«Земля и Вселенная» 1999-6

Пилотируемая марсианская экспедиция рассматривается как составляющая часть новых подходов и задач в развитии космонавтики, способных улучшить экологическое состояние Земли. Ее осуществление послужит развитию новых технологий и позволит провести комплекс научных исследований в области экзобиологии и астрофизики.

Биосфера Земли существует более 4 млрд лет, но она неустойчива и подвергается экологическим кризисам. Одна из причин — малый интервал температур, в котором возможна активная жизнедеятельность организмов (0° — +20°С). Данная величина относится к глобальной средней температуре нижних слоев атмосферы. На нее оказывают влияние колебание содержания СО₂, приток солнечной радиации и альбедо поверхности Земли. Особенно опасны быстрые (в течение 1-2 лет) изменения температуры, происходящие из-за падений астероидов и комет, извержений вулканов, пыльных бурь, лесных пожаров. В настоящее время антропогенная деятельность создает дополнительную нагрузку на биосферу. Прогнозы обращают внимание на то, что экологический кризис может произойти в 2020-2030 гг. Необходимо найти эффективное решение экологических проблем, носящих глобальный характер. В ряду других мер, здесь может помочь и космонавтика. Для этого можно использовать орбитальную спутниковую систему экологического контроля и предупреждения об опасных изменениях в окружающей среде.

В задачи марсианской экспедиции войдет установление причины и механизма возникновения экологической катастрофы, которую Марс в далеком прошлом испытал. В ходе проведения экспедиции необходимо получить новые данные для прогноза развития биосферы Земли.

На трассе перелета Земля — Марс — Земля будут изучаться различные объекты в космосе с помощью радиоинтерферометра (его база равна расстоянию между Землей и Марсом) с целью обнаружения астероидов и комет, представляющих опасность для биосферы Земли. Кроме прикладных задач, в программу войдут и научные — исследование пояса Оорта и уточнение модели происхождения Вселенной.

КРИТЕРИЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЦЕНАРИЕВ ЭКСПЕДИЦИИ

Оценивать эффективность различных сценариев марсианской экспедиции предполагается с помощью коэффициента эффективности (К_Е), зависящего от вероятности выполнения научной программы (Р_М) и уровня безопасности экспедиции (P_S), а также от соотношения стоимости полученной информации (C_inf) к израсходованным средствам на реализацию проекта (С_t). Затраты на экспедицию могут быть уменьшены, если в промышленности и

Взаимодействие программы марсианской экспедиции с другими космическими проектами

других космических программах будут использоваться технологии (C_Sp.off), разработанные в рамках проекта (С_t — C_Sp.off). Чем выше значение К_Е, тем больше эффективность сценария экспедиции:

Чтобы определить насколько выполнимы сценарии экспедиции, необходимо учесть вероятность правильного выбора места посадки КК на Марсе Р(r), достаточную длительность наблюдений с помощью научных приборов P(t) и чувствительность научной аппаратуры Р(Δb), позволяющей обнаружить какие-либо следы жизни. Правильная интерпретация обнаруженного явления связана с количеством разнообразных средств исследований Р(n) и надежностью работы научных приборов Р(p₁). Вероятность удачного выполнения программы экспедиции (Р_M) впрямую зависит от перечисленных требований к ее научным задачам: Р_M = P(r)Р(Δb)P(t)P(n)P(P₁).

Для определения уровня безопасности проведения экспедиции необходимо учесть вероятность сохранения здоровья экипажа в течение всего полета и в течение 10 лет после экспедиции Р(m), зависящую от безопасных значений параметров окружающей среды (невысокие уровни радиации, галактического и солнечного излучения, другие опасные явления) для жизни космонавтов Р(е) и надежности функционирования отдельных систем корабля Р(р₂). Уровень безопасности полета (P_S) тем выше, чем дольше сохраняется здоровье космонавтов, при условии надежной работы системы жизнеобеспечения корабля в течение всего полета: P_S = P(m)P(e)P(p₂).

