других, места нет. Аналогичным образом, на борту не должно быть человека, который отвечает только за пилотирование. Космический аппарат сможет совершить посадку в полностью автоматическом режиме, и навыки пилотирования окажутся полезны, разве что если вдруг откажет запасная система автоматизированного управления полетом – а это всего несколько минут за два с половиной года проведения миссии. Но в крайнем случае один или несколько членов экипажа могут пройти дополнительную подготовку – гораздо проще обучить пилотированию геолога, чем обучить пилота геологии. Наконец, врача на корабле не будет как такового. Великий норвежский исследователь Руаль Амундсен всегда отказывался брать врачей в свои экспедиции, заметив, что их присутствие пагубно сказывалось на моральном состоянии коллектива и что с подавляющим большинством медицинских проблем, которые возникают в экспедициях, опытные путешественники могут справиться сами. И если говорить честно, отбросив официоз, почти все космонавты ненавидят космических врачей. Вы бы на их месте тоже ненавидели: просто представьте, что во время выполнения тяжелой работы кто-то постоянно тычет в вас иголками, прикрепляет провода и ставит градусники. Всех членов экипажа обучат оказанию первой помощи, на борту работой терапевта займутся экспертные системы, а также можно будет получить медицинскую консультацию с Земли для диагностики легко излечимых заболеваний (ушных инфекций и тому подобного). Достаточно, чтобы среди членов экипажа был человек с опытом работы терапевтом или подготовкой фельдшера, а на борту имелся фельдшерский набор и запас антибиотиков широкого спектра действия. На роль такого человека, разумеется, хорошо подошел бы биолог. А вот иметь на борту первоклассного врача, который будет проводить свое время, читая медицинские статьи и оттачивая навыки по практической хирургии с использованием шлема виртуальной реальности, или хуже, мотая нервы коллегам углубленными обследованиями, – явное излишество.
Подводя итог в духе «Звездного пути», в пилотируемой миссии на Марс нужны два Скотти и два Спока. Капитан Кирк, Суду или Маккой не нужны, и что еще более важно, не придется обеспечивать их спальными местами и едой.
Мы можем достичь целей миссии с экипажем из четырех человек.
Прямой запуск
Все межпланетные миссии, проводившиеся до сих пор, осуществлялись «напрямую» – ракета-носитель поднимает космический корабль на НОО, а затем с помощью своей верхней ступени выводит его на траекторию к планете назначения. Так миссии «Маринер» и «Викинг» достигли Марса, так же корабли программы «Аполлон» достигли Луны. Но ни одна миссия не была отправлена за пределы НОО, чтобы поднять полезную нагрузку на обращающийся вокруг Земли космодром, с которого бы все это перенесли на свежезаправленный межпланетный лайнер, только что вернувшийся с Сатурна. Еще ни одна миссия за пределами НОО не выполнялась межпланетным кораблем, построенным в космосе. Из-за того что полет на Марс ассоциируется с такими футуристическими идеями, в умах множества людей пилотируемые исследования Красной планеты остаются чем-то из мира Будущего. Но если бы пилотируемый полет на Марс был бы осуществим путем прямого запуска, тогда мы могли бы это сделать. Если избавиться от космических лайнеров и космопортов, то полет человека на Марс перемещается из параллельной вселенной Будущего в нашу Вселенную. Если мы сможем осуществить прямой запуск, то 90 % того, что нам нужно для отправки людей на Марс, доступно уже сейчас.
Мы выбрали траекторию и размер экипажа. А сможет реально существующая тяжелая ракета-носитель не более чем за два последовательных запуска в рамках каждой миссии доставить на Марс все необходимое для четырех человек в соответствии с планом полета, который мы выбрали? Давайте посмотрим.
