Курс на Марс. Самый реалистичный проект полета к Красной планете

Во многих отношениях мы были сильно непохожи. Я ниже среднего роста, Бейкер – очень высокий. Я – холерик, он – флегматик. Я – оптимист, он – пессимист. Я – романтик, он – экзистенциалист. Мой любимый фильм – «Касабланка», его – «Бразилия». Мои мысли скачут, его – движутся по прямой. Мое кредо согласуется со словами Гегеля: «Ничто великое в мире не совершается без страсти». Когда однажды я сказал это Бейкеру, он с отвращением вышел из комнаты. Для Бейкера страсть и инженерное дело несовместимы. По-видимому, ему достаточно отлично выполнять свою работу и хорошо жить. А я хочу изменить мир.

Тем не менее мы работали вместе, и в течение некоторого времени в 1990 году – чрезвычайно эффективно. Мы дополняли друг друга. У меня было очень хорошее академическое образование в широких областях математики, естественных наук и инженерии, а он обладал огромным инженерным опытом и блестяще ориентировался в своей области знаний. Я обеспечивал креативность и задор, он – дисциплину. Мы так и не стали близкими друзьями, но как команда сработались.

Как уже упоминалось выше, в 1989 году я показал в ряде работ, что, если бы были доступны ядерные ракетные двигатели, а для взлета с Марса и возвращения на Землю мы сумели бы использовать произведенное на Марсе топливо, пилотируемую миссию к Марсу можно было бы запустить с помощью одной ракеты-носителя класса «Сатурн-5». Бейкер разработал такую тяжелую ракету-носитель для НАСА. Он назвал ее «Шаттл Зет» в честь «Кода Зет», подразделения НАСА, которое отвечало в то время за разработку планов по пилотируемому освоению космоса. «Шаттл Зет» был создан на основе предварительного проекта аппарата НАСА «Шаттл Си», у которого орбитальный аппарат заменили на увеличенный грузовой отсек. «Шаттл Си» может доставить на НОО около 70 тонн груза. Добавив мощную верхнюю ступень, работающую на смеси водорода и кислорода, внутрь увеличенного бокового грузового отсека, Бейкер создал «Шаттл Зет» и увеличил грузоподъемность ракеты до 130 тонн (на НОО), это всего на 10 тонн меньше, чем способен поднять «Сатурн-5». Поскольку все ключевые компоненты «Шаттла Зет» были взяты из запаса деталей для шаттла, мы могли бы разработать транспортное средство быстро и недорого, а это ключевое требование для программы, рассчитанной на десятилетие.

Итак, у нас была ракета-носитель, но не было ядерного ракетного двигателя, для того чтобы хотя бы долететь с Земли на Марс или наоборот. Если отправлять наше оборудование к Марсу, не пользуясь ядерными двигателями, то потребуются два запуска. Само по себе это не было препятствием, но делало архитектуру нашей миссии по меньшей мере неизящной. В нашем проекте возвращаемый на Землю аппарат располагался над обитаемым модулем, который, в свою очередь, находился над частично заполненной верхней ступенью «Шаттла Зет», которая крепилась над еще одной почти заполненной ступенью. Эта цепочка была бы собрана на орбите с помощью стыковки и маневрирования в доках, причем первые три элемента (ВЗА, обитаемый модуль и одна частично заполненная ступень) были бы доставлены одним «Шаттлом Зет», а четвертый элемент (еще одна почти заполненная ступень) – вторым «Шаттлом Зет».

По ряду причин этот вариант показался нам не слишком привлекательным. Для начала, длинная цепочка устройств неудобна в использовании, и какая бы ракета ни доставляла первой полезную нагрузку на НОО, за несколько месяцев значительное количество топлива в верхней ступени испарится. По прибытии на Марс ВЗА и обитаемый модуль будут располагаться позади тормозной подушки – оболочки в форме гриба или тупого конуса, – и их станет замедлять марсианская атмосфера. Вес ВЗА и обитаемого модуля получился бы настолько большим, что было бы сложно изготовить парашют достаточного размера, который уместился внутри головного обтекателя «Шаттла Зет». Но на Марсе возникли бы еще более серьезные проблемы.

Когда стало понятно, что без ядерного реактивного двигателя не обойтись, я разработал реактивную установку, которая бы просто сжимала и запасала марсианский углекислый газ, а затем нагревала его в ядерном реакторе для получения высокотемпературного ракетного выхлопа. Марсианская атмосфера почти на 95 % состоит из диоксида углерода, который сжижается при марсианских температурах, если приложить давление около 6,8 атмосферы. Механически такая система производства топлива очень проста. Фактически нужен насос. В рамках такого плана было бы разумно предположить, что астронавты начнут добывать топливо для своего возвращения, после того как высадятся на Марс. Однако без ядерного реактивного двигателя любое топливо, произведенное на Марсе, пришлось бы изготавливать с помощью какой-то иной формы химического синтеза. Это было бы значительно сложнее, чем просто сжатие и хранение двуокиси углерода. Несомненно, НАСА вполне резонно настаивало на том, чтобы все ракетное топливо, необходимое для возвращения на Землю, было бы заготовлено до того, как экипаж займется исследованием Марса; в противном астронавты могут оказаться в безвыходном положении, если процесс производства сорвется.

В 1989 году Джим Френч, независимый технический консультант, опубликовал в журнале Британского межпланетного общества статью, содержавшую некоторые из этих рассуждений. Френч предложил отправить на Марс завод по производству ракетного топлива до прибытия экипажа. Завод будет производить и накапливать топливо для возвращения экипажа. Но оставалась проблема: как посадить космический корабль на таком расстоянии от топливного склада, которое не превышало бы длины шланга? Задача казалась настолько трудной, что Френч в завершении статьи признавал: использование марсианского топлива останется непрактичным до тех пор, пока на Марсе не будут обустроены база для астронавтов и местная инфраструктура, которая обеспечит защиту от любого рода непредвиденных обстоятельств.

Дела обстояли следующим образом: отказавшись от ядерного ракетного двигателя, мы получили возможность сократить время подготовки миссии, но вместе с тем получили целый ворох проблем. Наиболее сложным был вопрос транспортировки топлива, произведенного нашим заводом, из «складских» баков в ВЗА. Зависеть от заранее доставленного на Марс роботизированного бензовоза? Слишком рискованно. Разыскивая решение, я придумал новый вариант архитектуры миссии, который сейчас кажется очевидным. Не нужно посылать команду вместе с ВЗА – сначала нужно отправить ВЗА, совмещенный с топливным заводом. Эта идея разом решала практически все проблемы. Обитаемый модуль и ВЗА сами по себе достаточно легкие, чтобы запустить каждый из них непосредственно на Марс одним «Шаттлом Зет». Нам по-прежнему потребуются два запуска, но теперь один «Шаттл Зет» может нести ВЗА, а другой – экипаж и жилой модуль. Чтобы объединить полезную нагрузку из ВЗА и обитаемого модуля, потребовалась бы огромная система торможения, что стало бы серьезной проблемой ее разработчиков. Но для отдельных запусков можно изготовить отдельные удобные в управлении системы торможения, которые соответствуют размерам головного обтекателя «Шаттла Зет». Чтобы гарантировать, что наш марсианский экипаж не окажется в затруднительной ситуации из-за отсутствия топлива, ВЗА полетит на Марс во время стартового окна, предшествующего запуску астронавтов, то есть за двадцать шесть месяцев до них. Таким образом, все топливо будет заготовлено даже до того, как экипаж покинет Землю, и так как завод для производства ракетного топлива будет отправлен на Марс совместно с ВЗА, не придется переживать из-за места посадки. Трубопровод, который доставит изготовленное на Марсе топливо из модуля химического синтеза в топливные баки ВЗА, будет смонтирован еще на Земле.

Лучше всего, если ни на одном этапе миссии не требуется сборка на орбите или любого рода рандеву на ней. Единственное необходимое рандеву состоится на поверхности Марса, и оно легко выполнимо. Во время программы «Аполлон» мы высадили экипаж в пределах 200 метров от корабля «Сервейор», который прибыл на Луну несколькими годами ранее, а имеющаяся в нашем распоряжении современная бортовая техника намного точнее. Если во время орбитального рандеву промахнуться на 10 метров, стыковки не произойдет. А при встрече на поверхности можно высадиться в 10 километрах от цели, а затем просто дойти или доехать до нужного места. Кроме того, в качестве части полезной нагрузки жилого модуля мы предусмотрели герметизированный ровер, который может проехать до 1000 километров; нужно очень плохое пилотирование, чтобы высадиться от ВЗА на большем расстоянии. И что бы ни говорили о бюрократии НАСА, в штате астронавтов НАСА состоят одни из лучших в мире пилотов. Несомненно, встреча на поверхности Марса окажется удачной.