Главной проблемой при реализации экспедиции будет обеспечение безопасного полета экипажа. Особую угрозу для здоровья в полете представляют такие факторы, как радиационные пояса Земли, солнечные вспышки и то, что можно назвать "галактическим излучением". Радиационный фактор может оказаться главным (суммарные дозы радиации не должны превысить 20-30 Бэр) и сравнительно просто решаем при "быстрых" экспедициях, когда длительность перелета не превышает 1,5 лет.

Новые технологии, созданные в процессе разработки технических средств экспедиции и применяемые в системах космического корабля

АНАЛИЗ СЦЕНАРИЕВ

В Исследовательском центре имени М.В. Келдыша в течение почти 40 лет изучалась проблема осуществления экспедиции на Марс, а в последние 10 лет рассматривались ее оптимальные сценарии. Изучались ядерные и солнечные системы энергопитания. Оказалось, что для некоторых сценариев улучшение энергетических и массовых характеристик корабля достигается при комбинации электрореактивных (ЭРД) с жидкостными (ЖРД) двигательными установками, работающими на жидком кислороде и водороде (или О₂ + СН₄). Жидкостные двигатели обеспечивают разгон и торможение корабля у Земли и Марса. В таком сценарии ЭРД используются на участках перелета Земля — Марс — Земля. Определили, что применение электрических реактивных двигателей позволяет добиться улучшения характеристик экспедиции при использовании двух кораблей. В этом случае грузы доставляются на орбиту искусственного спутника Марса (ИСМ) беспилотным грузовым кораблем с использованием траектории "медленного" перелета (около 1 года). Экипаж на другом корабле осуществляет "быстрый" перелет, что обеспечивает минимальное воздействие на него "галактического излучения" и повышает безопасность экспедиции. В результате оценки эффективности сценариев экспедиции выбрана программа орбитально-десантного полета на Марс с использованием двух межпланетных кораблей.

После длительных исследований был принят данный сценарий. Учитывались, прежде всего, два требования — высокая безопасность и разумная стоимость экспедиции. В проекте рассмотрены основные проблемы пилотируемого полета на Марс и пути их решения, определены требования к научной программе и предложена инфраструктура экспедиции. Стоимость реализации проекта может составить около 20 млрд долларов.

Эти требования соблюдаются благодаря применению модульного принципа построения КК и блоков с двумя установками ЭРД. Энергоблоки состоят из четырех солнечных энергоустановок мощностью 750 кВт каждая, 68 электрических реактивных двигателей (включая 8 резервных) и системы управления, защиты и технической диагностики корабля. В качестве энергоустановки рассматриваются: солнечная на основе тонкопленочных фотоэлементов батарея или солнечная газотурбинная установка.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТА

Безопасность марсианской экспедиции включает сохранение здоровья каждого члена экипажа в прогнозируемых условиях полета с учетом нестабильности внешней среды в процессе реализации программы, надежности работы всех средств и систем корабля. Эти составляющие имеют вероятностный и взаимозависимый характер и требуют создания комплекса мер безопасности экспедиции, включающие системы: радиационной и метеоритной защиты, жизнеобеспечения и спасения экипажа, пожаротушения и предупреждения о возможности взрыва, медикобиологического контроля и средств поддержания здоровья экипажа. В проекте экспедиции на Марс рассматривается диапазон вероятностей безопасности Ps = 0,98...0,99.

ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

Проблема радиационной безопасности требует изучения динамики радиационных условий на трассе Земля-Марс-Земля и определения безопасного уровня тканевых радиационных доз для организма человека методами микродозиметрии. Необходимо также создать бортовое радиационное убежище для экипажа, провести специальную подготовку космонавтов на основе опыта тренировок экипажей длительных экспедиций на орбитальную станцию "Мир" и использовать для моделирования данные последствий аварии в Чернобыле. Кроме того, при разработке надежной радиационной защиты на корабле надо учесть особенность галактического излучения и солнечных вспышек, заключающуюся в поражении организма человека частицами с энергией Е > 10¹⁰ эВ.

