Полеты грузовых кораблей с ионными ракетными двигателями к Марсу начнутся в период с 1995 года и до предполагаемой посадки на Марс в 2003 году.
«Аэрокосмическая техника» 1991 №11, с.91-97
© American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 1991. Все права сохраняются.
1) Aerospace America, 1991, No. 8, pp. 36-41. Перевод А. И. Цирлина.
В июле 1989 года Президент Буш провозгласил Инициативу исследования космоса, призывающую к возвращению на Луну, чтобы там "обжиться", и к отправке пилотируемой экспедиции на Марс. Это достойные и ясные цели, которые должны пробудить исследовательский дух, свойственный человеку, и представить собой важный шаг к разработке обоснованной и решительной программы космических исследований. Однако в мае следующего года президент по существу согласился с графиком в развитие плана NASA "Девяностодневное исследование", предусматривающего полет на Марс до 2019 года. Столь протяженный срок делает цель достижения Марса почти бессмысленной. В нем нет также технической необходимости. Мы предлагаем осуществить возврат на Луну к середине 1990-х годов и путешествие на Марс в 2003 году.
Цели должны быть достижимы в пределах периода политической устойчивости, чего нельзя сказать об Инициативе исследования космоса. Вероятно, именно по этой причине Конгресс пока еще не выделил для нее ассигнований на 1992 финансовый год. Для поддержки работ в течение требуемых для ее выполнения 13 лет необходимо также принять дополнительные планы. Во-первых, надо выдвинуть неопровержимые научные, технические и социальные обоснования в оправдание этой инициативы, с тем чтобы она продвигалась после окончания полномочий нынешнего президента.
Полеты грузовых кораблей с ионными ракетными двигателями к Марсу начнутся в период с 1995 года и до предполагаемой посадки на Марс в 2003 году. |
Луна была бы прекрасным местом для астрономической обсерватории. Астрономия захватывала воображение общества в течение многих столетий, и это произойдет вновь, когда космонавты будут работать в обсерватории на Луне.
Вторая убедительная причина возвращения на Луну связана с поисками льда. Недавно сторонники того взгляда, что в лунном реголите рыхлом материале, покрывающем твердые скальные породы, содержится лед, получили весомую поддержку группы, возглавляемой Карлом Саганом. Эта группа провела оценку количества воды, которая могла быть доставлена на Землю и на Луну кометами. После возвращения кометы Галлея в 1986 году было установлено, что кометы по большей части состоят из льда, а также камней. Поэтому столкновения с кометами — это, возможно, одна из основных причин появления воды на Земле, да и в лунном реголите могло бы отложиться до 1011 (1011? — Хл) метрических тонн льда.
Наличие льда на Луне должно изменить всю стратегию программы. После его транспортировки на лунную орбиту и расплавления и гидролизации энергией Солнца он станет источником ракетного топлива. Полученные таким образом водород и кислород могли бы тогда обеспечить топливом полеты на Марс и другие планеты Солнечном системы. Благодаря меньшей силе тяжести на луне энергии при этом потребуется в тридцать и более раз меньше, чем при транспортировке равноценного количества топлива с Земли.
Третья причина возвращения на Луну связана с проверкой оборудования, которое в конечном счете будет использоваться на Марсе. Широкое использование Луны для этой цели не понадобится, если не будет обнаружен лед. В таком случае создание постоянной базы на Луне обеспечит хорошие возможности для подобных испытаний.
Зачем надо посылать людей на Марс? Чтобы искать признаки существования жизни. Два космических корабля Viking с роботами, высадившиеся на Марс в 1976 году, никаких ее признаков не нашли. К тому же условия на Марсе чрезвычайно неблагоприятны для живых существ, какими мы их знаем. Однако свидетельства посадочных и орбитальных аппаратов Viking, а также ранее запущенных орбитальных аппаратов Mariner, дают веские доводы в пользу того, что когда-то условия на Марсе были более благоприятными. Измерения относительной распространенности изотопов N14 и N15 в атмосфере Марса выявили, что атмосферное давление 2-3 миллиарда лет назад было намного выше, нежели теперь. Действительно, фотографии, полученные с орбиты, указывают на наличие высохших русел рек и озер. Следовательно, температура, состав атмосферы и давление, по всей видимости, были довольно сходными с условиями, которые когда-то были у нас на Земле. Так как масса Марса составляет всего девятую часть массы Земли, его атмосфера с тех пор рассеялась.