Хотя отправка экипажа на Марс отдельно от ВЗА кажется отчаянной мыслью, на самом деле она будет гораздо безопаснее, чем высадка экипажа вместе с транспортным средством, которое отправит людей обратно на орбиту Марса. Причина проста: если ВЗА высадится первым, астронавты еще до своего старта будут знать, что их ждет полностью работоспособная система для взлета с Марса и возврата на Землю, которая уже выдержала испытание посадкой на Марс. Для сравнения, если экипаж высаживается с системой возвращения на Землю, можно только догадываться, в какой состоянии взлетный модуль будет после того, как они переживут удар о поверхность Марса. Кроме того, согласно нашему плану экипаж отправится на Марс одновременно с еще одним ВЗА, который приземлится в пределах досягаемости герметизированного ровера. Этот второй ВЗА начнет производить топливо для второго пилотируемого полета на Марс, но в случае возникновения чрезвычайной ситуации он может служить резервным жилым модулем для экипажа первой миссии.

К тому же два ВЗА на поверхности Марса и собственный жилой модуль первого экипажа дают нам в общей сложности три жилых объекта, которые могут обеспечить астронавтам комфортное существование. Что касается безопасности марсианских миссий, это лучшее, что можно придумать.

Чем дольше мы продумывали новую архитектуру миссии, тем лучше она становилась. Мы продолжали прорабатывать необходимые подсистемы и конструкции оборудования. Я сосредоточился на синтезе марсианского ракетного топлива. Основным направлением работ в этой области в 1990 году было исследование нового способа расщепления диоксида углерода (СО) на угарный газ (СО) и кислород (O₂), которые затем можно сжечь вместе как ракетное топливо. Единственный ингредиент для этого процесса – CO₂ – на Марсе так же доступен, как воздух на Земле.

Однако существовало и множество недостатков. Процесс был изучен недостаточно. Чтобы сделать реактор, способный обеспечить энергией пилотируемую марсианскую миссию, потребовались бы десятки тысяч маленьких хрупких керамических трубок с высокотемпературными (около 1000 °C) заслонками на концах. Кроме того, двухкомпонентное ракетное топливо из угарного газа и кислорода, производимое таким способом, имело бы низкое качество и удельный импульс лишь около 270 секунд. (Удельный импульс – это время, за которое производится фунт, то есть около 450 граммов, ракетного топлива, чтобы создать тягу в 1 фунт.[18] Чем выше это число, тем лучше. Удельный импульс двигателей немецких ракет «Фау-2», использовавшихся во время Второй мировой войны, составлял около 230 секунд, а современные двигатели «Пратт энд Уитни RL-10», работающие на смеси водорода и кислорода, имеют удельный импульс в 450 секунд. Ядерный ракетный двигатель на водороде может иметь удельный импульс в 900 секунд.) Не самые удачные показатели смеси угарного газа и кислорода привели бы к тому, что для осуществления полета с Марса на Землю на Красную планету пришлось бы везти очень большие и тяжелые топливные баки. Кроме того, температура пламени при горении этой смеси очень высока, и до сих пор не существует двигателя, который мог бы работать при таких условиях. Разработка такого двигателя обойдется недешево и будет грозить отставанием от графика полетов миссии.

Существует альтернатива: использовать смесь метана и кислорода (СН₄/О₂). Главное ее преимущество заключается в том, что смесь метан/кислород обладает высочайшим значением удельного импульса (380 секунд) среди химических соединений, ее легко запасать на длительный срок прямо на поверхности Марса. Поскольку двигатели СН₄/O₂ не выпускаются в промышленных масштабах, эта комбинация была успешно испытана в двигателях RL-10 на тестовом стенде, и производители двигателей «Пратт энд Уитни» опубликовали данные, показывающие, что модификация RL-10 для СН₄/O₂ будет работать без затруднений и обойдется недорого. Но есть одна проблема: чтобы произвести метан, потребуется водород, который сложно найти на Марсе. Так где же на Марсе раздобыть водород? В 1976 году профессор Роберт Эш, сейчас работающий в Университете Старого Доминиона, и некоторые его единомышленники из ЛРД опубликовали статью с изложением некоторых чрезвычайно простых, надежных и хорошо проверенных (еще в газовую эру) идей химической инженерии, которые позволяют получить двухкомпонентное топливо из метана и кислорода на Марсе при условии, что будет найден какой-то источник воды. Вода – вот в чем главная сложность. Добыча воды из марсианской вечной мерзлоты не самый эффективный вариант для первой автоматической миссии, а конденсация воды из крайне сухой атмосферы Марса крайне сложна. Поэтому Эш принялся исследовать производство смеси угарного газа и кислорода. Рассматривая предложение Эша, я понял, что единственная проблема его группы – чрезмерный пуризм, то есть упор на то, что все компоненты топлива должны иметь марсианское происхождение. На самом же деле для поддержания предложенного ими химического процесса нужно использовать водород, масса которого составит всего 5 % от общей массы произведенного топлива. Так почему бы просто не привезти относительно небольшое количество водорода с Земли? Я проконсультировался с экспертами по хранению криогенных (сверххолодных) жидкостей из «Мартин Мариетта», и они были единодушны во мнении, что с хранением примерно 6 тонн водорода для восьмимесячного полета с Земли на Марс вполне можно справиться при условии, что мы начнем с количества примерно на 15 % больше, чтобы компенсировать потери на испарение в пути (на Марсе испаряющийся водород можно направлять непосредственно в метановый реактор и тем самым избежать потерь). В теории это решит проблему производства подходящего для марсианских условий ракетного топлива.

Тем временем, благодаря помощи Сида Эрли, аналитика траекторий космических аппаратов из «Мартин Мариетта», Бейкер переработал «Шаттл Зет» в «Арес», ракету-носитель, способную не только поднимать полезную нагрузку на низкую околоземную орбиту, но и отправлять непосредственно в межпланетное пространство (рис. 3.1). Бейкер также выдвинул предложение использовать отработавшую верхнюю ступень «Ареса» как противовес на конце вращающегося троса для создания искусственной гравитации в жилом модуле экипажа во время полета на Марс. Идея создать искусственную гравитацию с помощью троса не была принципиально новой, но наш план выглядел гораздо более надежным, чем другие, поскольку объект на конце троса не имел большой важности для миссии. В более традиционных миссиях из-за огромной массы корабля, стартующего с Земли, сила тяжести создавалась следующим образом: содержимое корабля делилось на две части, и необходимые для миссии компоненты, такие как ступени с химическими реактивными двигателями, без которых нельзя вернуться на Землю, перемещались на дальний конец троса. Если такой трос порвется, когда придет время смотать его, миссия будет провалена. А в нашей схеме трос вообще не нужно сматывать. Скорей всего, его просто выпустят или перережут пироболтом, когда обитаемый модуль достигнет Марса. Это можно назвать ключевым преимуществом нашей архитектуры для снижения рисков миссии.

Рис. 3.1. Эволюция ракет-носителей от «Шаттла Си» до «Шаттла Зет» и «Ареса»

Так обстояли наши дела. Бейкер предложил использовать два модуля космической станции в качестве основы для хаба, поскольку к началу миссии они, по всей видимости, уже будут запущены в серийное производство. Модули космической станции – длинные и тонкие, как фюзеляж самолета, их форма разработана таким образом, чтобы они помещались внутрь грузового отсека шаттла диаметром 5 метров. Я выяснил, что реальная работа по конструированию модулей космической станции велась так, чтобы подстроиться под размеры системы жизнеобеспечения и других внутренних систем, а не наоборот. Более широкая конструкция, напоминающая по форме банку тунца, лучше соответствовала 10-метровому в диаметре обтекателю «Ареса», давала больше возможностей для создания интерьера жилого модуля, где члены экипажа чувствовали бы себя комфортно во время длительного путешествия, чем пара модулей космической станции, и весила бы к тому же значительно меньше. После того как были сделаны наброски жилого модуля с различными интерьерами, Бейкер согласился, что вариант в форме высокой банки с тунцом действительно лучший, и мы остановились на нем. Жилой модуль прекрасно и симметрично размещался в неподвижном центре одного из разработанных Биллом Уилкоксоном тормозных парашютов внутри обтекателя «Ареса». Поскольку мы хотели создать набор транспортных средств, которые подходили бы для лунных миссий так же, как и для марсианских (в качестве дополнительной цели, а не промежуточного шага), мы решили разделить двигатель ВЗА на две ступени. В верхней ступени топлива хватало бы ровно на то, чтобы напрямую вернуться на Землю с поверхности Луны, в то время как обе ступени вместе обеспечивали бы возвращение ВЗА с Марса на Землю. Поскольку верхняя ступень сама по себе получалась намного меньше нижней, «Арес» можно было бы использовать для доставки полностью заправленного ВЗА на лунную поверхность (изготовить ракетное топливо на Луне возможно, но для первой миссии это нежелательно, так как пришлось бы дробить лунную породу). Таким образом, были спроектированы «Арес», жилой модуль, ВЗА с двухступенчатым двигателем и система торможения в атмосфере – вместе они составляли компактный (и, следовательно, недорогой) набор элементов, которые можно комбинировать для осуществления как лунной, так и марсианской миссий в рамках инициативы исследования космоса. С помощью системы автоматизированного проектирования инженер Боб Спенсер и художник из «Мартин Мариетта» Роберт Мюррей (да, все верно, хороший художник-инженер может сильно помочь при разработке дизайна, стимулируя ваш мыслительный процесс и объясняя, что с чем можно соединить и что куда передвинуть) превратили все эскизы в трехмерные чертежи.