Схвма проведения марсианской экспедиции: 1 — старт ТГК и постепенное раскручивание по спирали на орбите ИСЗ в целях перехода на траекторию полета к Марсу; 2 — межпланетный полет ТГК в течение 370 сут; 3 — полет КК и прибытие его к Марсу через 150 сут после старта; 4 — выход на орбиту ИСМ пилотируемого корабля; 5 — пребывание экипажа на поверхности Марса (30-60 сут), старт с орбиты ИСМ для возвращения на Землю; 6 — межпланетный полет КК длительностью около 257 сут; 7 — выход КК на орбиту ИСЗ и карантин экипажа, посадка на Землю

В настоящее время на космических аппаратах применяются системы энергопитания с электрической мощностью до 6 кВт, обычно напряжение составляет 30 В и ток до 200А. Для марсианской экспедиции потребуется энергоустановка напряжением 10-30 кВ и мощностью до 6 МВт.

На корабле используются ионные ЭРД номинальной мощностью по 50 кВт, работающие на аргоне и обеспечивающие удельный импульс тяги 50-120 км/с (при к.п.д. от 50 до 70%), обладающий необходимой характеристикой по регулированию тяги в полете.

СЦЕНАРИЙ И ПОДГОТОВКА ЭКСПЕДИЦИИ

Сначала запускается транспортно-грузовой корабль (ТГК), доставляющий необходимое оборудование на орбиту и поверхность Марса, а затем стартует пилотируемый корабль. ТГК имеет стартовую массу 120 т (на орбите ИСЗ), куда входит марсианский посадочный модуль со взлетной ступенью массой 70 т. Марсианский посадочный модуль и другие грузы доставляются на орбиту ИСМ. Длительность перелета ТГК по трассе Земля-Марс составляет 370 сут. В качестве энергоустановки на корабле используются ионные двигатели, работающие на аргоне. Электропитание обеспечивают восемь солнечных энергетических блоков суммарной мощностью у Земли 6 МВт.

Межпланетный пассажирский корабль (стартовая масса 586 т) рассчитан на 5-6 человек, состоит из жилого модуля и командно-лабораторного блока суммарной массой 70 т. Двигательная установка этого корабля включает: жидкостные ракетные двигатели, работающие на жидком кислороде и водороде, применяемые для разгона от Земли и торможения около Марса; ионные двигатели на аргоне используются для ускоренного перелета к Марсу и обратно. При старте с орбиты Марса применяются ЖРД, работающие на кислороде и метане. Энергоустановка такая же, как у ТГК. Корабль с экипажем совершает перелет к Марсу в течение 140-150 сут. На орбите ИСМ (высотой 1000 х 20000 км) 3 человека из экипажа переходят в марсианский взлетно-посадочный модуль, совершают посадку на Марс, где находятся в течение 30-60 сут, проводя комплекс исследований. После этого космонавты доставляются на орбитальный отсек и стартуют к Земле на возвращаемой ступени. Обратный полет займет 257 сут. Общая продолжительность пилотируемого полета составит 427-457 сут.

Марсианский пилотируемый космический корабль

Подготовка марсианской экспедиции будет состоять из нескольких этапов. В 2002-2005 гг. предполагается изготовить и провести наземные испытания узлов, отдельных систем модулей КК и ТГК. В 2006-2009 гг. необходимо выполнить летно-конструкторские испытания на околоземной орбите модулей корабля и отдельных его систем. Решение о дате старта экспедиции, вероятно, будет принято в 2010 г., к этому времени относится и окончание работ над техническим проектом. Изготовить все модули КК и ТГК планируется в 2010-2012 гг. На 2013 г. намечены запуски отдельных модулей кораблей и сборка на околоземной орбите всего комплекса, а в 2015-2016 гг. может начаться марсианская экспедиция.