 При полетах на Луну и на Марс может использоваться посадочный аппарат идентичной конструкции. (Художественные рисунки любезно предоставлении фирмой Eagle Engineering.) |
 Самая важная информация, которую может дать первый полет на Марс, это ответ на вопрос, существовала ли жизнь на Марсе. |
Одноклеточные животные и растения развились на Земле 3,5 миллиарда лет назад (т. е. примерно через миллиард лет после ее образования), оставив после себя окаменелости в горных породах. Где-то в далеком прошлом аналогичные процессы могли иметь место и на Марсе. По этой причине важен выбор места посадки и образцов горных пород. Место посадки будет выбрано отчасти по данным, которые будут получены после предстоящего запуска аппарата на полярную орбиту вокруг Марса. Как поиски льда на Луне, так и отбор горных пород на Марсе требуют присутствия человека, который мог бы вынести самое обоснованное решение.
Для того чтобы ускорить проведение программы, сэкономить деньги и, что важнее всего, принести пользу промышленности и способствовать получению знаний и тем самым обосновать это предприятие, для экспедиции следует использовать существующие научно-технические средства, которые пока не нашли применения в космосе.
Из них наиболее важное значение имеет ионный ракетный двигатель. NASA продемонстрировало ионный ракетный двигатель с очень большим удельным импульсом (около 5 000 секунд) и малой тягой (несколько дин) в ходе экспериментов, проведенных в середине 1970-х годов при полетах по программе технических исследований солнечных электрических явлений. Ионные ракетные двигатели весьма эффективны при длительных полетах. Их будут использовать для отправки непилотируемых грузовых контейнеров на Марс и на Луну (если на ней будет найден лед) в самом начале реализации программы, поскольку длительное время полета не создаст никаких затруднений.
Для сохранения общественной поддержки существенные достижения должны отмечаться каждые несколько лет. Некоторые этапные моменты должны прийтись на период деятельности нынешней администрации. Длительный плановый период, в течение которого не будет предпринято никаких конкретных шагов для достижения поставленных целей, вызовет потерю интереса в обществе.
Во время реализации программы Apollo в 1960-е годы для этой цели служили полеты по программе Gemini. Согласно программе, испытания оборудования для ионных ракетных двигателей на земной орбите намечались при полетах корабля "Шаттл" уже на 1992 год. В 1994 году должны быть развернуты элементы космической станции Freedom, с тем чтобы служить в качестве сборочной площадки для кораблей, предназначенных для полетов на Луну и на Марс. Однако станция Freedom не будет построена прежде, чем будут совершены полеты на луну и на Марс. Полет на Луну должен быть совершен в конце 1995 года, а первый полет грузового корабля с ионным ракетным двигателем будет начат в начале 1996 года. Президент Буш может еще в начале 1997 года занимать свой пост.
В самом начале необходимо установить определенные ограничения, с тем чтобы программа жестко следовала поставленным условиям и не было открытых направлений для неконтролируемого разрастания. Попытки бюджетных ограничений были предприняты по полетам корабля "Шаттл", когда администрация возглавлялась Никсоном, но они оказались безуспешными. Более эффективный способ контроля затрат заключается в выработке всесторонних технических ограничений, которые автоматически выдерживают рамки программы.
Например, необходим лишь один предварительный полет с использованием роботов — это уже запланированный на 1994 год запуск аппарата Mars Orbiter на орбиту вокруг Марса. Если позднее будет признано необходимым собрать дополнительную информацию, то в непилотируемых грузовых кораблях, направляемых к Марсу, можно будет установить бортовую аппаратуру для ее сбора.
 Прежде чем на Марсе высадятся люди, эту красную планету мог бы исследовать вездеход-робот по совместной американо-советской программе. (Снимок предоставлен NASA.) |
Никаких новых ракет-носителей не потребуется. Все полеты должны выполняться либо с помощью космического корабля типа "Шаттл", либо с использованием новой одноразовой ракеты-носителя Titan IV. Для всех операций по смене орбит пригодны также существующие ракетные двигатели.