Из соображений минимализма Бейкер настаивал на экипаже из трех человек; я предлагал команду из пяти. Мы проработали логистику миссии, и обнаружилось, что расчетная грузоподъемность позволяет составить экипаж из четырех человек.

Поэтому членов экипажа стало четверо. (Выбирать было просто. Однако по причинам, которые я изложу позже, я убедился, что четверо – это в самый раз для начала миссии.)

За день до завершения работы по проектированию я вошел в офис Бейкера и сел на его стол. Я сказал: «Нашему плану нужно название, что-нибудь передающее его суть. Мы собираемся прямо на Марс, и по программе – избегая промежуточных этапов на орбите Земли или на Луне, и физически – запуская ракету прямо к Красной планете и возвращая аппарат с поверхности Марса прямо на Землю. Я обдумывал варианты вроде «Прямолинейный план» или «Директ Марс»». Бейкер посмотрел на меня и сказал: «Хорошо… как насчет… "Марс Директ"?» Ему не пришлось повторять дважды. У миссии появилось имя.

После завершения работы мы отдали наш план на ознакомление группе, разрабатывающей программы полетов, и начальству. Бен Кларк составил список серьезных вопросов и замечаний по поводу миссии, занявший несколько страниц. Мы дали письменный ответ. Эл Шалленмюллер, вице-президент сектора гражданской космонавтики «Мартин Мариетта», очень заинтересовался миссией. Все необходимое для выполнения нашего плана могло быть без затруднений создано в ближайшем будущем. Опираясь на свой опыт работы в «Сканк уоркс», он согласился с моей оценкой, согласно которой «Марс Директ» может быть подготовлен в течение десяти лет. Шалленмюллер решил отправить нас в Центр космических полетов Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама, чтобы мы представили свой план сотрудникам НАСА. Ни Бейкер, ни я не ожидали, что брифинг пройдет хорошо. Центр имени Маршалла считается одним из самых консервативных в НАСА, и казалось маловероятным, что тамошняя аудитория благосклонно воспримет радикальную идею вроде «Марс Директ». Регионализм тоже мог стать настоящей проблемой, которая значительно усилила бы настроение «вас сюда не звали». Я предсказывал Бейкеру, шутя только отчасти, что скорее всего сотрудники центра Маршалла ответят: «Мой отец не отправлял такие миссии на Марс, и его отец не отправлял такие миссии на Марс, и нам не нужно, чтобы сюда приезжали проклятые янки и учили нас, как запускать миссии на Марс».

Я не мог ошибиться сильнее. Мы с Бейкером представили доклад о миссии вместе, в командном стиле. Отклик был потрясающий. Группа планирования ИИК из центра Маршалл действительно была консервативной и именно по этой причине очень воодушевленно встретила «Марс Директ». Эти люди месяцами разбирались с грандиозными планами по сборке на орбите огромных межпланетных космических кораблей, хотя сами считали эти планы бредом сивой кобылы. Когда мы объяснили, как осуществить пилотируемый полет на Марс с помощью двух запусков ракет типа «Сатурн-5», у ветеранов программы «Аполлон», сидевших в зале, начали загораться глаза: «А ведь это мы действительно можем выполнить!» Джен Остин, руководитель организации по ИИК в центре Маршалла, пригласил нас с Бейкером к себе в офис и говорил о плане два часа (нечто неслыханное!), сначала расспрашивая о концепции, а затем давая нам советы о том, как рассказать о миссии в космическом центре Джонсона и в других организациях.

Брифинг в центре Маршалла состоялся 20 апреля 1990 года. В следующие несколько недель с подобными докладами мы посетили все крупные центры НАСА, участвующие в ИИК, и везде мы приводили людей в восторг. В День памяти павших[19] мне дали возможность выступить с заключительным докладом пленарной сессии на национальной конференции Национального космического общества в Анахайме. Это был первый рассказ о «Марс Директ» для широкой публики. Мне аплодировали стоя. Через неделю мы с Бейкером выступали с докладом о миссии на конференции «Курс на Марс» (проводится раз в три года сообществом «Марс Андеграунд», о котором я расскажу чуть позже) в Боулдере и вообще выступали везде, где только можно было. На следующий день Boston Globe на первой полосе опубликовала статью своего опытного научного корреспондента Дэвида Чандлера под названием «Предложен новый план полета на Марс», которую перепечатали сотни других газет. Миссия «Марс Директ» получила широкую огласку.

До конца лета Бейкер и я по отдельности и вместе продолжали выступать на открытых конференциях и брифингах НАСА. Также мы опубликовали подробное описание миссии в специальном разделе журнала «Аэроспейс Америка», специализированном ежемесячном издании об авиационной промышленности. Где бы мы ни выступали, у нас появлялись единомышленники, но контратака уже готовилась. Влиятельные люди из НАСА, причастные к программе космической станции, совсем не были рады существованию «Марс Директ». Так как мы не использовали станцию или хотя бы наработки (которые только должны были появиться) по методам сборки на орбите, выходило, что мы подрываем доверие к их программе. Сотрудникам НАСА, которые были дружественно настроены к миссии «Марс Директ», сказали держаться от нас подальше. Эта заставило нас снизить активность. Некоторые (но не все) представители сообщества инженеров, занимающихся разработками в области реактивного движения, также были настроены враждебно. Они тоже почувствовали, что «Марс Директ» уменьшает значимость их проектов, и выдвигали к будущим миссиям такие требования, которым могли удовлетворить только разработанные ими системы. На то чтобы опровергнуть необходимость этих требований, у нас ушло немало сил. То, что началось как интеллектуальный блицкриг, превращалось в окопную войну.

Темперамент Бейкера не подходил для такой затяжной битвы. Становилось все очевиднее, что преодолеть косность мышления наших оппонентов будет непросто, а глупое стремление бюрократов из НАСА реализовать их фантастический проект стоимостью 450 миллиардов долларов приводило к тому, что Конгресс продолжал отказывать в финансировании ИИК. Бейкер все сильнее унывал. В феврале 1991 года он уволился из «Мартин Мариетта» и пошел получать степень магистра в Университете Колорадо, чтобы затем открыть собственную консалтинговую фирму.

Оставаясь оптимистом, я упорно продолжал ездить по стране, выступил с десятками докладов и написал многочисленные статьи для журналов. Администрация Буша привлекла независимых экспертов из группы «Синтез», возглавляемой бывшим астронавтом программы «Аполлон» генералом Томасом Стаффордом, чтобы попытаться разработать новую архитектуру для ИИК взамен неудачного «90-дневного отчета». Я встретился с ними и коротко изложил свою идею, а затем побеседовал с ключевыми людьми в комиссии. Когда в мае 1991 года был опубликован отчет группы «Синтез» [13], я был разочарован. Они проигнорировали «Марс Директ» и отдали предпочтение исследованию Марса с помощью слегка обновленной версии гигантских космических аппаратов на ядерных реактивных двигателях из плана Вернера фон Брауна за 1969 год. Но хотя мой план и не попал в отчет целиком, ключевые моменты в нем все таки были отражены. Сборка аппаратов на орбите теперь считалась нежелательной. Большой срок, проведенный на Марсе, теперь рассматривали как плюс миссии – наконец-то исследования признали ее важной составляющей. Так, в то время считалось, что полет на Марс во время его противостояния с Землей (что предполагало большие энергозатраты и короткое время пребывания на Марсе) будет выбран для первой миссии, а все последующие миссии будут запущены во время соединения Земли и Марса (энергозатраты меньше, а время пребывание на Марсе более длительное). Предложенная мной технология производства марсианского ракетного топлива из метана и кислорода вызвала одобрение, в отчете было сказано, что проект необходимо реализовать, правда, не в рамках самых первых миссий. Все это свидетельствовало о прогрессе. Потом осенью 1991 года свет в конце тоннеля забрезжил еще ярче, когда Майк Гриффин, один из надежнейших людей в группе «Синтез», был назначен руководителем отдела планетных исследований НАСА и ответственным за ИИК. Говорили, что Гриффин очень умен и не похож на среднестатистического бюрократа. «Если бы только я мог с ним побеседовать», – подумал я. Я не мог подобраться к Гриффину напрямую, поэтому начал убеждать его друзей – некоторые из них также были моими друзьями. Наконец в июне 1992 года мне выпал шанс поговорить с Гриффином в его офисе. Все прошло хорошо. Гриффин прочел некоторые мои статьи, но у него были кое-какие вопросы. Личная встреча дала мне возможность на них ответить. Гриффин позвонил Биллу Боллхаусу руководителю сектора гражданской космонавтики в «Мартин Мариетта» (Шалленмюллер к тому времени почти отошел от дел), и «попросил» его («просьба» руководителя подразделения НАСА в аэрокосмической промышленности – это значительно больше, чем просто просьба) выделить средства для того, чтобы я подготовил более детальное обсуждение миссии «Марс Директ» в Космическом центре имени Джонсона. Они обязательно воспримут миссию всерьез.

