«Аэрокосмическая техника» 1991 №1, сс.80-83

629.785

© by 1990 Martin Marietta Corp.

¹⁾ Aerospace America, 1990, No. 8, pp. 30-32, 41. Перевод A. H. Гуляева.

* Martin Marietta Astronautics.

Ракета-носитель «Арес», оснащенная четырьмя двигателями, используемыми на КЛАМИ «Спейс шаттл», двумя твердотопливными стартовыми ускорителями и верхней ступенью, работающей на криогенном топливе; ракета способна доставить на Марс 147 т полезной нагрузки.

Смогут ли Соединенные Штаты осуществить пилотируемый полет на Марс в текущем десятилетии? Безусловно. Мы уже разработали конструкцию космического корабля и подготовили план полета. Предложенный нами план преследует более серьезные цели, чем символическое водружение государственного флага на Марсе. Он предусматривает использование экономичного способа доставки полезной нагрузки уже в первом полете, исследование поверхности планеты с помощью специальных автомобилей, способных преодолевать большие расстояния без дозаправки, а также применение готовых функциональных модулей при строительстве жилых и лабораторных корпусов.

Начало экспедиции запланировано на декабрь 1996 г. Предполагается, что грузовая ракета, созданная на базе ракеты-носителя космического летательного аппарата многоразового использования (КЛАМИ) «Спейс шаттл», стартует с космодрома на мысе Канаверал и спустя восемь месяцев доставит полезную нагрузку без экипажа (40 т), размещенную в верхней ступени, на Марс (торможение спускаемого аппарата в атмосфере предполагается осуществить с помощью аэродинамического тормоза). Полезная нагрузка состоит из двухступенчатой ракеты (без топлива), предназначенной для возвращения экипажа на Землю (эта ракета оснащена ЖРД, работающем на метане и кислороде), системы жизнеобеспечения, запаса пищи (на девять месяцев), аварийного пайка (дегидратированных продуктов), рассчитанных на экипаж из четырех человек. Кроме того, она включает в себя 5,8 т жидкого водорода, ядерный реактор мощностью 100 кВт, установленный на самоходном шасси с двигателем внутреннего сгорания (работающем на метане и кислороде), компрессоры, «химический завод» для производства топлива с системой автоматизированного управления и несколько небольших самоходных роботов, предназначенных для проведения научных исследований.

Непосредственно после посадки предполагается переместить ядерный реактор на расстояние нескольких сот метров от посадочной площадки, снять его с самоходного шасси и поместить в какое-нибудь естественное углубление. В случае если такое углубление отсутствует, самоходные роботы создадут его с помощью взрывчатки. После установки в углубление реактор будет приведен в рабочее состояние. Полученную электроэнергию (100 кВт) планируется передавать на посадочную площадку по кабелю. С помощью компрессоров атмосферный газ (95% двуокиси углерода) будет подаваться в химический реактор, где в ходе каталитической реакции с водородом атмосферный газ превратится в метан и воду. Из 5,8 т привезенного с Земли водорода и атмосферного газа планируется получить 37,7 т метана и воды.

Первая ступень ракеты, предназначенной для возвращения экипажа на Землю. Тяга двигателей первой ступени составляет 845 500 Н, а тяга двигателей второй ступени 89 000 Н. Первая ступень ракеты может использоваться для возвращения астронавтов с Луны на Землю.

Вода, полученная за счет переработки атмосферного газа, будет превращена (посредством электролиза) в водород и кислород. Кислород предполагается накапливать в специальных резервуарах, а водород — использовать для переработки атмосферного газа в метан и воду. Основную часть требуемого кислорода получают за счет прямого разложения атмосферного углекислого газа на кислород и окись углерода. Использование рассмотренной технологии позволит получить 107 т горючего и окислителя (метана и кислорода) за год работы «химического завода».

Сложность технологии производства топлива только кажущаяся: на самом деле она является технологией XIX века. Что же касается ядерного реактора, то реакторы подобного типа используются с 1954 г. Испытания реактора SP-100, предназначенного для марсианской экспедиции, предполагается провести в 1995 г. При определенном форсировании программы испытаний можно рассчитывать на их завершение к требуемому сроку.