Говоря конкретнее, для уменьшения объема выполняемых на орбите работ с выходом за борт космического корабля новой ракеты-носителя большой грузоподъемности не понадобится. Приобретенного к настоящему времени опыта подобных работ при запусках кораблей "Шаттл" и при предстоящих запусках этих кораблей будет достаточно для уменьшения риска при такого рода операциях. К тому же можно воспользоваться методами орбитальной сборки с применением роботов, разработанными в Советском Союзе, что явится одним из преимуществ, обеспечиваемых организацией международного сотрудничества.
 В октябре 2003 года на Марсе должны высадиться три человека и провести на его поверхности один месяц. |
Аргументы против работ с выходом за борт космического корабля исходят главным образом из риска, связанного с наличием космических обломков и ионизирующей радиации. Ни один из этих факторов не препятствует широкому применению таких операций. Сравнительно простой экран, устанавливаемый во время сборки узлов космического аппарата за бортом корабля, обеспечит достаточную защиту против космических обломков. А самые опасные ионизирующие излучения связаны с галактическими солнечными космическими лучами и с различными эффектами солнечных вспышек. От космических лучей низких энергий защищает на низких околоземных орбитах магнитное поле Земли. Вторичные частицы, возникающие в результате столкновений менее интенсивных космических лучей высоких энергий с верхней частью атмосферы, исключить на практике невозможно, и они ставят фундаментальный, хотя и относительно высокий предел пребывания людей в космосе. Помех рассматриваемому проекту он не создает.
Что же касается эффектов солнечных вспышек, то трудности вызовет только вытеснение частиц из слоя Ван-Аллена в область низких орбит под воздействием гигантских солнечных бурь. Однако космонавты почти всегда будут достаточно своевременно предупреждаться о возникновении солнечных бурь, с тем чтобы успеть найти укрытие.
 Во время своего месячного пребывания на Марсе экипаж соберет образцы грунта, горных пород и атмосферы для их доставки на Землю. |
В качестве несущественных исключений из правила об отсутствии необходимости в новых научно-технических решениях можно назвать исследования вопросов работоспособности человека и защиты от радиации. При соблюдении указанных ограничений предполагаемые затраты и планы можно будет реализовать. Мы будем настойчиво способствовать международному сотрудничеству, с тем чтобы увеличить число квалифицированных людей, которые смогут внести свой вклад в программу и разделить затраты.
Рассмотрим теперь подробнее последовательность мер. Во-первых, надо будет быстро вернуться к исследованию Луны и в 1995 году высадить двух человек в район вблизи северного или южного полюса. Они займутся поисками льда, начнут испытания измерительной аппаратуры и оборудования, предназначенных для работы на Марсе, и доставят научные приборы для астрономической обсерватории.
Возможно, кто-то может утверждать, что предложенный план возвращения на Луну очень амбициозен, но надо вспомнить о том, что для высадки на Луну после объявления Президентом Кеннеди программы Apollo в мае 1961 года понадобилось всего восемь лет и два месяца. С тех пор мы достаточно продвинулись, чтобы срок в четыре года оказался обоснованным.
 Высокоэнергетические спринтерские траектории сокращают время полета на Марс до трех месяцев, сводя к минимуму время, которое предстоит провести космонавтам при нулевой силе тяжести. |
В период между возвращением на Луну в 1995 году и предполагаемой высадкой на Марс в 2003 году на Марс будут отправлены два грузовых корабля. Эти полеты с грузом напоминают создание промежуточных баз при путешествиях к Северному и Южному полюсам, совершенных в начале 1990-х годов. Люди отправятся на Марс не позднее 2003 года, используя высокоэнергетические "спринтерские" траектории. Эти траектории уменьшают время полета до нескольких месяцев, а до примерно, одного года как в случае обычных траекторий, соответствующих противостоянию или соединению, при кратковременном полете сократится необходимый объем биологических исследований, снизятся требования к системам жизнеобеспечения и, что, пожалуй, важнее всего, уменьшится время облучения космонавтов. Полет должен быть выполнен как можно ближе к 2000 году с тем, чтобы отметить начало нового тысячелетия.