Обсуждение состоялось, и не одно – тогда я не знал, что миссия «Марс Директ» настолько понравилась Гриффину. Он даже побеседовал с будущим руководителем НАСА Дэном Голдином, который также стал моим сторонником. В итоге, когда я появился в центре имени Джонсона в октябре 1992 года, чтобы провести серию подробных брифингов о «Марс Директ», моя аудитория определенно была готова слушать.

Группа исследовательских программ из центра Джонсона выслушала меня, и людям понравилось то, что они услышали, но у них по-прежнему оставались вопросы. Члены группы чувствовали, что мои оценки массы миссии сделаны с запасом, и хотели, чтобы в экипаже было шесть человек. А значит, потребовалась бы более мощная ракета, чем «Арес». Дэйв Уивер, главный архитектор миссий в группе, также с подозрением отнесся к тому, что весь план критически зависит от производства ракетного топлива на Марсе. Действительно, если топливо будет изготовлено перед тем, как экипаж, который в нем нуждается, покинет Землю, проблем не возникнет. Но если запасание топлива на Марсе не состоится, вся миссия окажется провальной. Уивер и я пошли в его офис, взяли мел и разработали компромиссную архитектуру миссии, которая отвечала на все вопросы [14]. Я назвал этот план «Марс Полудирект» (рис. 3.2). В рамках одной миссии вместо двух запусков выполняются три. Один доставляет на поверхность Марса спускаемый аппарат, который сам будет производить топливо, а также большое количество оборудования и расходных материалов. Еще один доставляет возвращаемый на Землю модуль экипажа вместе с метаново-кислородным реактивным двигателем на высокую околомарсианскую орбиту. С помощью последнего запуска к поверхности Марса отправят хаб с экипажем. Следовательно, нет необходимости производить достаточное количество топлива для отправки возвращаемого на Землю аппарата прямо с поверхности Марса. Нужно лишь послать модуль с поверхности Марса на орбиту и провести там стыковку жилого модуля с ВЗА, после чего находящийся на орбите химический реактивный двигатель доставит экипаж домой. Модуль для взлета с Марса достаточно легкий, поэтому, если с ним не отправлять никаких дополнительных грузов, полностью заправленный вариант может быть доставлен на поверхность Марса одной тяжелой ракетой-носителем. То есть, если на Марсе производство ракетного топлива не заладится, программу по-прежнему можно спасти с помощью запуска с Земли четвертой ракеты-носителя. Этот вариант архитектуры мне нравился меньше, чем классический «Марс Директ», поскольку ограничивал возможности миссии. Вместо двух запусков и двух космических аппаратов для плана «Марс Полудирект» потребовалось бы по три запуска и три аппарата, что увеличило бы стоимость программы. Кроме того, критически важное рандеву на орбите Марса было запланировано на вторую половину миссии. Это явно было необыкновенным прогрессом по сравнению с прежней убежденностью НАСА: теперь весь полезный груз собирались доставить на Марс сразу с помощью одной ракеты-носителя, не требовалась сборка гигантского корабля на орбите Земли, планировалось длительное пребывание экипажа на Марсе и использование местных ресурсов с самой первой миссии. Это был компромисс, но компромисс жизнеспособный, я бы его поддержал. Майкл Дьюк и Гамболт «Гам» Манделл, два уважаемых в центре Джонсона человека, почти сразу одобрили план «Марс Полудирект», с тех пор мы могли рассчитывать на большую поддержку центра.

В 1993 году Уивер сблизился с большой командой из разных подразделений НАСА, для того чтобы проработать план «Марс Полудирект». Я участвовал в этой работе как консультант. И опять в большой команде стали появляться сепаратистские настроения. Представители различных программ пытались обеспечить ведущую роль своим системам. Работать с такой командой – это все равно что пасти котов. Тем не менее удалось сформировать вполне работоспособный план, основанный на «Марс Полудирект». Эта расширенная версия была проанализирована той же группой оценки финансовых затрат из центра Джонсона, которая выдала цифру в 450 миллиардов долларов для «90-дневного отчета». Анализ включал разработку всех необходимых технологий, в том числе тяжелой ракеты-носителя (то есть подзадача о полете по программе исследования Луны не ставилась), а также запуск трех полноценных пилотируемых миссий на Марс. Итого: 55 миллиардов долларов, или одна восьмая часть стоимости традиционного плана ИИК. В июле 1994 года весть об этой работе достигла журнала Newsweek и попала на обложку. «Пилотируемый полет на Марс?» – спрашивал Newsweek. «Технология уже отрабатывается. И стоимость в 50 миллиардов долларов – одна десятая часть суммы, в которую оценивался прежний план, – нас устраивает».

Изучив вопрос, специалисты пришли к выводу, что умеренный по стоимости, технически выполнимый план, который поддержат политики и который действительно позволит доставить человека на Марс, – это план, основанный на концепции «Марс Директ». Это программа не для наших далеких потомков, а для нас и наших современников. Это миссия, которую могут разработать современные инженеры, основываясь на имеющемся у нас техническом потенциале, миссия, которая может быть осуществлена астронавтами, состоящими сегодня на службе в вооруженных силах США.

Рис 3.2. Последовательность запусков для миссии «Марс Полудирект». Каждые два года запускаем три ракеты-носителя. Одна доставляет на Марс экипаж в обитаемом модуле (хабе), две другие в беспилотном режиме доставляют полезную нагрузку, состоящую из самостоятельно заправляющегося Марсианского взлетного модуля (МВМ) и ВЗА. Когда приходит время возвращаться домой, экипаж перемещается в МВМ и отправляется на околомарсианскую орбиту для стыковки с уже обращающимся вокруг Марса ВЗА, который затем доставляет экипаж на Землю. Жилой модуль, отправляемый в первый год, летит на Марс без экипажа, чтобы послужить запасным модулем для первой пилотируемой миссии, экипаж которой прибудет на Марс на третий год в своем обитаемом модуле

В следующих главах мы более детально рассмотрим план «Марс Директ», увидим, как эта миссия работает пошагово. Я докажу, что этот проект пригоден не только для отправки человека на Марс, но для исследования, заселения и преобразования Красной планеты.

Историческая справка – «Марс Андеграунд»

Иногда небольшая группа обычных людей может поднять такой шум, что ее услышат в самой безразличной толпе. Однажды так получилось и с марсианской миссией.

В течение десяти лет после программы «Аполлон» планы по разведыванию Марса человеком по сути были заброшены, поскольку НАСА пыталось запустить проект шаттла. Но примерно с начала 1980-х годов идея отправить людей на Красную планету стала распространяться в сообществе специалистов, близких к космическим исследованиям, благодаря усилиям небольшой группы энтузиастов, которые в скором времени стали известны как «Марс Андеграунд». Чтобы понять, с чего началась история этого сообщества, нам придется вернуться в 1978 год, в «сонный» период между «Скайлэб» и шаттлом. Последний рейс «Аполлона», экспериментальный полет «Союз – Аполлон» осуществили в июле 1975 года, и целью тогда была не Луна, а низкая околоземная орбита, где произошла стыковка с советскими коллегами. Со времен «Скайлэб-4» (ноябрь 1973 года) до проекта «Союз – Аполлон» ни один американец не летал в космос. «Вояджеры», которые должны были исследовать газовые гиганты и дальние области Солнечной системы, запустили в 1977 году. «Пионер-Венера-1» и «Пионер-Венера-2» стартовали к второй планете Солнечной системы и должны были достичь цели к концу 1978 года. Шаттл полетел только в апреле 1981 года. В общем, это было время затишья в космическом сообществе, время, когда пытливые умы искали, над чем бы эдаким поразмышлять – например, над модернизацией какой-нибудь планеты. И тогда Крис Маккей, в те времена аспирант-астрогеофизик из Университета Колорадо, начал проводить семинар о терраформировании Марса.

Семинар появился благодаря коридорным дискуссиям и болтовне за пивом аспирантов и старшекурсников, которые обсуждали удручающие, но интригующие результаты миссии «Викинг». Согласно находкам «Викинга», Марс выглядел безжизненным, но в то же время казалось, что не должен оставаться таким – если разумно применить планетную инженерию, или терраформирование, то в будущем Марс опять может стать теплой и влажной планетой. К Маккею присоединились Кэрол Стокер, также аспирант-астрогеофизик, Пенелопа Бостон, студентка-старшекурсница, специализирующаяся на биологии, давняя подруга Маккея, Том Мейер, руководитель собственной инженерной фирмы и давний друг Стокер, специалист в области информатики Стив Уэлч и еще несколько человек – всего не более двадцати пяти участников. Чарльз Барт, возглавлявший кафедру физики атмосферы и космоса в Университете Колорадо, выступал в качестве наставника и консультанта группы, помогая превратить дружеские разговоры в официальный семинар «Условия для жизни на Марсе».