После того как руководители полета получат сообщение о завершении производства топлива, в январе 1999 г. они запустят к Марсу (с интервалом в несколько недель) еще два космических корабля: один — грузовой, у которого полезная нагрузка такая же, как и у первого грузового корабля, запущенного в 1996 г., и другой — пилотируемый. Спускаемый аппарат пилотируемого космического корабля похож на гигантскую шайбу для игры в хоккей диаметром 8,4 и высотой 4,9 м. На одной из двух палуб площадью 55,2 м² предполагается разместить экипаж из четырех человек, а на другой — полезную нагрузку. Масса пилотируемого космического корабля составит всего 38 т, что позволит двигателю последней ступени разогнать его до скорости, необходимой для полета к Марсу без дозаправки и технического обслуживания на околоземной орбите. Расчетное время полета пилотируемого корабля к Марсу составит шесть месяцев.

Научно-исследовательская база на поверхности Марса: двухэтажный жилой модуль, автомобиль с герметизированной кабиной и двигателем внутреннего сгорания, работающим на метане и кислороде, надувная теплица и двухступенчатая ракета, предназначенная для возвращения экипажа на Землю («химический завод», на котором осуществляется производство топлива, располагается под ракетой).

В ходе полета к Марсу часть корабля (содержащая жилой отсек) отделится от верхней ступени, оставаясь соединенной с ней фалом длиной около 1350 м. Использование верхней ступени в качестве противовеса позволит вращать жилой отсек с частотой 1 об/мин, создавая внутри него искусственную гравитацию 3/8g, соответствующую силе тяжести на поверхности Марса. На околомарсианской орбите верхняя ступень и фал будут отделены, а спускаемый аппарат корабля. совершит посадку вблизи посадочной площадки первого грузового корабля, где с 1997 г. астронавтов будет ожидать полностью заправленная топливом двухступенчатая ракета, предназначенная для возвращения на Землю. Для обеспечения безопасной посадки предполагается заранее включить в работу самоходные роботы для поиска наилучшей посадочной площадки и установки радиомаяков.

Два автоматических космических корабля «Викинг», запущенные США на Марс в 1976 г., совершили посадку в радиусе 32 км от заранее выбранной посадочной площадки. Заход на посадку выполнялся без активного наведения на цель. Использование радиомаяков, применение более совершенной системы управления летательным аппаратом, наличие информации о метеорологической обстановке в районе посадки и опыт пилота должны значительно повысить точность посадки пилотируемого космического корабля по сравнению с таковой в случае КК «Викинг».

Если посадка спускаемого аппарата совершится на значительном удалении от заранее выбранной посадочной площадки, экипаж будет располагать значительным набором средств, гарантирующих безопасное возвращение на Землю. На борту спускаемого аппарата будет находиться автомобиль с герметизированной кабиной, имеющий запас гончего на 966 км. Если расстояние между местом посадки пилотируемого корабля и местом посадки первого грузового корабля не превысит 966 км, экипаж сможет добраться до первого грузового корабля на автомобиле. Если же это расстояние будет больше, астронавты смогут изменить место посадки второго грузового корабля (который должен совершить посадку через несколько дней после посадки пилотируемого корабля) и посадить его поблизости от своего спускаемого аппарата. Полезная нагрузка второго грузового корабля включает в себя «химический завод» для производства горючего и двухступенчатую ракету, предназначенную для возвращения на Землю. В случае если астронавтам не удастся использовать указанные выше средства спасения, имеющиеся запасы позволят им дождаться спасательной экспедиции, которая будет отправлена два года спустя.

При наиболее благоприятном стечении обстоятельств (посадка пилотируемого корабля произошла в заданном районе, а двухступенчатая ракета, предназначенная для возвращения экипажа на Землю и доставленная первым грузовым кораблем, готова к полету) второй грузовой корабль (запущенный в 1999 г.) совершит посадку на расстояния 805 км от посадочной площадки первого грузового корабля. В месте посадки второго грузового корабля будет развернуто производство топлива, необходимого для возвращения на Землю второго экипажа, который планируется отправить на Марс в 2001 г.