Для того чтобы приступить к выполнению задачи, в начале 1995 года должна быть развернута ферменная конструкция, которая в конечном счете станет частью станции Freedom. Она должна быть оборудована руками, подобными системе дистанционного манипулятора корабля "Шаттл", для выполнения монтажных работ. Позднее в этом же году туда будут доставлены верхняя ступень аппарата для посадки на луну, ракета-носитель для перелета и топливо. Для сборки лунного космического корабля нескольким командам придется провести работы в открытом космосе. Первый полет на Луну должен начаться в октябре 1995 года.
На лунную орбиту отправятся четыре человека, и двое из них спустятся на поверхность Луны вблизи одного из полюсов и останутся там на 10 дней. Они должны провести исследование района вблизи места посадки площадью около 250 км с помощью пассажирского вездехода и телеуправляемого вездехода. Вездеход будет оборудован буром, который сможет пройти через реголит на глубину 5 — 10 м. Бурение с учетом данных перевозимой аппаратуры дистанционного зондирования позволит установить, имеется ли на осмотренных местах достаточно льда для использования Луны в качестве источника топлива.
Вторая цель полета будет заключаться в проведении научных исследований; будет оставлена аппаратура для выполнения разнообразных научных экспериментов, в частности по астрономии, а также испытательное оборудование, которое, возможно, будет использоваться на Марсе. Космонавты возвратятся на Землю в космическом корабле с теплозащитным экраном и совершат посадку в океане, как при полетах по программе Apollo.
Если на Луне окажется влага, то будет быстро создан постоянный аванпост. Первым шагом будет посылка на Луну непилотируемого грузового корабля с ионным ракетным двигателем в конце 1996 года, и до 2002 года будет сооружена установка для добычи на Луне льда. Ферменные конструкции станции Freedom, выведенной на орбиту ранее, будут расширены для обслуживания последующих полетов, предназначенных для строительства лунной базы. В период между 1998 и 2002 годами будут посланы еще два грузовых корабля на ионных ракетных двигателях.
При наличии влаги на Луне полет на Марс будет совершен с окололунной, а не околоземной орбиты. Поэтому на окололунной орбите предстоит построить установки для передачи топлива. Экипаж, которому предстоит полет на Марс, прибудет на окололунную орбиту и примет участие в операциях с топливом в конце 2002 — начале 2003 года. На эти годы приходится максимум солнечного цикла, поэтому вспышки вынудят занятых работами людей чаще уходить в укрытие от радиации, и работы несколько затянутся. Запуск на Марс произойдет где-то в начале 2003 года, а первая посадка будет совершена в октябре 2003 года.
При отсутствии влаги на Луне постоянный аванпост будет создан, но занят он будет не постоянно. На опорном пункте будет собираться научная информация и накапливаться опыт, необходимый для строительства на луне больших астрономических обсерваторий в дальнейшем. Вначале оборудование астрономической станции на луне может состоять из фотометрических телескопов с апертурой размером 1 м или менее.
Необходимую гибкость и надежность обеспечат два телескопа, один неподвижный, а другой полноповоротный. Управление обоими будет осуществляться с Земли, а данные будут пересылаться по высокоскоростной линии передачи информации. Каждый из предлагаемых инструментов будет примерно вдвое меньше Космического телескопа им. Хаббла, но благодаря выгодам, связанным с размещением обсерватории на Луне, ценность их будет такой же.
При отсутствии на Луне влаги полет на Марс придется начинать с околоземной орбиты. Тем не менее возврат на Луну произойдет, и начнется развитие астрономических исследований на Луне.
Работы над ионным ракетным двигателем начнутся в 1992 году с его испытаний на космическом корабле "Шаттл". Рабочие характеристики будут улучшены по сравнению с достигнутыми по программе технических исследований солнечных электрических явлений за счет внедрения имеющихся достижений в ходе наземных испытаний. Сборка космического корабля для полета на Марс и ионного ракетного двигателя будет производиться на околоземной орбите с использованием ферменной конструкции. Солнечная энергосистема обычного типа будет отдавать мощность 200 кВт.