В течение первого семестра участники семинара с ненавязчивой помощью Барта осознали, что терраформирование Марса – трудная задача даже для аспирантов. Они также поняли, что теоретическая база у них была значительная, а вот фактических данных не хватало. Несмотря на то что обсуждения получались увлекательными и интригующими, без дополнительной информации о планете они ни к чему не приводили. Участникам семинара нужно было больше знать о нынешней атмосфере Марса, о ее прошлом, о летучих соединениях, ресурсах и множестве других аспектов – о тех данных, которые могли бы собрать на Марсе исследователи. Поэтому группа сосредоточилась на пилотируемых полетах на Марс, которые осуществимы в недалеком будущем, и в конце концов наработки были объединены в «Предварительный отчет группы изучения Марса». Барт доставил этот отчет в штаб-квартиру НАСА, и вскоре распространилась весть о том, что группа аспирантов и их единомышленников из Боулдера с энтузиазмом – и толком – исследует возможность пилотируемых полетов на Марс, а также занимается новой областью науки, известной как терраформирование (о которой речь пойдет далее). Некоторые из участников семинара вскладчину арендовали машины, чтобы ездить на различные конференции и встречи по исследованию космоса. Там можно было повстречать единомышленников, людей, которых бы вдохновили энтузиазм, цели и интеллектуальные способности группы из Боулдера.

Весной 1980 года Маккей и Бостон встретились с Леонардом Дэвидом на заседании Американского общества астронавтики в Вашингтоне. Дэвид в последние несколько лет посещал студенческие форумы по исследованию космоса и слышал о группе из Боулдера. Эти трое довольно быстро поладили, и то, что началось как беседы об освоении Марса, закончилось предложением Дэвида, что хорошо бы провести конференцию по исследованию Марса человеком. Эта идея была в новинку, аспиранты двадцати с небольшим лет от роду обычно не проводят конференции по планетным исследованиям, но почему бы не попробовать? Им действительно было нечего терять. И сторонники исследования Марса начали потихоньку планировать встречу. Маккей, Бостон, Уэлч, Мейер, Стокер и Роджер Уилсон, еще один студент Университета Колорадо, работали над списком возможных тем для обсуждения и возможных докладчиков. Используя «партизанские» методы, они напечатали около сотни копий объявлений о конференции и отдали их распространителям. Ко всеобщему удивлению, начали поступать запросы и от тех, кто хотел присутствовать, и от исследователей, желавших выступить с докладом. Позаимствовав название для конференции у судьбоносной статьи, озаглавленной «Людям пора на Марс» (The Case for Humans on Mars), которую ученый Бен Кларк из команды миссии «Викинг» написал в 1978 году, в конце апреля 1981 года группа из Боулдера провела первую конференцию «Курс на Марс».

Конференция получилась скромной – всего присутствовало около ста человек, – но для организаторов это было очень много. До конференции они чувствовали себя одинокими путниками в пустыне. Лишь у немногих, как думали аспиранты из Боулдера, были интерес и опыт, чтобы провести серьезное изучение пилотируемых миссий на Марс. А теперь они оказались в гуще событий, посреди собственной конференции с докладами об использовании ресурсов, обеспечении жизни на поверхности Марса, о возможностях реактивных двигателей. Понимание того, что другие люди разделяют их страсть, вдохновляло, волновало и окрыляло. Леонард Дэвид приехал из Вашингтона со свертком красных значков. На логотипе «Курса на Марс» художник Картер Эммарт изобразил фигуру, напоминающую витрувианского человека Леонардо да Винчи, внутри астрологического символа Марса. Внизу были написаны слова «Марс Андеграунд». Эта небольшая надпись утверждала, что владелец значка теперь стал членом «Марс Андеграунд» – небольшого коллектива почитателей планеты Марс («Крепко связанные, но неплотно сотканные»). Носить значок следовало незаметно, под отворотом одежды или под пиджаком. За четыре дня многочисленных обсуждений и презентаций «Марс Андеграунд» сформулировал план пилотируемых исследований Марса: основные положения программы; миссии, предшествующие пилотируемым полетам; планы миссий; список действий по исследованию поверхности планеты для астронавтов. Неплохой результат для конференции, задуманной и организованной командой аспирантов.

Эти конференции проводились в течение пятнадцати лет раз в три года. Каждая отражала настроение эпохи и опиралась на ранние договоренности. По итогам второй конференции, проведенной в 1984 году, был разработан полный подробный проект марсианской миссии, который члены «Марс Андеграунд» использовали в качестве основы для двухчасового доклада об исследованиях Марса, представленного в штаб-квартире и других центрах НАСА. Конференция 1984 года также была примечательна тем, что удалось добраться до группы людей, имеющих большое политическое влияние, например до бывшего руководителя НАСА Томаса Пейна. В 1985 году президент Рейган назначил Пейна главой независимой Национальной комиссии по космосу, затем под его началом комиссия рекомендовала Соединенным Штатам поставить целью космической программы через тридцать лет создание на Марсе форпоста. Белый дом ответил на этот отчет созданием организации «Код Зет» и программ «Пасфайндер» в штаб-квартире НАСА для того, чтобы соответственно спланировать стратегию миссии и разработать ключевые технологии для освоения Луны и Марса. Именно эти организации образовали сеть из информированных лиц, которые посодействовали появлению озвученного Бушем требования создать НИК в июле 1989 года.

Третья конференция «Курс на Марс» ускорила развитие событий, а Карл Саган выступил с речью перед аудиторией из более чем тысячи человек, в числе которых было много журналистов из разных стран мира. Я впервые услышал о «Марс Андеграунд» после второй конференции «Курс на Марс» и наряду с более чем четырьмя сотнями представителей технических специальностей посетил «Курс на Марс III», чтобы прослушать почти двести докладов и поучаствовать в шестнадцати семинарах. В двухтомных трудах конференции излагаются стратегии исследования Марса, которые охватывают и технические требования, и государственные интересы, и политические тонкости – все необходимое, для того чтобы пилотируемые полеты на Марс стали реальностью. К четвертой конференции в 1990 году (которая, как и всегда, проводилась в Боулдере) то, что десять лет назад считалось в НАСА почти запретной темой, – люди на Марсе – было заявлено нынешним президентом как наша долгосрочная цель в космосе. Кэрол Стокер, которая отвечала за расписание конференции, посетила частное заседание по миссии «Марс Директ» в исследовательском центре Эймса НАСА в Калифорнии, и ей план понравился. Она оказала Дэвиду Бейкеру и мне высокую честь открыть первое пленарное заседание и рассказать о «Марс Директ» собравшимся представителям «Марс Андеграунд». На следующий день новость о том, что разработан недорогой план пилотируемой миссии на Марс, появилась в Boston Globe и десятках других газет.

Построение траектории космического аппарата – относительно простая задача, и в ее решении мы ограничены только законами физики. А вот провести идею сквозь хитросплетения политической системы – дело рискованное. К речи, произнесенной Джорджем Бушем-старшим на ступенях Музея авиации и космонавтики в 1989 году, привело множество причин. Но я не сомневаюсь: конференция «Курс на Марс» и небольшая группа людей, которые стали ядром «Марс Андеграунд», сумели доказать, что путешествие людей на Марс – реальная, достижимая цель для космической программы США. Конференции «Курс на Марс» послужили стартовой площадкой для идей, которые продемонстрировали миру значимость пилотируемых полетов на Марс и зарядили энергией сообщество исследователей и энтузиастов. Для организации, членом которой становятся благодаря энтузиазму и стараниям, а не толстому кошельку или тяге к престижу, общество «Марс Андеграунд» и конференции «Курс на Марс» обладают очень большим влиянием, несопоставимым с их скромными размерами.

Я выбрал такое название для своей книги именно для того, чтобы отдать должное заслугам участников «Марс Андеграунд».

Глава 4

Добраться на Марс

Быстрые миссии и хорошие миссии

Планируя долгое путешествие, вы сначала продумаете маршрут и способ перемещения. То же справедливо и для путешествия на Марс.

Многие считают, мы не достигнем Марса, поскольку Красная планета находится так далеко от Земли. Пока нам не доступны принципиально более совершенные типы космических двигателей, утверждают скептики, дорога окажется слишком долгой. Давайте рассмотрим это возражение.

Марс действительно далеко. При самом удачном расположении, когда он располагается на линии Солнце – Земля – Марс прямо напротив Земли и ближе всего к ней (древние астрономы, с их геоцентрической картиной мира, описывали это положение как «противостояние», о нем подробнее будет сказано далее), расстояние составляет 56 миллионов километров, или 38 миллионов миль. При максимальном удалении от Земли, то есть когда Марс находится за Солнцем на линии Земля – Солнце – Марс (древние астрономы называли такую конфигурацию «соединение»), расстояние составляет около 400 миллионов километров (рис. 4.1). Сейчас не существует даже чертежей реактивных двигательных систем, которые могли бы напрямую доставить аппарат с Земли на Марс, когда планеты находятся в противостоянии. Дело обстоит так, потому что космический корабль, покидая Землю, обладает ее скоростью – около 30 километров в секунду, и, таким образом, космический корабль продолжит обращаться вокруг Солнца в том же направлении, что и Земля, пока не израсходует огромное количество топлива на изменение курса. В самом деле, как показал немецкий математик Вальтер Гоман в 1925 году, если в качестве топлива используется бензин, лучшее время для путешествия с Земли на Марс – соединение планет, когда они находятся на максимальном расстоянии друг от друга с противоположных сторон от Солнца (рис. 4.2). Это самый простой путь, поскольку корабль движется по эллипсу, который одним краем касается орбиты Земли, а другим – орбиты Марса, таким образом необходимое изменение курса становится минимальным. Чем больше отклонение от такого плана полета, тем больше работы придется совершить двигателям и тем дороже обойдется миссия. Но даже если мы решим израсходовать дополнительное топливо, чтобы «срезать углы» и отклониться от полноценной траектории Гомана, нам скорее всего придется преодолеть дугу по меньшей мере в 400 миллионов километров, чтобы добраться с Земли на Марс. Четыреста миллионов километров. Это очень много. Для сравнения, Луна от Земли «всего» в 400000 километров. Таким образом, чтобы добраться до Марса, придется преодолеть расстояние в тысячу раз больше, чем пролетели в свое время астронавты миссии «Аполлон» по пути на Луну. На путь в одну сторону у корабля «Аполлон» ушло три дня. Значит ли это, что до Марса лететь 3000 дней, то есть восемь лет?

