«Техника-молодежи» 2002 г №11, с.30-35
Леонид ПОПОВ
| В |
ысадка на Красной планете. Сколько уже проектов было обнародовано! Про амбиции американцев знают все, про отечественные разработки 60-х — 70-х гг. — многие, но мало кому известно, что современный международный проект марсианской экспедиции начат. И головной его разработчик — российское предприятие, Исследовательский центр имени М.В. Келдыша.
Кроме специалистов центра, в работе над марсианской пилотируемой миссией участвуют РКК «Энергия», КБ имени С.А. Лавочкина, Центр имени Г.Н. Бабакина, НПО «Красная звезда», ЦНИИмаш, институты медико-биологических проблем и космических исследований РАН, две исследовательских организации НАСА (центр Джонсона и центр Глена), фирма «Боинг», Европейское космическое агентство и несколько европейских компаний. Создан специальный международный комитет управления, в который вошли восемь представителей от НАСА, пять — от европейцев и восемь — от российских организаций.
Работа, без особой шумихи и рекламы, идет уже два года, а недавно специалисты головной организации защитили эскизный проект перед международной группой экспертов и приступили к очередному этапу разработки. Пока, правда, не совсем ясно, как удастся набрать на весь проект в целом 20 млрд долл. (цифра названа центром Келдыша). Инициатором международной разработки выступил Международный научно-технический центр, созданный... Министерствами иностранных дел США, России и Еврокомиссией. Кроме того, деньги выделило Европейское ядерное общество, и — очень немного — нашлось в Федеральной космической программе Российской Федерации. Но работа рассчитана на много лет и, будем надеяться, деньги смогут найти. Ведь полет человека на Марс — задача значительно более грандиозная, чем, например, строительство МКС.
Итак, по плану специалистов центра Келдыша, сперва к Марсу отправится беспилотный грузовик с электроракетными (ионными) двигателями, рабочим телом в которых будет аргон. Питать их электричеством будут необычные солнечные батареи, представляющие собой тонкую металлическую фольгу, покрытую аморфным кремнием. КПД новых батарей втрое меньше, чем обычных, на кристаллическом кремнии. Однако в данном случае гораздо важнее их низкий вес и умеренная, по сравнению с традиционными, стоимость. Пленка разворачивается на ферменном каркасе, форма которого окончательно еще не определена: центр Келдыша предлагает отработанную на «Мире» и МКС мачту, а РКК «Энергия» уже несколько лет продвигает ромбовидную конструкцию, монтаж которой показан на рисунках (с. 32 — 33).
Ионные движки, задуманные для марсианского проекта, относятся к той разновидности электроракетных двигателей (ЭРД), в которой рабочее тело разгоняется электростатическим полем в зазоре между двумя решетками. Специалисты полагают, что ионники в длительном полете более выгодны и надежны, чем достаточно широко применяемые сейчас в системах ориентации так называемые двигатели Холла, в которых ионы ксенона разгоняет магнитное поле в кольцевом зазоре специального электромагнита.
Удельный импульс ионных ЭРД — 7000 с. Напомним, удельный импульс ракетного двигателя — это тяга, например, в граммах, приходящаяся на единицу расхода рабочего тела (соответственно — г/с). Чем удельный импульс больше, тем меньше нужно топлива для достижения нужной скорости. Типичные величины удельных импульсов современных термохимических жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) — 330 — 380 с. У лучших — немногим более 420 с.
Высокая экономичность ионных ЭРД позволит обойтись сравнительно малым запасом аргона. Правда, и полет продлится долго: только вокруг Земли, набирая вторую космическую скорость, грузовик будет кружить по расходящейся спирали месяц. Но поскольку на борту не будет людей, время полета не столь важно.
Грузовик понесет к Марсу запасы воды, кислорода, топлива и два одинаковых посадочных модуля. После прибытия к Красной планете грузовик выйдет на околомарсианскую орбиту.
Пилотируемый корабль — гораздо больше грузовика (600 т против 130 т). По виду он отдаленно будет напоминать МКС — 20 состыкованных на околоземной орбите модулей (по 30 т каждый), гигантские фермы с солнечными батареями, общие размеры которых составят примерно 200 х 400 м. Вблизи Земли они будут выдавать 6 МВт электричества, а на орбите Марса — вдвое меньше. Эта огромная энергия понадобится, чтобы питать 120 ионных двигателей (того же типа, что и на грузовике) по 50 кВт каждый (у Марса половину ионников отведут в резерв), а их суммарная тяга будет всего... 10 кг!
