«Земля и Вселенная» 1999-6

Мечта о полете человека на Марс имеет древнюю историю, но в настоящее время к возможности ее исполнения подошли очень близко. Существуют разные точки зрения на необходимость полета человека на Марс. Есть мнение, что сейчас не время для таких грандиозных проектов — слишком много проблем на Земле. Такой подход вряд ли позитивен. Экспедиция человека на Марс рано или поздно состоится. Помимо решения научных задач, финансирование марсианской экспедиции создаст новые рабочие места, а также будет способствовать прогрессу передовых технологий. Это очень важный элемент, определяющий уровень развития любой страны в мировом сообществе.

При организации такой программы необходимо учесть, что, кроме научной отдачи, ее результаты должны эффективно использоваться в различных областях хозяйственной деятельности. Новые технологии и средства, созданные при подготовке экспедиции, необходимо применять в решении таких важных задач, стоящих перед человечеством, как создание экологически чистой и более мощной системы энергоснабжения, новых средств навигации, информатики и связи, эффективных средств медико-биологического обеспечения, удаление с Земли ядерных отходов, освоение Луны и планет Солнечной системы.

К настоящему времени сформировалось понимание задач полета на Марс, продуманы сценарии и конфигурация корабля для пилотируемой экспедиции.

ОБЛИК МАРСИАНСКОГО КОРАБЛЯ

Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.ГГ. Королева работает над проектами пилотируемого полета на Марс уже более 30 лет. Деятельность предприятия по другим программам в той или иной степени была связана с подготовкой марсианской экспедиции. Например, при создании и эксплуатации орбитальных станций "Салют" и "Мир" отрабатывались технические решения такого полета.

Выбор двигательной установки для межпланетного перелета, пожалуй, самое принципиальное решение проекта. В процессе многолетних исследований в РКК "Энергия" были проанализированы разные варианты двигателей: жидкостно-реактивные, ядерные и электрореактивные. Уже на ранних этапах работ доказана целесообразность использования электрореактивных двигателей. Это самые экономичные двигатели, которые могут обеспечить высокую надежность и низкую стоимость экспедиции. Такое решение упрощает экспериментальную отработку проекта и дает возможность получить дополнительные преимущества: например, создать экологически чистый корабль.

По внешнему виду межпланетный корабль напоминает большую бабочку с тонкопленочными солнечными фотопреобразователями на ферменном каркасе. Масса комплекса на орбите ИСЗ -400 т, размеры солнечных пленочных батарей - 0,4 х 0,4 км. Корабль состоит из жилого модуля (масса 80 т), в котором будет находиться и работать экипаж в течение всей экспедиции; посадочного аппарата со

Марсианский экспедиционный корабль, состоящий из солнечного буксира с солнечными пленочными батареями и электрореактивными двигателями, жилого модуля и посадочного аппарата

взлетной ступенью (масса около 60 т), на котором часть экипажа садится на планету и возвращается на основную часть корабля после окончания работ на поверхности Марса; солнечного буксира с электрореактивными двигателями (масса 210-250 т, в том числе запас топлива — 160 т), способного перемещать межпланетный корабль с околоземной орбиты на орбиту вокруг Марса и обратно.

СЦЕНАРИЙ ПРОВЕДЕНИЯ МАРСИАНСКОЙ ЭКСПЕДИЦИИ

Каков сценарий полета человека на Марс? Классическая схема экспедиции выглядит следующим образом: марсианский корабль собирается из отдельных модулей и систем на околоземной орбите, затем выполняет межпланетный перелет, после чего выходит на орбиту искусственного спутника Марса. Далее экипаж или его часть в спускаемом аппарате совершает посадку на поверхность Марса. После выполнения исследований экипаж возвращается на корабль и совершает обратный полет на Землю.

Начинается экспедиция с выведения элементов межпланетного корабля на околоземную орбиту. Первым запускается на околоземную орбиту жилой модуль, на который впоследствии транспортными кораблями будут доставлены экипажи. Задача космонавтов — собрать весь комплекс на орбите и проверить функционирование его систем. Сборка корабля продлится несколько месяцев, поэтому в процессе работ сменится несколько экипажей — так же, как это происходит на орбитальных станциях.