К счастью, нет. Астронавты миссии «Аполлон» летели к Луне со средней скоростью около 1,5 километра в секунду. Ограничение было установлено не технологией реактивного движения того времени, – третья ступень «Сатурна-5» могла разогнать «Аполлон» в два или даже три раза сильнее, – а выбранной траекторией полета. Астронавты миссии «Аполлон» могли мчаться к Луне со скоростью 4,5 километра в секунду и добраться туда в течение одного дня, но пришлось бы очень дорого заплатить: у них не было бы возможности остановиться. Из-за маленькой силы тяжести на Луне система ускорения космического корабля должна сработать так, чтобы аппарат вышел на орбиту Луны. Командный модуль «Аполлона» просто не смог бы снизить скорость аппарата, если бы он приближался к Луне быстрее, чем со скоростью 1,5 километра в секунду.

Рис. 4.1. Противостояние и соединение. В противостоянии Марс и Земля находятся по одну сторону от Солнца. В соединении Марс, если смотреть с Земли, находится за Солнцем

Рис. 4.2. Возможные траектории для полета на Марс: (А) орбита Гомана; (В) быстрая миссия во время соединения Земли и Марса; (С) миссия во время противостояния Земли и Марса

Марс же обладает существенной силой тяжести и атмосферой, которые могут поспособствовать торможению космического аппарата. Таким образом, если космический аппарат подлетит к Марсу на гораздо большей скорости, то все равно сможет выйти на его орбиту. Более важно, что корабль, покидающий Землю с гиперболической скоростью в 3 километра в секунду, не полетит с той же скоростью по Солнечной системе. Земля в этом случае играет роль быстро движущейся платформы, а поскольку она движется в одном направлении с аппаратом, он набирает дополнительную скорость в 30 километров в секунду, пока вращается с Землей вокруг Солнца. Итак, начальная скорость корабля составляет не 3 километра в секунду, а 33 километра в секунду, что более чем в двадцать раз превышает скорость командного модуля «Аполлона». (Этот эффект «подвижной платформы» нельзя использовать, чтобы облегчить путь до Луны, потому что Луна движется вокруг Солнца вместе с Землей.) По мере того как корабль покидает потенциальную яму Солнца и движется от орбиты Земли к орбите Марса, часть кинетической энергии, связанной с этой скоростью, преобразуется в потенциальную, и аппарат немного замедляется, но по-прежнему летит очень быстро. К счастью, Марс будет двигаться по своей орбите со скоростью 24 километра в секунду примерно в том же направлении, что и космический корабль. Когда тот достигнет орбиты Марса, его скорость относительно Красной планеты составит только около 3 километра в секунду (так как скорость его движения примерно 27 километров в секунду), и это достаточно медленно, чтобы можно было вывести аппарат на орбиту Марса. К тому времени, когда космический аппарат достигнет Красной планеты, он преодолеет расстояние в тысячу раз больше, чем астронавты миссии «Аполлон», но в среднем примерно в двадцать раз быстрее. Поделив тысячу на двадцать, мы получим время полета от Земли до Марса – 150 дней, в пятьдесят раз больше, чем трехдневное путешествие астронавтов миссии «Аполлон». Это и есть грубая оценка времени полета только в сторону Марса с использованием технологий реактивного движения эпохи программы «Аполлон», которые совпадают с современными. И это вполне хорошая оценка. Хотя на самом деле перелет по траектории Гомана занимает 258 дней. Сократить путешествие до 150 дней возможно, только если использовать дополнительное топливо.

Но добраться до Марса – это полдела, еще нужно вернуться назад. Земля и Марс находятся в непрерывном движении вокруг Солнца, и поскольку они движутся с разными скоростями, то постоянно смещаются друг относительно друга. Поскольку для запуска и возвращения миссии подходят только конкретные взаимные положения Земли и Марса, выбранная траектория не только определяет, как долго вам придется путешествовать, она также задает время, когда можно стартовать с планеты. Это сильно усложняет формирование плана миссии, но в итоге, по сути, у нас остается два варианта пилотируемой миссии на Марс, которая предусматривает возвращение на Землю. Эти два варианта известны как миссии класса соединений и противостояний. Типичные параметры обоих типов миссий приведены в табл. 4.1.

Одним из примеров миссии в соединении будет «миссия с минимальными затратами энергии», которая реализуется двумя маневрами Гомана между Землей и Марсом. Такая миссия будет самой дешевой, но в один конец придется лететь 258 дней. Этот вариант подходит для груза, но, если на Марс полетят люди, желательно ускорить процесс. Оказывается, что для сокращения времени полета до 180 дней при старте в период соединения Земли и Марса понадобится не слишком много дополнительного топлива, именно этот вариант мы предлагаем для миссии «Марс Директ». Тем не менее, если принять такой план полета, придется задержаться на поверхности Марса на 550 дней, пока не откроется стартовое окно для возвращения на Землю. То есть общая продолжительность миссии составит около 910 дней.

Таблица 4.1. Продолжительность полета и пребывания на Марсе

Первая половина миссии в противостоянии – полет с Земли на Марс – осуществляется таким же образом, как в случае миссии в соединении. Но обратный путь будет радикально отличаться. По дороге домой придется потратить топливо для старта с Марса, но не для непосредственного возвращения на Землю, а для выхода в межпланетное пространство. Затем придется обогнуть Венеру, производя гравитационный маневр, который благодаря эффекту пращи поможет набрать скорость для полета к Земле. Такой способ позволит астронавтам поймать стартовое окно для возвращения на Землю вскоре после прибытия на Марс. И хотя на обратный путь потребуется значительно больше времени, чем на маневр Гомана, миссия в противостоянии займет всего приблизительно 600 дней.

Разработчики миссии НАСА «90-дневный отчет» делали ставку на запуск в период противостояния, потому что хотели минимизировать общую продолжительность полета. Другие следовали их примеру, полагая, что противостояние – единственное удобное время для полетов на Марс. Но есть ли смысл у такого подхода? В рамках миссии в противостоянии к реактивным двигателям предъявляются значительно более строгие требования: например, изменение скорости на 7,8 километра в секунду, чтобы ускорить или замедлить космический корабль. Для миссии в соединении это значение составляет всего 6,0 километра в секунду. (ΔV – это изменение скорости, необходимое для перемещения космического корабля с одной орбиты на другую.) Если использовать для вывода корабля с опорной марсианской орбиты на ведущую к Земле траекторию хранящееся в космосе топливо, стартовая масса будет примерно вдвое больше, чем для миссии в соединении. Однако на самом деле все еще сложнее. Требования на ΔV, приведенные в табл. 4.1, относятся только к ускоряющему маневру отправки с НОО Земли и с высокоэллиптической орбиты Марса. Предполагается, что космический аппарат способен произвести торможение на земной или марсианской орбите. Но космический корабль для миссии в противостоянии может оказаться настолько массивным, что торможение в атмосфере будет трудновыполнимо или вообще невозможно. Если это так, для замедления придется использовать ракетные двигатели, что увеличит ΔV для всей миссии, а это приведет к увеличению массы аппаратов и стоимости. Так мы приходим к выводу, что миссия в противостоянии практически невозможна до тех пор, пока не ловится ЯРД, у которого скорость истечения вдвое выше, чем у химического реактивного двигателя, или что-то лучшее. (По этой причине миссии в противостоянии поддерживают некоторые сторонники разработки ЯРД.)

Но для чего нам уменьшать длительность миссии? Обычно называют классические причины: важно минимизировать воздействие на экипаж невесомости и различных типов космического излучения. В рамках миссии в противостоянии экипажу действительно гораздо дольше придется находиться в невесомости, так как почти все время полета люди проведут в межпланетном пространстве. Кроме того, доза радиации, полученная за единицу времени в межпланетном пространстве, примерно в четыре раза выше, чем на Марсе, где атмосфера и вещество поверхности обеспечивают существенную защиту (даже если не принимать дополнительные меры, такие как укрепление мешков с песком на крыше жилого модуля). Следовательно, доза радиации, полученная экипажем в миссии в противостоянии, скорее всего будет немного больше, чем во время миссии в соединении.