Ничего фантастического в тяжелых ракетах-носителях нет – США построили и эксплуатировали одну такую сорок пять лет назад. Ракета-носитель «Сатурн-5», которая отправила астронавтов программы «Аполлон» на Луну, была введена в эксплуатацию в 1967 году после пяти лет, потраченных на разработку и прослужила без отказов восемь лет до 1975 года, когда последняя рабочая ракета запустила американский модуль в рамках миссии «Союз – Аполлон». «Сатурн-5» мог поднять на НОО 140 тонн. Если мы хотим получить эквивалентную грузоподъемность сегодня, то надежным способом сделать это с «защитой от дурака» было бы повторное проектирование деталей и начало повторного производства «Сатурн-5». Однако есть и другие способы. Например, используя детали шаттла, можно произвести ТРН того же класса. Для этого нужно добавить блок из четырех главных двигателей шаттла (ГДШ) к нижней части внешнего топливного бака шаттла (ВБ), прикрепить два твердотопливных ракетных двигателя (ТРД) шаттла с какой-либо из сторон ВБ и разместить на вершине ВБ верхнюю ступень, работающую на смеси водорода и кислорода. Мы получим конструкцию ракеты-носителя «Арес», созданной Дэвидом Бейкером для миссии «Марс Директ». В зависимости от силы тяги, которую развивает двигатель верхней ступени, «Арес» может доставить на НОО от 121 тонны (при силе тяги в 250000 фунтов) до 135 тонн (при силе тяги в 500 000 фунтов). В России в 1980–1990-е годы существовала ТРН «Энергия», которую тоже нетрудно воссоздать. Продемонстрированная модель могла поднять на НОО только 100 тонн, но усовершенствованная конструкция, «Энергия-В», могла бы похвастаться грузоподъемностью в 200 тонн. За короткое время существования НИК НАСА разработало десятки проектов ТРН различных сортов с грузоподъемностью от 80 до 250 тонн. Проще говоря, если Соединенным Штатам нужна ТРН, то она обязательно будет.
Если на бумаге можно создать ракету-носитель любого желаемого размера, то в реальности все иначе. Были разработаны некоторые сверхТРН с грузоподъемностью в тысячу тонн (на НОО). Звучит великолепно, но старте такая ракета не оставила бы от Орландо (или по крайней мере от Космического центра имени Кеннеди) камня на камне. Поэтому давайте будем предельно осторожны в оценках и предположим, что Соединенные Штаты – современные – могут построить ТРН с грузоподъемностью не больше той, которой удалось добиться в 1960 году . Давайте ограничим грузоподъемность нашей ракеты 140 тоннами (на НОО) по аналогии с «Сатурн-5». Будет ли такой вариант достаточно надежен для прямого запуска «Марс Директ»?
Часть ответа на этот вопрос дана в табл. 4.3, где показано количество полезного груза, который будет доставлен на поверхность Марса одной ракетой-носителем, способной отправить на НОО 140 тонн, при условии что аппарат произведет маневр аэрозахвата в атмосфере Марса. Таблица дает информацию как для грузовых, так и для пилотируемых траекторий на участке Марс – Земля, а также для разных вариантов третьей ступени: для современного химического двигателя, работающего на смеси водорода и кислорода, с удельным импульсом 450 секунд, либо для ядерного ракетного двигателя, который будет разработан довольно скоро, с удельным импульсом 900 секунд.