Для каждой из двух марсианских экспедиций потребуется по две ракеты-носителя большой грузоподъемности: одна ракета необходима для доставки экипажа, а другая — для транспортировки оборудования, предназначенного для создания новой (или расширения существующей) базы на Марсе. Предложенный план полета на Марс является более экономичным, чем альтернативные планы, предусматривающие производство топлива на Земле с последующей доставкой его на Марс. Осуществление альтернативных планов потребует от четырех до семи ракет-носителей большой грузоподъемности для обслуживания каждой из двух экспедиций.

Одно из преимуществ предложенного нами плана полета на Марс состоит в том, что весь экипаж и вся полезная нагрузка пилотируемого корабля размещаются в спускаемом аппарате. Таким образом, все члены экипажа получат возможность побывать на Марсе и научиться жить в новых условиях. Альтернативные планы предусматривают использование части пилотируемого корабля в качестве орбитальной станции, на которой будет оставлен экипаж. Астронавты, оставшиеся на орбитальной станции, подвергнутся вредному воздействию космического излучения, в то время как их коллеги, находящиеся на поверхности планеты, попадут в более благоприятные условия: атмосфера Марса защитит их от вредного влияния солнечных вспышек, а мешки с песком, размещенные на крыше жилого отсека, позволят значительно снизить воздействие космического излучения.

Уязвимость экипажа, находящегося, согласно альтернативным планам, на орбитальной станции, приведет к необходимости сокращения длительности марсианских экспедиций, что неизбежно понизит их эффективность. Крайне неэффективно затрачивать полтора года на перелет к Марсу и возвращение на Землю и проводить лишь тридцать дней на поверхности планеты. Мало кто согласился бы проводить отпуск на Гавайях, если бы такой отпуск предусматривал девятидневное путешествие и лишь полдневный отдых на пляже. Кроме того, осуществление каждого из альтернативных планов потребует полета по более «энергоемкой» траектории (что вызовет дополнительный расход топлива), пересекающей орбиту Венеры, где уровень солнечной радиации в два раза выше, чем на орбите Земли.

В соответствии с предложенным нами планом пребывание астронавтов на Марсе составит 500 дней, а полет к Марсу и возвращение на Землю займет 12-16 месяцев (при этом траектория полета окажется наименее «энергоемкой»). За время своего 500-дневного пребывания на Марсе экипаж космического корабля сможет выполнить большой объем научных исследований. Использовав лишь 11 из 107 т топлива (метана и кислорода), астронавты смогут проехать на автомобиле более 16 000 км по поверхности Марса. Без дозаправки топливом автомобиль сможет удалиться от базы на 480 км в любую сторону и вернуться назад. Крейсерская скорость автомобиля составит более 32 км/ч. При использовании холодильника, конденсирующего содержащиеся в выхлопном газе пары воды, собранная указанным способом жидкость может быть применена для производства дополнительного топлива, что позволит значительно увеличить длину автономного пробега автомобиля.

Спускаемый аппарат, оснащенный аэродинамическим тормозом. Предназначен для доставки на Марс полезной нагрузки (включающей в себя жилой модуль и двухступенчатую ракету, используемую для возвращения экипажа на Землю). При старте ракеты-носителя «Арес» с Земли аэродинамический тормоз размещается (в сложенном виде) под обтекателем диаметром 10,06 м. Развертывание аэродинамического тормоза в рабочее положение осуществляется после выхода корабля в открытый космос.

По мере накопления топлива, произведенного «химическим заводом» второго грузового корабля, астронавты смогут использовать этот корабль в качестве базы для путешествий. Таким образом, экипаж из четырех человек сможет обследовать 1 294 000 км² марсианской поверхности и выполнить большой объем научных исследований.

Одна из основных целей обследования поверхности Марса (наряду с поиском следов или признаков жизни, а также изучением геологической истории планеты) заключается в поиске пригодных для добычи запасов льда (воды). В случае если на Марсе будут обнаружены запасы воды, отпадет необходимость в доставке водорода с Земли, а в перспективе и транспортировка питьевой воды, воздуха и пищи. Уже в ходе первой экспедиции можно провести эксперименты по выращиванию сельскохозяйственных культур в надувной теплице. Если эти эксперименты будут успешными, теплица останется на поверхности Марса и после завершения экспедиции. Наблюдение за проводимыми в теплице экспериментами осуществляется с помощью телеметрической аппаратуры. Не исключено, что последующие экспедиции смогут насладиться ароматом выращенных в теплице растений и даже попробовать их плоды.