Несмотря на все сомнения по поводу радиации в полете на Марс, нужно понимать, что дозы, приведенные в табл. 4.1, особой угрозы не представляют. Если вдуматься, каждые 60 бэр радиации, полученные за длительный период времени, такой как многолетнее путешествие на Марс и назад, добавляют 1 % риска заболеть смертельной формой рака в будущем для женщины тридцати пяти лет, в то время как для тридцатипятилетнего мужчины аналогичная (по последствиям) доза составляет 80 бэр. Радиация – это не самый опасный фактор в пилотируемой марсианской миссии.

Таким образом, преимущества миссии в противостоянии иллюзорны, а вот недостатки реальны. Требования к реактивным двигателям для миссии в противостоянии возрастают, увеличивая массу аппарата и, следовательно, стоимость миссии. Сборка оборудования при такой огромной массе должна производиться на орбите, где невозможен полноценный контроль качества. Кроме того, масштабность и сложность такой сборки растут, тем самым увеличивая риск ошибок. Но и это еще не все. Для миссии в противостоянии потребуется больше топлива, чем для какой-либо другой, значит, двигатели будут работать дольше, что увеличивает риск их отказа из-за изношенности. Также растет время полета в один конец, значит, требуются более надежные системы жизнеобеспечения корабля (для миссии в соединении они должны гарантированно работать только 180 дней подряд; для миссии в противостоянии этот срок составляет 430 дней). Система жизнеобеспечения миссии в противостоянии также должна выдерживать перепады внешней температуры, вызванные тем, что по пути от Марса к Земле корабль пролетает мимо Венеры, где Солнце греет вдвое сильнее, чем у Земли. (Вот почему некоторые разработчики миссии в противостоянии говорят об этом маневре не «пролететь мимо Венеры», а «прожариться у Венеры».[20]) Наконец, когда корабль достигнет Земли, он войдет в атмосферу Земли намного жестче, чем более легкий космический аппарат для миссии в соединении. Возрастают силы, действующие на спускающийся корабль и экипаж при замедлении, а также увеличивается риск того, что в случае неудачного входа в атмосферу космический аппарат либо сгорит, либо оттолкнется от атмосферы, оставив экипаж в бездействии в межпланетном пространстве.

Но даже на фоне всех этих изъянов один недостаток выглядит особенно огромным и абсурдным: миссия в противостоянии даст практически нулевой результат. После шести месяцев пути длиной в 400 миллионов километров космический аппарат и экипаж проведут на Марсе всего тридцать дней. Проведя всего лишь месяц на орбите Марса, экипаж может надеяться в лучшем случае пробыть на поверхности две недели перед возвращением на Землю. А если погода на Марсе будет плохой, астронавты могут вообще не начать высадку. Вся миссия может оказаться бесполезной (вспомните, что «Маринер-9» после прибытия к Марсу вынужден был четыре месяца пережидать пылевую бурю). Я сравниваю план миссии в противостоянии с семейной рождественской поездкой на Гавайи: десять дней придется провести в пути, перелетая из одного аэропорта в другой, и еще половину дня – на пляже, если повезет с погодой. Проще говоря, план миссии в противостоянии – это просто глупая затея. Он донельзя увеличивает затраты и риск и сводит к минимуму научную результативность. Этот вариант поддерживают лишь те, кто хотел бы представить пилотируемый полет на Марс как несбыточную мечту, или те, кто пытается усложнить миссию в надежде получить финансирование для разработки новых реактивных двигательных систем. Те, кто действительно хочет достичь Марса, вообще не рассматривают всерьез миссии в противостоянии.

А вот миссии в соединении дают нам куда больше простора для выбора наиболее разумного варианта. План минимальных энергозатрат – самый дешевый, но план быстрого полета приводит к большей результативности, так как большая часть общего времени миссии будет потрачена на исследование Марса, а меньшая – на дорогу. Полет на Марс по короткой траектории в соединении резко уменьшает время, проведенное экипажем в невесомости, тем самым урезая возможные дозы радиации, и сводит к минимуму требования к надежности системы жизнеобеспечения на корабле. При этом, поскольку не предполагается, что миссия с минимальными энергозатратами, будет быстрой, корабль для нее можно сделать более тяжелым, с большим количеством резервных версий для различных критически важных для миссии систем: двигательной, управления и жизнеобеспечения. И если космический корабль для миссии с минимальными энергозатратами должен быть более надежным, чем для быстрой миссии, то сделать его таким поможет запас массы. (Космический корабль для миссии в противостоянии, который должен быть самым надежным, будет иметь наименьший запас массы, чтобы обеспечить надежность подсистем корабля и возможность их резервного дублирования.)

В данном случае нужно найти разумный компромисс между скоростью космического аппарата и возможностью резервного дублирования его ключевых систем. Но есть и дополнительное соображение. При определенных скоростях старта можно полететь на Марс по траектории, которая доставит корабль прямо назад, на Землю, если экипаж решит не лететь (или по какой-то причине не сможет лететь) вперед, чтобы выполнить маневр орбитального захвата на Марсе. Такие траектории известны как траектории свободного возвращения. Если система реактивных двигателей корабля полностью выйдет из строя во время полета с Земли на Марс или если миссию необходимо будет прервать по любой другой причине, то движение по таким траекториям позволит экипажу благополучно вернуться домой точно так же, как произошло в почти катастрофической миссии «Аполлон-13», где использовали траекторию свободного возвращения, чтобы добраться до Луны. Безопасность вылета к Марсу по такой траектории настолько очевидна, что вряд ли стоит рассматривать траектории несвободного возвращения для участка пути Марс – Земля, которые помогут в лучшем случае сэкономить тридцать дней. В таблице 4.2 мы перечисляем характеристики траекторий свободного возвращения для Марса. При скорости старта 3,34 километра в секунду и почти минимальной энергии (вариант А) полет до Марса занимает 250 дней, а полет с Марса на Землю займет три года (то есть два полуторагодичных орбитальных периода), что отлично подходит для грузового рейса, но не слишком хорошо – для пилотируемого полета. При скорости старта 5,08 километра в секунду (вариант В) сокращается транзит до Марса до 180 дней, а время полета по траектории свободного возвращения – до двух лет. Это явно лучший вариант для пилотируемой миссии. Во-первых, полет на Марс по траекториям свободного возвращения (варианты С и D) с большими затратами энергии приведет к гораздо большим затратам ракетного топлива в обмен на небольшое уменьшение времени полета. Во-вторых, облетать Марс придется делая большую петлю, а это приведет к тому, что экипаж потратит больше времени, чтобы добраться до дома, если придется, прибегнуть к свободному возвращению. В дополнение к этому высокоэнергетические варианты приведут к тому, что скорость аппарата при входе в марсианскую атмосферу будет слишком велика для безопасного торможения.

Возможность обеспечить свободное возвращение на Землю не является ключевым фактором в выборе траектории полета с Марса на Землю. Тем не менее уменьшение времени полета снижает шансы вернуться, если скорость старта превышает 4 километра в секунду. Чтобы двигаться намного быстрее, пришлось бы просто отказаться от части полезной нагрузки корабля и, таким образом, от критически важной дублированности его систем, при этом время полета снизилось бы почти незначительно.

Итак, мы выяснили, что наиболее удобными траекториями между Землей и Марсом во время пилотируемой марсианской миссии являются те, которые позволяют покинуть Землю со стартовой скоростью 5 километров в секунду (и не более) и покинуть Марс со стартовой скоростью около 4 километра в секунду. Для беспилотной грузовой миссии наиболее удобными будут траектории Гомана или вариант А с близкими к минимальным затратами энергии и стартовой скоростью 3,3 километра в секунду. И что же в итоге? Все это легко осуществить с использованием современных химических реактивных двигателей. От автора: ΔV, необходимое для миссии, и стартовая скорость миссии связаны, но это не одно и то же. Для интересующихся математические соотношения, связывающие их друг с другом, с удельным импульсом ракеты и массой миссии, приводятся в техническом разделе в конце этой главы.

Таблица 4.2. Траектории свободного возвращения между Землей и Марсом

Кто полетит?

После того как мы определили нашу траекторию, мы должны выбрать экипаж: кто полетит? Сколько всего человек?

Выражение «в тесноте, да не в обиде» отражает общую тенденцию, связанную с численностью экипажа для продолжительной миссии на Марс. Однако, так как размер экипажа определяет массу всех обитаемых модулей, двигательных установок и ракет-носителей, важно сделать его минимальным. К тому же, сколько резервных систем и вариантов прерывания ни включал бы в себя план миссии, мы должны понимать, что отправляем людей в опасную неизвестность. С этой точки зрения, чем меньше их будет на борту первой миссии, тем лучше. Наконец, как бы ни хотелось отправить в длительное путешествие большую группу астронавтов, достаточно изучить историю освоения Земли, чтобы понять: провести длительную экспедицию может один человек, два человека или любое другое число людей.