На грузовом корабле с ионным ракетным двигателем будут транспортироваться три спутника Марса со связной и наблюдательной аппаратурой, вездеход для передвижения по Марсу и 60-кВт солнечная энергосистема для размещения на поверхности Марса. Спутник будет введен в действие автоматически перед стартом аппарата для посадки на Марс. Длительность полета грузового корабля с малой тягой составит около трех лет и двух месяцев, так что посадка аппарата с роботом на Марс произойдет где-то в 1999 году, примерно за четыре года до прибытия людей.
В 2000 году начнется второй полет корабля с ионным ракетным двигателем. На нем должен транспортироваться заправленный топливом аппарат посадки на Марс и вспомогательный грузовой аппарат для выведения на орбиту вокруг Марса. Этот аппарат будет значительно тяжелее первого, но на орбиту вокруг Марса он все же попадет примерно через три года.
Предварительные грузовые полеты дадут возможность сократить габариты космического аппарата для людей настолько, что можно будет воспользоваться спринтерской траекторией и посадка на Марс сможет быть осуществлена в приемлемо близком будущем. Есть еще одно соображение в пользу такого маршрута: наибольший риск для человеческой жизни во всей программе несомненно связан с длительным полетом к Марсу. Хотя мы располагаем определенной информацией о способности людей работать и выживать в космосе в течение длительного времени, полученной в ходе полетов на околоземной орбите, ее недостаточно. Экипажи на советской космической станции "Салют" оставались до года. Они испытывали некоторые трудности при реадаптации к силе тяжести. Такая адаптация будет определять способность людей работать после того, как они попадут на Марс. Спринтерская траектория сводит к минимуму время, проведенное в условиях нулевой силы тяжести перед посадкой на Марс, тем самым снижая риск возникновения серьезных трудностей. В этой области особенно важно будет международное сотрудничество, которое даст возможность воспользоваться советским опытом длительных полетов в космосе.
Кроме того, спринтерская траектория сводит к минимуму время воздействия на космонавтов первичных космических лучей высоких энергий, против которых экранирование неосуществимо.
С околоземной орбиты в мае 2003 года
 Жилой отсек будет общим модулем при посещениях как Луны, так и Марса. |
Этот месяц пребывания на Марсе должен рассматриваться как исходный этап для будущих посещений и в конечном счете для создания базы для постоянного пребывания. А это означает, что для проектирования такой базы необходимо произвести множество экологических испытаний и измерений.
Затраты на программу при наличии на Луне воды должны составить около 100 миллиардов долларов в течение 14 лет при максимальном уровне годового финансирования около 20 миллиардов долларов, который придется на 1997 год. С учетом резерва для непредвиденных расходов бюджет увеличится примерно до 125 миллиардов долларов. Возможно, несправедливо ассигновать на эту программу всю стоимость лунной топливозаправочной базы, поскольку ею будут пользоваться при многих последующих полетах, тем не менее мы считаем это целесообразным. В результате затраты в случае отсутствия на Луне воды выразятся меньшей суммой в 65 миллиардов долларов, а с учетом резерва на непредвиденные расходы они достигнут 80 миллиардов долларов. В первом случае понадобится 19 запусков кораблей типа "Шаттл" и 45 запусков ракет Titan IV, а во втором — соответственно 13 и 31.
План этот технически осуществим, предусматривает получение результатов через привлекательно короткий с политической и мотивационной точки зрения промежуток времени и соответствует предполагаемым в настоящее время бюджетным ассигнованиям NASA. Будет добыта ценная научная информация, причем наиболее важная должна дать ответ, существовала ли когда-нибудь жизнь на Марсе. Положительный ответ породит сенсацию и несомненно послужит стимулом для поисков свидетельств существования жизни в других частях Вселенной.
Хотя наука очень важна, самой непреодолимой силой, заставляющей заняться этим предприятием, является, пожалуй, страсть человека к исследованию. Все это будет предвестником исследования человеком и в конечном счете обживания Солнечной системы.
Кто-то может сомневаться, зачем это нужно, однако единственный ответ в том, что взяться за это дело заставляет наша природа. Великий русский пророк космического века Константин Циолковский записал в своей тетради 95 лет назад: "Земля — колыбель человечества, но нельзя вечно жить в колыбели".