Таблица 4.3. Доставка полезного груза на поверхность Марса с помощью ракеты-носителя тяжелого класса, способной вывести на НОО 140 тонн
Приведенные в табл. 4.3 показатели грузоподъемности рассчитаны исходя из предположения, что для выхода космического корабля в орбиту Марса используется атмосферное торможение. Это самый оптимальный способ выполнить орбитальный захват в миссии «Марс Директ», потому что вся полезная нагрузка предназначена для марсианской поверхности и поэтому в любом случае должна быть защищена обтекателем. Используя захват в атмосфере для проведения тормозного маневра, мы без усилий уменьшим используемую для разгона ΔV. Если бы вместо этого для торможения пришлось использовать ракетный двигатель, на поверхность Марса удалось бы доставить примерно на 25 % меньше груза. Если бы мы строили миссию согласно планам «90-дневного отчета» НАСА, использование атмосферы для тормозного маневра вызвало бы много технических трудностей. Торможение в атмосфере огромного звездного крейсера «Галактика» потребовало бы огромного обтекателя, который мог бы быть построен только на орбите, а это, как я уже отметил, безнадежная затея. Более того, для траекторий класса противостояния, используемых в «90-дневном отчете», предполагался действительно жесткий вход в марсианскую атмосферу, что увеличивало бы тепловую и механическую нагрузку на обтекатель. «Марс Директ» использует менее затратные по энергии траектории из класса соединения, для которых скорости входа более низкие и, следовательно, более низкие темпы нагревания, что приводит к значительному уменьшению сил аэродинамического торможения. Кроме того, космические аппараты, которые необходимо тормозить по сценарию «Марс Директ», относительно невелики, так что обтекатели для их защиты легко поместятся внутри головного обтекателя ракеты-носителя. Это может быть сделано одним из двух способов: либо с помощью растяжимого тканевого купола в форме зонтика, который складывается вокруг нижней части груза, как в оригинальном варианте «Марс Директ», либо заменой обтекателя ракеты-носителя жесткой, пулеобразной оболочкой, которая надевается на груз сверху. Оба варианта осуществимы, и в рамках миссии «Марс Директ» любой из них можно будет запускать сразу без необходимости сборки на орбите. Кроме того, требования к наведению, навигации и управлению при аэродинамическом торможении для корабля миссии «Марс Директ» ниже, чем в планах, предполагающих рандеву на орбите Марса, потому что по большому счету не важно, на какую именно орбиту аппарат попадает после захвата (после посадки данные об орбите будут стерты), до тех пор пока ее наклонение находится в пределах широких допусков, при которых есть доступ к назначенному месту посадки.
Для доставки полезной нагрузки мы также можем использовать принцип прямого входа. Как и при маневре аэродинамического торможения, полезная нагрузка замедляется при спуске не с помощью ракетного двигателя, а благодаря тому что атмосфера планеты оказывает аэродинамическое сопротивление ее движению. Однако между этими двумя подходами есть разница. При использовании маневра аэродинамического торможения космический корабль погружается в атмосферу планеты ровно настолько, чтобы замедлиться, а затем вновь выйти на нужную орбиту. В случае прямого входа космический корабль погружается глубоко в атмосферу, пока не погасит свою скорость, а затем переходит непосредственно к посадке. Аэродинамический захват считается лучшим вариантом для пилотируемой марсианской миссии потому, что в случае плохой погоды он позволяет экипажу при необходимости дождаться благоприятных условий для посадки на орбите. При прямом входе аппарат вынужден произвести посадку сразу после входа в атмосферу Марса. Тем не менее прямой вход был успешно использован при посадке на Марсе миссий «Пасфайндер», «Спирит», «Оппортьюнити» и «Феникс». Таким образом, накопился опыт, который может подтолкнуть разработчиков пилотируемой миссии на Марс также использовать этот маневр.
Однако в первую очередь важна полезная нагрузка, которую мы доставим на поверхность планеты. Если будут использованы химические двигатели, тогда беспилотная грузовая ракета-носитель, выводящая на НОО 140 тонн, может доставить на поверхность Марса 28,6 тонны, в то время как при самом быстром пилотируемом полете можно доставить на Марс 25,2 тонны. Реально ли разработать план пилотируемой миссии, уложившись в эти пределы массы? Если нельзя, мы всегда можем спроектировать более крупную ракету-носитель или наконец разработать ЯРД. Но давайте посмотрим, сумеем ли мы разработать миссию, имея в распоряжении только «Сатурн-5» и химические реактивные двигатели. Если у нас получится, то более продвинутые технологии или возможности двигательных установок и связанные с ними выгоды станут вишенкой на торте.