Тогда вопрос стоит переформулировать: сколько людей действительно необходимо для пилотируемой марсианской миссии? Иными словами, в ком мы действительно нуждаемся? Если миссии суждено провалиться, несомненно, наиболее вероятной причиной неудачи будет отказ одной или более критически важных механических и электрических систем (двигатели, управление, жизнеобеспечение). В таком случае самым важным членом экипажа будет механик, человек, от которого зависят жизни его коллег. Если угодно, можно назвать его бортинженером (он должен быть инженером вроде тех, что работали на старинных железнодорожных локомотивах или пароходах), но миссии нужен высококлассный механик, способный распознать проблемы до их возникновения и исправить все, что может быть исправлено. Эта работа настолько важна, что, несмотря на все ограничения, я бы порекомендовал взять двоих людей, способных ее выполнять.

Следующая наиболее важная для миссии роль – это обязанности ученого, работающего в полевых условиях. Помните, что исследования Марса являются сутью и смыслом пилотируемой миссии к Красной планете. Следующие по важности работники после тех, кто обеспечит путь на Марс и возвращение домой, – те, без кого не достичь исследовательских целей миссии. Поскольку нулевой научный результат будет фактически означать провал миссии, я снова рекомендую взять двоих ученых. Одного геолога – он займется разведыванием ресурсов и изучением геологической истории Марса, и одного биолога, который сосредоточится на особенностях Марса, способных прояснить вопрос о жизни на планете. Биолог также будет проводить эксперименты, чтобы определить химическую и биологическую токсичность марсианских веществ для земных растений и животных, а также пригодность местных почв для тепличных сельскохозяйственных работ.

Вот, собственно, и все. Если экипаж состоит из двух механиков и двух «ученых-полевиков», есть возможность разделить его на две группы, в которых никто не останется в одиночестве (один будет выезжать в поле на ровере, скажем, в то время, как другие остаются в базовом лагере). В этом случае всегда найдется кому починить неисправное оборудование и кому сделать научную работу. В людях, которые выполняют только особые функции, такие как «командир миссии», «пилот» или «доктор», нет необходимости. Разумеется, в экипаже миссии будет нужен кто-то, выполняющий обязанности командира, и человек, который может быть его заместителем, потому что в опасных ситуациях необходим человек, способный быстро принимать решения за всех, чтобы не устраивать голосования и обсуждения. Но для человека, который занят исключительно контролем над работой других, места нет. Аналогичным образом, на борту не должно быть человека, который отвечает только за пилотирование. Космический аппарат сможет совершить посадку в полностью автоматическом режиме, и навыки пилотирования окажутся полезны, разве что если вдруг откажет запасная система автоматизированного управления полетом – а это всего несколько минут за два с половиной года проведения миссии. Но в крайнем случае один или несколько членов экипажа могут пройти дополнительную подготовку – гораздо проще обучить пилотированию геолога, чем обучить пилота геологии. Наконец, врача на корабле не будет как такового. Великий норвежский исследователь Руаль Амундсен всегда отказывался брать врачей в свои экспедиции, заметив, что их присутствие пагубно сказывалось на моральном состоянии коллектива и что с подавляющим большинством медицинских проблем, которые возникают в экспедициях, опытные путешественники могут справиться сами. И если говорить честно, отбросив официоз, почти все космонавты ненавидят космических врачей. Вы бы на их месте тоже ненавидели: просто представьте, что во время выполнения тяжелой работы кто-то постоянно тычет в вас иголками, прикрепляет провода и ставит градусники. Всех членов экипажа обучат оказанию первой помощи, на борту работой терапевта займутся экспертные системы, а также можно будет получить медицинскую консультацию с Земли для диагностики легко излечимых заболеваний (ушных инфекций и тому подобного). Достаточно, чтобы среди членов экипажа был человек с опытом работы терапевтом или подготовкой фельдшера, а на борту имелся фельдшерский набор и запас антибиотиков широкого спектра действия. На роль такого человека, разумеется, хорошо подошел бы биолог. А вот иметь на борту первоклассного врача, который будет проводить свое время, читая медицинские статьи и оттачивая навыки по практической хирургии с использованием шлема виртуальной реальности, или хуже, мотая нервы коллегам углубленными обследованиями, – явное излишество.

Подводя итог в духе «Звездного пути», в пилотируемой миссии на Марс нужны два Скотти и два Спока. Капитан Кирк, Суду или Маккой не нужны, и что еще более важно, не придется обеспечивать их спальными местами и едой.

Мы можем достичь целей миссии с экипажем из четырех человек.

Прямой запуск

Все межпланетные миссии, проводившиеся до сих пор, осуществлялись «напрямую» – ракета-носитель поднимает космический корабль на НОО, а затем с помощью своей верхней ступени выводит его на траекторию к планете назначения. Так миссии «Маринер» и «Викинг» достигли Марса, так же корабли программы «Аполлон» достигли Луны. Но ни одна миссия не была отправлена за пределы НОО, чтобы поднять полезную нагрузку на обращающийся вокруг Земли космодром, с которого бы все это перенесли на свежезаправленный межпланетный лайнер, только что вернувшийся с Сатурна. Еще ни одна миссия за пределами НОО не выполнялась межпланетным кораблем, построенным в космосе. Из-за того что полет на Марс ассоциируется с такими футуристическими идеями, в умах множества людей пилотируемые исследования Красной планеты остаются чем-то из мира Будущего. Но если бы пилотируемый полет на Марс был бы осуществим путем прямого запуска, тогда мы могли бы это сделать. Если избавиться от космических лайнеров и космопортов, то полет человека на Марс перемещается из параллельной вселенной Будущего в нашу Вселенную. Если мы сможем осуществить прямой запуск, то 90 % того, что нам нужно для отправки людей на Марс, доступно уже сейчас.

Мы выбрали траекторию и размер экипажа. А сможет реально существующая тяжелая ракета-носитель не более чем за два последовательных запуска в рамках каждой миссии доставить на Марс все необходимое для четырех человек в соответствии с планом полета, который мы выбрали? Давайте посмотрим.

Ничего фантастического в тяжелых ракетах-носителях нет – США построили и эксплуатировали одну такую сорок пять лет назад. Ракета-носитель «Сатурн-5», которая отправила астронавтов программы «Аполлон» на Луну, была введена в эксплуатацию в 1967 году после пяти лет, потраченных на разработку и прослужила без отказов восемь лет до 1975 года, когда последняя рабочая ракета запустила американский модуль в рамках миссии «Союз – Аполлон». «Сатурн-5» мог поднять на НОО 140 тонн. Если мы хотим получить эквивалентную грузоподъемность сегодня, то надежным способом сделать это с «защитой от дурака» было бы повторное проектирование деталей и начало повторного производства «Сатурн-5». Однако есть и другие способы. Например, используя детали шаттла, можно произвести ТРН того же класса. Для этого нужно добавить блок из четырех главных двигателей шаттла (ГДШ) к нижней части внешнего топливного бака шаттла (ВБ), прикрепить два твердотопливных ракетных двигателя (ТРД) шаттла с какой-либо из сторон ВБ и разместить на вершине ВБ верхнюю ступень, работающую на смеси водорода и кислорода. Мы получим конструкцию ракеты-носителя «Арес», созданной Дэвидом Бейкером для миссии «Марс Директ». В зависимости от силы тяги, которую развивает двигатель верхней ступени, «Арес» может доставить на НОО от 121 тонны (при силе тяги в 250000 фунтов) до 135 тонн (при силе тяги в 500 000 фунтов). В России в 1980–1990-е годы существовала ТРН «Энергия», которую тоже нетрудно воссоздать. Продемонстрированная модель могла поднять на НОО только 100 тонн, но усовершенствованная конструкция, «Энергия-В», могла бы похвастаться грузоподъемностью в 200 тонн. За короткое время существования НИК НАСА разработало десятки проектов ТРН различных сортов с грузоподъемностью от 80 до 250 тонн. Проще говоря, если Соединенным Штатам нужна ТРН, то она обязательно будет.

Если на бумаге можно создать ракету-носитель любого желаемого размера, то в реальности все иначе. Были разработаны некоторые сверхТРН с грузоподъемностью в тысячу тонн (на НОО). Звучит великолепно, но старте такая ракета не оставила бы от Орландо (или по крайней мере от Космического центра имени Кеннеди) камня на камне. Поэтому давайте будем предельно осторожны в оценках и предположим, что Соединенные Штаты – современные – могут построить ТРН с грузоподъемностью не больше той, которой удалось добиться в 1960 году. Давайте ограничим грузоподъемность нашей ракеты 140 тоннами (на НОО) по аналогии с «Сатурн-5». Будет ли такой вариант достаточно надежен для прямого запуска «Марс Директ»?

Часть ответа на этот вопрос дана в табл. 4.3, где показано количество полезного груза, который будет доставлен на поверхность Марса одной ракетой-носителем, способной отправить на НОО 140 тонн, при условии что аппарат произведет маневр аэрозахвата в атмосфере Марса. Таблица дает информацию как для грузовых, так и для пилотируемых траекторий на участке Марс – Земля, а также для разных вариантов третьей ступени: для современного химического двигателя, работающего на смеси водорода и кислорода, с удельным импульсом 450 секунд, либо для ядерного ракетного двигателя, который будет разработан довольно скоро, с удельным импульсом 900 секунд.

Таблица 4.3. Доставка полезного груза на поверхность Марса с помощью ракеты-носителя тяжелого класса, способной вывести на НОО 140 тонн