Одна из главных проблем длительного полета (всего экспедиция займет 14 — 15 месяцев) — космические лучи, идущие из центра Галактики (галактическое космическое излучение, ГКИ). За орбитой Луны, где уже не ощущается защитная роль магнитного поля Земли, дозы радиации возрастают, по сравнению с околоземной орбитой, примерно вдесятеро. ГКИ содержит протоны и даже ядра металлов высокой энергии, прошивающие насквозь любое препятствие.
Чтобы снизить до минимума поражение людей, инженеры пошли сразу на несколько мер. Лететь нужно будет в годы активного Солнца. Казалось бы, парадокс — в такие годы возрастает поток радиации от нашего светила, часты вспышки на Солнце, от которых космонавтам еще надо будет укрываться в радиационном убежище, предусмотренном на корабле (благо о таких вспышках Земля сможет предупредить своих посланцев заранее). Но в годы активного Солнца крепнет и его магнитосфера, защищающая Солнечную систему от куда более опасной галактической радиации. Так что суммарные дозы радиации будут вдвое ниже, чем если бы полет проходил при спокойном Солнце.
Кроме того, нужно, чтобы перелет был, по возможности быстрым. Как это обеспечить? Химическими ЖРД? Тысячи тонн топлива нужно поднять на орбиту, чтобы слетать к Марсу и вернуться назад. Атомными движками, с непосредственным преобразованием энергии ядра в тягу нагретого водорода? Лишняя радиация. Защита от нее потребует неприемлемого роста массы корабля.
Однако, в отличие от марсианского грузовика, и вариант только с электроракетными двигателями и солнечными батареями в пилотируемом корабле не пройдет. Слишком долго придется лететь.
 Установка пленочных солнечных батарей (СБ) на каркас энергодвигательного блока (по терминологии РКК «Энергия» — «солнечного буксира»). |
Оказалось, самое выгодное — комбинация из двух типов приводов. С орбиты вокруг Земли марсианский корабль уйдет на мощных кислородно-водородных агрегатах. Но вскоре ЖРД выключат, и в дело вступят ионные движки, которые будут работать весь перелет. Торможение у Марса и выход на орбиту вокруг него — опять забота ЖРД.
Но даже при такой схеме полета из 600 т массы всего межпланетного корабля половина (!) придется на ЖРД и баки с жидкими водородом и кислородом.
Стыковку грузовика и пилотируемого корабля инженеры центра Келдыша посчитали опасной и ненужной. На околомарсианской орбите трое членов экипажа останутся на борту комплекса, а трое — сядут в маленький челнок (построенный по типу «Союза») и... перелетят на грузовик.
Место посадки будет выбрано в самый последний момент из нескольких заранее предусмотренных точек — исходя из погоды на месте. Сперва на поверхность планеты в автоматическом режиме опустится первый посадочный модуль из двух. Потом трое исследователей сядут во второй модуль и «примарсианятся» в той же точке, где сел первый.
Модули, заметим, одинаковые. Каждый будет нести научную аппаратуру, комплекс жизнеобеспечения и взлетную ракету. Таким образом, у исследователей под рукой будет двойной набор всего оборудования (главное — взлетные ракеты, заправленные топливом!), повышающий гарантию возвращения на околомарсианскую орбиту.
Московские инженеры рассчитали, что парашютный вариант спуска на Марс хоть и проще, но не самый надежный. Поэтому до высоты примерно 2 км посадочный модуль будет снижаться и тормозить за счет раскрываемых створок-крыльев, общей площадью 6 х 22 м. Ниже он будет опускаться, опираясь на струи ракетных двигателей. Во время спуска космонавты будут сидеть в маленькой взлетной ракете, спрятанной в чреве посадочного модуля. Впрочем, этот вариант тоже может быть не окончательным. Например, «Энергия» предлагает сбрасываемый дисковый обтекатель.
В модуле будет спрятан и 3-тонный марсоход. Он оснащается 6 колесами с индивидуальными электродвигателями. Внутри — радиационное убежище, манипуляторы для научных исследований, шлюзы... Кстати, при необходимости космонавты смогут переходить из жилого отсека модуля в марсоход и обратно, минуя атмосферу Марса. Точно так же марсоход будет пристыковываться к взлетной ракете.