Продовольствие для экипажа
Достаточно ли нам имеющейся грузоподъемности? Что ж, давайте разберемся, какое продовольствие понадобится для миссии. В таблице 4.4 мы видим, какие продукты потребуются каждому члену экипажа ежедневно на каждом этапе миссии, а также их общее количество, необходимое для питания четверых астронавтов в каждом из двух жилых модулей, хабе (в котором экипаж будет жить во время полета с Земли на Марс и во время пребывания на поверхности Марса) и кабине ВЗА. Числа, приведенные в столбце «Необходимость/человек-день», являются стандартами НАСА (достаточно мягкими в отношении количества непитьевой воды, как вы можете заметить). Однако я заменил 0,13 кг/день обезвоженной пищи на 1 кг/день цельной пищи. Такая смешанная диета лучше повлияет на настрой экипажа во время длинной миссии, чем только обезвоженная пища, а стоимость миссии вырастет очень незначительно, так как влага, содержащаяся в цельных продуктах питания, послужит для восполнения потерь в системе рециркуляции питьевой воды. Для системы жизнеобеспечения экипажа предполагается довольно низкий КПД с физической и химической точки зрения, поскольку перерабатывает по 80 % кислорода и питьевой воды и 90 % технической воды (качество которой может быть более низким). Это намного проще и экономичнее, чем футуристические системы, основанные на экологии замкнутого пространства, где в теории пища, кислород и вода должны перерабатываться на 100 %.
Если вы умеете читать между строк, в табл. 4.4 вы сразу же обратите внимание на огромные преимущества, которые дают нам марсианские ресурсы. ВЗА будут производить не только горючее, но и большое количество воды и кислорода. Без маленького топливного завода на ВЗА нам пришлось бы доставить вместе с хабом дополнительные 7 тонн продовольствия. Получившиеся 14 тонн было бы очень трудно уместить, так как мы можем доставить на Марс только 25-тонный обитаемый модуль. Девять тонн воды, которые производятся каждым ВЗА, даже превышают требования НАСА, что должно хорошо сказаться на моральном состоянии тяжелоработающего экипажа на пустынной планете. По этим причинам в табл. 4.4 не упоминается доставка с Земли кислорода или воды. Мы также видим, что каждый хаб летит к Марсу с запасами пищи, рассчитанными на 800-дневную миссию, что дает более чем достаточное количество провизии для двухлетнего полета по траектории свободного возвращения, если высадку на Марс отменят. В этом случае экипаж в хабе будет вынужден эксплуатировать 5 тонн метаново-кислородного топлива из двигательной ступени, используемой при посадке на Марс, чтобы обеспечить себя дополнительными водой и кислородом (они не пригодятся в качестве топлива, если использовать траекторию свободного возвращения и затем маневр аэродинамического торможения в атмосфере Земли), и уменьшить использование непитьевой воды до 40 % от номинального уровня стандарта НАСА. Такие неудобства плохо повлияют на настрой экипажа, но их можно перетерпеть и выжить, а это единственное, что важно в случае аварийного прерывания миссии. Кроме того, в табл. 4.4 не показаны потери питьевой воды, потому что питьевая вода, потерянная из-за неэффективной рециркуляции, компенсируется водой, добавляемой к системе из цельной пищи.
Таблица 4.4. Требования по потреблению продовольствия для экипажа из четырех человек миссии «Марс Директ»
С учетом этих продовольственных требований можно назначить распределение массы для кабины ВЗА и хаба, оно представлено в табл. 4.5.