Затем последовательно должны быть запущены элементы солнечного буксира: двигательная установка, включающая баки с топливом (ксеноном) для работы двигателей, панели с электрореактивными двигателями, фермы и пленочные фотопреобразователи в сложенном виде. Экипаж в условиях открытого космоса развертывает солнечные батареи. В последнюю очередь к кораблю пристыковывается марсианский посадочный аппарат. После проведения цикла предполетных испытаний на корабль доставят экипаж марсианской экспедиции.

Первый участок полета — выход на межпланетную траекторию. Особенность движения с "малой тягой" состоит в том, что этот участок полета корабль проходит в течение длительного времени. Около трех месяцев корабль движется (виток за витком по раскручивающейся спирали), набирая необходимую скорость для перехода на траекторию полета к Марсу. При прохождении радиационных поясов Земли в процессе разгона корабля, экипаж должен проводить большую часть времени (20 и более суток) в специальном радиационном убежище.

Межпланетный перелет продлится около года, при этом будут выполняться коррекции траектории полета для выхода в поле тяготения Марса, после чего корабль выйдет на рабочую орбиту вокруг планеты. Для этого он станет двигаться по скручивающейся спирали вокруг Марса.

Один из вариантов посадочного аппарата: внизу расположен тормозной теплозащитный конус и посадочная ступень, вверху - взлетная ступень с кабиной экипажа, в центре установлен переходный тоннель для выхода космонавтов на поверхность Марса

После выхода на рабочую марсианскую орбиту часть экипажа корабля (2-3 человека) перейдет в посадочный аппарат и затем отправится на поверхность Марса в избранный район. Космонавты будут работать на Марсе в течение 10-30 сут, а затем на взлетной ступени стартуют с поверхности и возвратятся на корабль. После этого корабль по раскручивающейся спирали постепенно наберет необходимую скорость для перелета и совершит обратный полет к Земле (второй участок полета).

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Возможно ли проведение такой экспедиции в ближайшее время? Да, российские ученые и конструкторы уже близки к созданию марсианского корабля. Ими разработан класс сверхтяжелых ракет-носителей, способных запускать на околоземную орбиту отдельные элементы корабля. Например, для этого необходимо пять ракет-носителей типа "Энергия".

В России создана надежная система автоматической стыковки, обеспечивающая последовательную сборку отдельных частей корабля в единый комплекс. С помощью такой системы уже выполнено более 130 стыковок КК с пилотируемыми станциями "Салют" и "Мир".

На орбитальных станциях более 20 лет исследовались условия жизнедеятельности человеческого организма в длительном космическом полете, проводилась отработка системы жизнеобеспечения "замкнутого цикла". В ней потребляемые экипажем кислород и вода восстанавливаются для повторного потребления после переработки с использованием специальных физико-химических процессов. Накоплен большой опыт длительных экспедиций экипажей. Пять космонавтов выполнили в течение года полеты на орбитальном комплексе (ОК) "Мир", а продолжительность полета врача-космонавта В.В. Полякова составила 1,5 года. До проведения двухлетнего полета не так уж далеко.

Созданы солнечные пленочные батареи для системы энергопитания кораблей и станций. В октябре 1998 г. на ОК "Мир" установлены образцы солнечных пленочных батарей для исследования влияния на них реальных условий космического пространства. На орбитальных станциях получен опыт развертывания в космосе протяженных ферменных конструкций, используемых для крепления таких батарей. Не обнаружено проблем в создании 300-400-метровой фермы — силового элемента крепления системы энергопитания.

Этапы выполнения марсианской экспедиции по проекту РКК "Энергия"

Один из главных элементов марсианского пилотируемого комплекса - двигательная установка. Электрореактивные двигатели давно используются в космической технике, а новые двигатели с анодным слоем по своим характеристикам вполне подходят для данного типа корабля.

Межпланетный корабль состоит из жилого модуля и посадочного отсека. В жилом модуле экипаж будет находиться на протяжении всей экспедиции, он аналогичен базовому блоку (или одному из модулей) орбитального комплекса "Мир". Создан также прототип отсека экипажа марсианского корабля - служебный модуль российского сегмента Международной космической станции. Прообраза марсианского посадочного аппарата еще нет, но в США накоплен опыт создания посадочного модуля лунной программы "Apollo". В США и России разработаны автоматические аппараты для посадки на поверхность Марса ("Viking" и "Марс-8").

ОТРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ ЭКСПЕДИЦИИ

К настоящему времени уже накоплен необходимый опыт для подготовки и реализации марсианской экспедиции.

Прежде чем стартовать к Марсу, необходимо отработать и испытать элементы корабля на Земле и в реальном полете. В РКК "Энергия" существует программа полетов автоматических аппаратов для испытаний элементов марсианского корабля, состоящая из двух этапов, которая вскоре начнет выполняться.

Первый этап — полеты упрощенных моделей будущего межпланетного корабля с целью отработки электрореактивных двигательных установок и исследования динамики полета аппаратов с "малой тягой". Для этого уменьшенные макеты корабля ("Модуль-М", "Модуль-М2" и "Марс-модуль") доставят на орбитальную станцию грузовые корабли "Прогресс". Экипаж станции проведет монтажные работы, в том числе развернет солнечные батареи. Данные макеты, наряду с отработкой технических решений, выполнят научные исследования. "Модуль-М2" будет предупреждать

Космонавты проводят исследования на поверхности Марса (рисунок М. Балоуса)

о начале геомагнитных бурь, что даст возможность уменьшить их влияние на людей и промышленные объекты. "Марс-модуль" сможет доставить на орбиту искусственного спутника Марса научно-исследовательскую аппаратуру массой около 1 т и обеспечить возврат на Землю капсулы с марсианским грунтом.

На втором этапе планируется генеральная репетиция предстоящей марсианской экспедиции — экспериментальный полет КК в автоматическом режиме. Сначала все элементы беспилотного корабля отрабатываются в автоматическом режиме на околоземной орбите, а жилой модуль испытывается сменными экипажами.

Экспериментальный полет будет проводиться по штатной схеме: сборка на орбите Земли, перелет и посадка на поверхность Марса, но при этом будут использованы два посадочных аппарата. Взлетная ступень одного из них возвратится к солнечному буксиру с результатами исследований, включая марсианский грунт. Второй посадочный аппарат (без взлетной ступени) останется на Марсе. На нем устанавливается научное оборудование массой до 25 т для исследований, что соответствует массе взлетной ступени. Например, это могут быть 10 передвижных лабораторий-марсоходов (масса каждого 1,5-2 т) с большим радиусом действия, которые пройдут по различным трассам через наиболее интересные районы Марса. Марсоходы будут передавать информацию о выполненных исследованиях на Землю через спутник-ретранслятор, находящийся на орбите Марса. Изучение поверхности Марса с помощью отдельных элементов марсианского корабля позволит испытать в полете средства и системы пилотируемой экспедиции.

Позднее пилотируемая экспедиция направляется в район, наиболее интересный с точки зрения исследования Марса. Возможно, это будет такое место, где марсоходы обнаружили какие-либо аномалии, которые необходимо исследовать космонавтам.

Вряд ли можно предложить более надежный и дешевый вариант экспедиции. Высокая безопасность полета экипажа обеспечивается за счет особенностей двигательной установки с многократным резервированием. При любых ее отказах экипаж возвращается на Землю. Повышение надежности наиболее критичного участка — посадки и взлета с Марса - обеспечивается экспериментальной отработкой средств посадки при проведении автоматических исследований Марса до полета человека.

Сравнительно низкая стоимость корабля объясняется минимальным количеством его элементов и небольшой общей массой при сборке на околоземной орбите. Наземная отработка электрореактивных двигателей не требует создания дорогостоящих испытательных стендов. Кроме того, возможность многократного использования солнечного буксира и жилого модуля даст возможность расширить программу отработки и исследований без существенного увеличения стоимости.

Можно использовать технические решения при создании корабля в других космических программах. Например, солнечный буксир применим в освоении Луны, так как такая транспортная система (Земля — Луна — Земля) относительно недорогая. Солнечный буксир будет доставлять с околоземной на окололунную орбиту необходимое производственное оборудование, а обратно — результаты исследований и производственной деятельности на Луне. Кроме того, его электростанция (мощностью 15 МВт) поможет выполнению энергоемких производственных работ на околоземной орбите.

Так выглядит программа освоения Марса с участием человека, разработанная в РКК "Энергия". Работы по организации полета на Марс не только позволят осуществить первую межпланетную экспедицию, но и подготовить технические средства для продолжения исследований космического пространства. Представляется, что в первых десятилетиях следующего века нога землянина все-таки ступит на соседнюю планету.