Помоги проекту - поделись книгой:
Приведенные в табл. 4.3 показатели грузоподъемности рассчитаны исходя из предположения, что для выхода космического корабля в орбиту Марса используется атмосферное торможение. Это самый оптимальный способ выполнить орбитальный захват в миссии «Марс Директ», потому что вся полезная нагрузка предназначена для марсианской поверхности и поэтому в любом случае должна быть защищена обтекателем. Используя захват в атмосфере для проведения тормозного маневра, мы без усилий уменьшим используемую для разгона ΔV. Если бы вместо этого для торможения пришлось использовать ракетный двигатель, на поверхность Марса удалось бы доставить примерно на 25 % меньше груза. Если бы мы строили миссию согласно планам «90-дневного отчета» НАСА, использование атмосферы для тормозного маневра вызвало бы много технических трудностей. Торможение в атмосфере огромного звездного крейсера «Галактика» потребовало бы огромного обтекателя, который мог бы быть построен только на орбите, а это, как я уже отметил, безнадежная затея. Более того, для траекторий класса противостояния, используемых в «90-дневном отчете», предполагался действительно жесткий вход в марсианскую атмосферу, что увеличивало бы тепловую и механическую нагрузку на обтекатель. «Марс Директ» использует менее затратные по энергии траектории из класса соединения, для которых скорости входа более низкие и, следовательно, более низкие темпы нагревания, что приводит к значительному уменьшению сил аэродинамического торможения. Кроме того, космические аппараты, которые необходимо тормозить по сценарию «Марс Директ», относительно невелики, так что обтекатели для их защиты легко поместятся внутри головного обтекателя ракеты-носителя. Это может быть сделано одним из двух способов: либо с помощью растяжимого тканевого купола в форме зонтика, который складывается вокруг нижней части груза, как в оригинальном варианте «Марс Директ», либо заменой обтекателя ракеты-носителя жесткой, пулеобразной оболочкой, которая надевается на груз сверху. Оба варианта осуществимы, и в рамках миссии «Марс Директ» любой из них можно будет запускать сразу без необходимости сборки на орбите. Кроме того, требования к наведению, навигации и управлению при аэродинамическом торможении для корабля миссии «Марс Директ» ниже, чем в планах, предполагающих рандеву на орбите Марса, потому что по большому счету не важно, на какую именно орбиту аппарат попадает после захвата (после посадки данные об орбите будут стерты), до тех пор пока ее наклонение находится в пределах широких допусков, при которых есть доступ к назначенному месту посадки.
Для доставки полезной нагрузки мы также можем использовать принцип прямого входа. Как и при маневре аэродинамического торможения, полезная нагрузка замедляется при спуске не с помощью ракетного двигателя, а благодаря тому что атмосфера планеты оказывает аэродинамическое сопротивление ее движению. Однако между этими двумя подходами есть разница. При использовании маневра аэродинамического торможения космический корабль погружается в атмосферу планеты ровно настолько, чтобы замедлиться, а затем вновь выйти на нужную орбиту. В случае прямого входа космический корабль погружается глубоко в атмосферу, пока не погасит свою скорость, а затем переходит непосредственно к посадке. Аэродинамический захват считается лучшим вариантом для пилотируемой марсианской миссии потому, что в случае плохой погоды он позволяет экипажу при необходимости дождаться благоприятных условий для посадки на орбите. При прямом входе аппарат вынужден произвести посадку сразу после входа в атмосферу Марса. Тем не менее прямой вход был успешно использован при посадке на Марсе миссий «Пасфайндер», «Спирит», «Оппортьюнити» и «Феникс». Таким образом, накопился опыт, который может подтолкнуть разработчиков пилотируемой миссии на Марс также использовать этот маневр.
Однако в первую очередь важна полезная нагрузка, которую мы доставим на поверхность планеты. Если будут использованы химические двигатели, тогда беспилотная грузовая ракета-носитель, выводящая на НОО 140 тонн, может доставить на поверхность Марса 28,6 тонны, в то время как при самом быстром пилотируемом полете можно доставить на Марс 25,2 тонны. Реально ли разработать план пилотируемой миссии, уложившись в эти пределы массы? Если нельзя, мы всегда можем спроектировать более крупную ракету-носитель или наконец разработать ЯРД. Но давайте посмотрим, сумеем ли мы разработать миссию, имея в распоряжении только «Сатурн-5» и химические реактивные двигатели. Если у нас получится, то более продвинутые технологии или возможности двигательных установок и связанные с ними выгоды станут вишенкой на торте.
Продовольствие для экипажа
Достаточно ли нам имеющейся грузоподъемности? Что ж, давайте разберемся, какое продовольствие понадобится для миссии. В таблице 4.4 мы видим, какие продукты потребуются каждому члену экипажа ежедневно на каждом этапе миссии, а также их общее количество, необходимое для питания четверых астронавтов в каждом из двух жилых модулей, хабе (в котором экипаж будет жить во время полета с Земли на Марс и во время пребывания на поверхности Марса) и кабине ВЗА. Числа, приведенные в столбце «Необходимость/человек-день», являются стандартами НАСА (достаточно мягкими в отношении количества непитьевой воды, как вы можете заметить). Однако я заменил 0,13 кг/день обезвоженной пищи на 1 кг/день цельной пищи. Такая смешанная диета лучше повлияет на настрой экипажа во время длинной миссии, чем только обезвоженная пища, а стоимость миссии вырастет очень незначительно, так как влага, содержащаяся в цельных продуктах питания, послужит для восполнения потерь в системе рециркуляции питьевой воды. Для системы жизнеобеспечения экипажа предполагается довольно низкий КПД с физической и химической точки зрения, поскольку перерабатывает по 80 % кислорода и питьевой воды и 90 % технической воды (качество которой может быть более низким). Это намного проще и экономичнее, чем футуристические системы, основанные на экологии замкнутого пространства, где в теории пища, кислород и вода должны перерабатываться на 100 %.