В марсоходе пионеры Марса проделают большую часть своей работы, пешком ходить будут реже. Кстати, из трех человек, которые высадятся на Марс, двое будут ученые — геолог и биолог, именно они и станут колесить по красным пескам. Третий — пилот-инженер — будет сидеть настороже в «базе», дабы в аварийном случае все было готово к быстрейшему возвращению тройки исследователей на корабль, ожидающий их на орбите.
Источников энергии у марсохода задумано сразу несколько, для надежности: аккумуляторы, заряжаемые от посадочного модуля, собственные солнечные батареи и газотурбогенератор. Горючее для него — очень мелкий алюминиевый порошок, а окислитель — атмосфера Марса! Оказывается, алюминий, при определенных условиях, горит в углекислом газе. Инженеры рассчитали, что, хотя энергоемкость алюминия не так высока, как, например, у пары кислород-водород, зато сама установка — проще, надежнее и легче, да и окислитель не нужно брать с собой. Так что марсианский «паровоз» будет ходить на «алюминиевых дровах».
Кстати, в «топку» могут пойти и отработанные части оборудования.
На поверхности первопроходцы проведут от 30 до 60 дней. Этот срок вычислили наши медики. Оказывается, за это время людям на Марсе не понадобятся спортивные тренажеры, чтобы компенсировать изменения в организмах из-за малой гравитации (0,38 от земной). Опять — экономия веса.
1. Схема полета межпланетного экспедиционного комплекса к Марсу. Цифрами обозначены: 1 — орбита Земли; 2 — разгон в сфере действия Земли (на ЭРД — 3 месяца); 3 — перелет к Марсу со включенными электроракетными двигателями; 4 — торможение в сфере действия Марса (на ЭРД — 1 месяц); 5 — работа на орбите спутника Марса и поверхности; 6 — разгон в сфере действия Марса; 7 — перелет с включенными ЭРД к Земле; 8 — торможение у Земли; 9 — орбита Марса.2. Сборка межпланетного экспедиционного комплекса на околоземной орбите (показан вариант РКК «Энергия»): 1 — выведение межпланетного обитаемого корабля; 2 — выведение конструкции солнечного буксира и монтажного оборудования; 3 — сборка солнечного буксира; 4 — выведение баков с рабочим телом; 5 — выведение взлетно-посадочного и посадочного кораблей; 6 — подготовка к старту. 
3. Так выглядит пилотируемый межпланетный корабль по проекту Центра Келдыша: 1 — энергодвигательный блок («поля» солнечных батарей уходят далеко за границы рисунка); 2 — корабль возвращения к Земле; 3 — корабль для перелета на грузовик; 4 — криогенный двигательный блок; 5 — электроракетная двигательная установка; 6 — межпланетный обитаемый корабль. НА МАРС!  4. Внутреннее устройство межпланетного обитаемого корабля: 1 — шлюзовой отсек; 2 — барокамера; 3 — рабочий отсек; 4 — бытовой и исследовательский отсек; 5, 7 — жилой отсек; 6 — переходный отсек №1; 8 — тренажерно-медицинский отсек; 9 — агрегатный отсек; 10 — переходный отсек №2. 5. Схема работы взлетно-посадочного корабля. Цифрами обозначены: 1 — сбрасываемый аэродинамический обтекатель; 2 — взлетный модуль; 3 — лабораторный и жилой модуль; 4 — марсоход.  |
 Предположительный облик 3-местного марсохода, вид спереди (а) и сбоку (б). |
И еще — те же 60 дней не требуют замкнутой системы жизнеобеспечения с рециркуляцией воды и кислорода. Для такого срока надежнее, да и выгоднее по массе, построить систему жизнеобеспечения «на расходах», то есть взять с собой полный запас всего необходимого.
После того как исследователи взлетят на околомарсианскую орбиту, они пристыкуются к межпланетному кораблю, и вся группа отправится домой. Опять-таки — сначала на ЖРД, потом — на ионных двигателях. Незадолго перед тем, как комплекс приблизится к Земле, космонавты перейдут в так называемый «корабль возвращения». Он отделится от корабля, сравнительно быстро выйдет на околоземную орбиту и пристыкуется к МКС. Там космонавтам придется пройти карантин. Рассматривается и вариант с карантином на Земле.
Пустой же марсианский корабль медленно (на ионной тяге) по спирали приблизится к Земле и только через месяц после того, как его покинут люди, тоже выйдет на околоземную орбиту, чтобы здесь ожидать новых исследователей Марса — ведь планы предусматривают десять таких полетов.