После 500 дней пребывания на Марсе астронавты воспользуются двухступенчатой ракетой (доставленной грузовым кораблем) для возвращения на Землю. После торможения в атмосфере Земли, выполненного с помощью аэродинамического тормоза, космический корабль будет состыкован с орбитальной станцией или КЛАМИ «Спейс шаттл». При возвращении с Марса отсеки космического корабля будут несколько захламлены, но не в большей степени, чем отсеки «Шаттла». Обратный полет пройдет в условиях отсутствия гравитации, но продлится всего шесть месяцев. Известно, что экипажи орбитальной станции «Мир» переносили столь длительное отсутствие гравитации без особого ущерба для здоровья.

Вскоре после того, как первая экспедиция покинет Марс, вторая экспедиция совершит посадку вблизи второго грузового корабля, посланного вслед за пилотируемым кораблем первой экспедиции в 1999 году. Вторую экспедицию будет сопровождать третий грузовой корабль (полезная нагрузка этого корабля включает в себя ракету для возвращения на Землю и «химический завод» для производства горючего). Третий грузовой корабль планируется посадить на новой посадочной площадке, удаленной на 805 км от места посадки второго грузового корабля. Третий грузовой корабль должен обеспечить возвращение третьей экспедиции, которая покинет Землю в 2003 году. Таким образом, каждые три года на Марсе будет создаваться новая база, что позволит постоянно расширять район исследований. Через некоторое время на Марсе возникнет сеть небольших баз, разделенных сравнительно небольшими расстояниями (которые можно преодолевать на автомобиле).

Для быстрой переброски экипажей на удаленные базы можно использовать реактивные летательные аппараты.

Подобно тому как первые поселения на западе Соединенных Штатов возникали вблизи фортов и сторожевых застав, вблизи баз появятся первые марсианские поселки. По мере расширения сети баз на поверхности Марса новые экспедиции предполагается доставлять в наиболее благоприятные для жизни районы, в результате чего наиболее удобные базы станут наиболее крупными. В дальнейшем для осуществления программы исследования Марса планируется запускать по два космических корабля каждые два года, в среднем по одному кораблю в год.

В будущем использование ракет с атомным двигателем позволит значительно увеличить полезную нагрузку, доставляемую на Марс каждой ракетой. Экипажи можно увеличить до 12 и более человек. Если оставить численность экипажа прежней, то для каждой экспедиции потребуется не две, а всего одна ракета. Атомные двигатели смогут использовать марсианский углекислый газ в качестве рабочего тела. Ракета, снабженная компрессором для забора атмосферного газа и силовой установкой указанного типа, сможет осуществлять дозаправку после каждой посадки непосредственно из атмосферы. С помощью таких ракет, имеющих большую полезную нагрузку, можно создать постоянное поселение на Марсе уже во втором десятилетии XXI века.

Все элементы предложенной нами программы имеют вполне приемлемую стоимость. Ракета-носитель, разработанная на базе ракеты-носителя «Шаттла», может быть с успехом применена при исследовании Луны. Функциональные модули, которые предполагается использовать для создания марсианских баз, можно применить для постройки жилых и лабораторных корпусов на Луне. Вторая ступень ракеты, предназначенной для возвращения экипажа с Марса на Землю, может послужить для возвращения лунных экспедиций. Эффективность аэродинамического тормоза и возможность получения ракетного топлива непосредственно из атмосферного газа делают полет на Марс более легкой задачей, чем полет на Луну.

Поскольку предложенная нами программа исследования Марса предусматривает лишь один запуск в год и подразумевает широкое использование оборудования, предназначенного для исследования Луны, нет смысла откладывать марсианскую экспедицию на несколько десятилетий, ожидая завершения строительства базы на Луне. Программы исследования Марса и Луны могут осуществляться параллельно.