Таблица 4.5. Распределение массы для плана миссии «Марс Директ»
6,3 тонны водородного сырья из запаса полезной нагрузки ВЗА, показанного выше, после посадки будут преобразованы в 94 тонны метаново-кислородного топлива и 9 тонн воды. 82 тонны ракетного топлива из произведенных 94 тонн будут использованы для ракетных двигателей ВЗА, чтобы вернуть экипаж на Землю, а 12 тонн пойдут на заправку марсианских роверов с двигателями внутреннего сгорания. Если подсчитать только запасы воды и 12 тонн топлива для роверов и добавить их к массе других частей полезной нагрузки ВЗА, которые пригодятся на поверхности Марса (это кабина ВЗА с ее системами энергоснабжения и жизнеобеспечения, энергетический реактор, скафандры для внекорабельной деятельности (ВКД), легкий грузовик и т. д.), мы получим, что каждый ВЗА сможет доставить на поверхность Марса 36,5 тонны полезного груза. В распоряжении экипажа первой миссии будут два ВЗА (один доставят заранее для производства ракетного топлива, другой, резервный, запустят в тандеме с экипажем) и один хаб (который доставит на поверхность 24,7 тонны полезной нагрузки). В сумме это дает 97,7 тонны полезной нагрузки, которой экипаж будет пользоваться на поверхности Марса, – примерно в четыре раза больше, чем предполагалось в «90-дневном отчете» НАСА (начальная масса этой миссии более чем в два раза превышала бы массу нашей миссии). Полезная нагрузка, доступная экипажу на поверхности Марса, включает четыре герметизированных помещения, предназначенных для поддержания жизни: обитаемый модуль, два ВЗА и один ровер. То есть на случай перебоев в работе главной системы жизнеобеспечения хаба у экипажа останется несколько убежищ. Кроме того, у астронавтов будут 12 скафандров для ВКД, пять самоходных транспортных средств (герметизированный ровер, два открытых ровера и два легких грузовика), пять основных источников питания (два ядерных реактора на 80 кВт, три солнечные энергетические системы на 5 кВт каждая в обитаемом модуле и два ВЗА), пять резервных источников питания (двигатели на каждом из самоходных транспортных средств можно использовать, чтобы включить генератор), тонна полевого и лабораторного научного оборудования, 14 тонн продовольствия с Земли плюс 18 тонн произведенной на Марсе воды и 24 тонны топлива для роверов, два миниатюрных химических топливных завода, каждый из которых способен произвести из марсианского атмосферного углекислого газа примерно в пятьдесят раз больше кислорода, чем требуется экипажу для поддержания жизни. Поэтому предлагаемый план следует рассматривать как очень надежный. Но можно сделать его еще надежнее, воспользовавшись первым стартовым окном, чтобы отправить полностью укомплектованный хаб с продовольствием, но без экипажа, вместе с первым ВЗА на первое место посадки (то есть расписание программы запуска будет таким: два рейса ТРН каждые два года, начиная с первого). В этом случае астронавтам на Марсе будут доступны шесть обитаемых помещений, включая два полностью укомплектованных хаба, две полностью укомплектованные кабины ВЗА, плюс… Я надеюсь, вы уловили суть. Нам еще не доводилось исследовать какое-либо небесное тело, имея уровень резервной избыточности, хотя бы отдаленно приближающийся к этому. И все это мы сделали, используя технологии 1960-х годов – химические реактивные двигатели «Сатурна-5» – и не прибегая ни на одном из этапов миссии к орбитальной инфраструктуре, сборке, погрузке на орбите или орбитальному рандеву любого типа.
Таким образом мы можем почти неограниченно и с пользой для дела накапливать избыточную надежность лагеря на поверхности Марса – по сравнению с тем, с чем имеет дело экипаж в полете. И это еще одна причина, по которой проектировщики марсианской миссии должны попытаться максимально увеличить время, проводимое экипажем на поверхности, и свести к минимуму продолжительность пути. Все полезные наработки миссии можно накапливать и применять после высадки. Если это будет сделано, то поверхность Марса станет вторым по безопасности местом в Солнечной системе.
Дата добавления: 2018-09-22; просмотров: 282; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!