А первый полет к Марсу, если все пойдет по плану, состоится в 2014 — 2015 гг., однако высадки не будет — сперва необходимо проверить маршрут, подтвердить надежность техники, устранить недоработки, которые можно обнаружить только непосредственно в ходе долгого полета, выявить трудности, которые не предусмотришь заранее. Более того, авторы проекта полагают, что первым рейсом марсианского корабля может стать пролет... в окрестности Венеры. Дело в том, что возвращение с Марса, по соображениям баллистики, пройдет по дуге, пробегающей куда ближе к Солнцу, чем орбита Земли. Это будет самый долгий и опасный этап всей марсианской миссии, и проверить в первую очередь надо бы его. Заодно в таком испытательном рейсе можно будет поизучать Венеру и Солнце. В 2016 — 2017 гг., рассчитывают наши конструкторы, состоится первая экспедиция с высадкой людей на Марсе.
 Взлетный модуль. Масса 1-й ступени — 13,9 т; 2-й — 3,05 т, взлетной кабины — 4,3 т. Цифрами обозначены: 1 — взлетная кабина; 2 — 2-я ступень; 3 — 1-я ступень. |
Какие части марсианского корабля оптимально поручить проектировать и изготавливать иностранцам? Скажем, по ионным двигателям у американцев богатый опыт, как, впрочем, и у нас, но янки тут во многом впереди. Нам бы объединить усилия. Компьютеры, вообще вся электроника, системы связи — бесспорно, лучше получатся у иностранных фирм. Многие страны наверняка приложат руку и к разработке научного оборудования. А где сильны, где впереди мы? Это, конечно, космическая медицина, системы жизнеобеспечения, мощные ЖРД на криогенном топливе, скафандры... Марсоход на алюминиевых дровах также собираемся делать мы.
Специалисты особо отмечают, что полет на Марс может послужить катализатором для развития науки и техники вообще. Скажем, межпланетный корабль нужно будет собирать на орбите. Это 20 пусков по 30 т. Но носители такого класса запускают не так уж часто — дорого. Нужны будут совместные «усилия» новейшей американской ракеты «Атлас-5», французской «Ариан-5» и тяжелой модификации российской «Ангары». А чтобы снизить стоимость запусков, нужно подумать о многоразовых системах.
Каких? «Шаттл» слишком дорог. Новейшие разработки, типа американских Х-33, испытывают проблемы не только денежные, но и научно-технические. Еще не скоро превратятся они в реальные носители, да и рассчитаны на несколько тонн груза.
Но можно поступить иначе. Есть наша разработка — многоразовый «Байкал» — ракета с поворотным крылом и турбореактивным двигателем для полета «домой» в атмосфере, уже после отделения верхних ступеней с полезным грузом (подробнее см. «ТМ», №10 за 2001 г.). На основе этого проекта инженеры намерены строить первые ступени для будущих модификаций «Ангары». Почему бы не распространить нашу идею на «Атласы» и «Арианы»? — мечтают российские специалисты.
Кстати, а почему нельзя собрать марсианский корабль из шести стотонных частей? Да потому, что даже если создать новый стотонный носитель (а ракета «Энергия» де-факто умерла, ее старт в Байконуре разворован на цветные металлы), то ракета-гигант понадобится только для этого проекта (других нагрузок для нее в обозримом будущем не предвидится), что расточительно. Не зря же американцы, запланировав было создание нового носителя «Магнум» на 80 т полезной нагрузки (на основе агрегатов «Шаттла»), теперь призадумались: а надо ли? А вот носители класса «30 т» будут востребованы рынком. Да и другие разработки в механике, электронике и т.п., которые понадобятся марсианскому проекту, — пригодятся и для других целей.
Однако еще хорошо бы убедить многих людей, что такой полет необходим. Ведь немало влиятельных политиков и даже ученых, и у нас, и в США, считают, что любые задачи можно решить с помощью автоматики.
Глава международного марсианского проекта, руководитель отдела космической энергетики Исследовательского центра имени М.В. Келдыша Виталий Семенов считает, что опыт людей ничем не заменить. Без людей невозможно провести отбор на месте самых интересных с точки науки образцов грунта, воды, атмосферы, а ведь назад с Марса можно будет взять лишь 200 кг таких образцов. Только опытный геолог, например, может на глаз удачно выбрать место для установки сейсмостанции или для глубокой скважины. Ну а поскольку радиосигнал до Марса и назад идет десятки минут — об оперативном дистанционном управлении говорить не приходится.
«Вперед на Марс!» — сказал в 1924 г Ф.А. Цандер. Сегодня техника как никогда близко подошла к осуществлению этой мечты.