Если вы умеете читать между строк, в табл. 4.4 вы сразу же обратите внимание на огромные преимущества, которые дают нам марсианские ресурсы. ВЗА будут производить не только горючее, но и большое количество воды и кислорода. Без маленького топливного завода на ВЗА нам пришлось бы доставить вместе с хабом дополнительные 7 тонн продовольствия. Получившиеся 14 тонн было бы очень трудно уместить, так как мы можем доставить на Марс только 25-тонный обитаемый модуль. Девять тонн воды, которые производятся каждым ВЗА, даже превышают требования НАСА, что должно хорошо сказаться на моральном состоянии тяжелоработающего экипажа на пустынной планете. По этим причинам в табл. 4.4 не упоминается доставка с Земли кислорода или воды. Мы также видим, что каждый хаб летит к Марсу с запасами пищи, рассчитанными на 800-дневную миссию, что дает более чем достаточное количество провизии для двухлетнего полета по траектории свободного возвращения, если высадку на Марс отменят. В этом случае экипаж в хабе будет вынужден эксплуатировать 5 тонн метаново-кислородного топлива из двигательной ступени, используемой при посадке на Марс, чтобы обеспечить себя дополнительными водой и кислородом (они не пригодятся в качестве топлива, если использовать траекторию свободного возвращения и затем маневр аэродинамического торможения в атмосфере Земли), и уменьшить использование непитьевой воды до 40 % от номинального уровня стандарта НАСА. Такие неудобства плохо повлияют на настрой экипажа, но их можно перетерпеть и выжить, а это единственное, что важно в случае аварийного прерывания миссии. Кроме того, в табл. 4.4 не показаны потери питьевой воды, потому что питьевая вода, потерянная из-за неэффективной рециркуляции, компенсируется водой, добавляемой к системе из цельной пищи.
Таблица 4.4. Требования по потреблению продовольствия для экипажа из четырех человек миссии «Марс Директ»
С учетом этих продовольственных требований можно назначить распределение массы для кабины ВЗА и хаба, оно представлено в табл. 4.5.
Таблица 4.5. Распределение массы для плана миссии «Марс Директ»
6,3 тонны водородного сырья из запаса полезной нагрузки ВЗА, показанного выше, после посадки будут преобразованы в 94 тонны метаново-кислородного топлива и 9 тонн воды. 82 тонны ракетного топлива из произведенных 94 тонн будут использованы для ракетных двигателей ВЗА, чтобы вернуть экипаж на Землю, а 12 тонн пойдут на заправку марсианских роверов с двигателями внутреннего сгорания. Если подсчитать только запасы воды и 12 тонн топлива для роверов и добавить их к массе других частей полезной нагрузки ВЗА, которые пригодятся на поверхности Марса (это кабина ВЗА с ее системами энергоснабжения и жизнеобеспечения, энергетический реактор, скафандры для внекорабельной деятельности (ВКД), легкий грузовик и т. д.), мы получим, что каждый ВЗА сможет доставить на поверхность Марса 36,5 тонны полезного груза. В распоряжении экипажа первой миссии будут два ВЗА (один доставят заранее для производства ракетного топлива, другой, резервный, запустят в тандеме с экипажем) и один хаб (который доставит на поверхность 24,7 тонны полезной нагрузки). В сумме это дает 97,7 тонны полезной нагрузки, которой экипаж будет пользоваться на поверхности Марса, – примерно в четыре раза больше, чем предполагалось в «90-дневном отчете» НАСА (начальная масса этой миссии более чем в два раза превышала бы массу нашей миссии). Полезная нагрузка, доступная экипажу на поверхности Марса, включает четыре герметизированных помещения, предназначенных для поддержания жизни: обитаемый модуль, два ВЗА и один ровер. То есть на случай перебоев в работе главной системы жизнеобеспечения хаба у экипажа останется несколько убежищ. Кроме того, у астронавтов будут 12 скафандров для ВКД, пять самоходных транспортных средств (герметизированный ровер, два открытых ровера и два легких грузовика), пять основных источников питания (два ядерных реактора на 80 кВт, три солнечные энергетические системы на 5 кВт каждая в обитаемом модуле и два ВЗА), пять резервных источников питания (двигатели на каждом из самоходных транспортных средств можно использовать, чтобы включить генератор),
Таким образом мы можем почти неограниченно и с пользой для дела накапливать избыточную надежность лагеря на поверхности Марса – по сравнению с тем, с чем имеет дело экипаж в полете. И это еще одна причина, по которой проектировщики марсианской миссии должны попытаться максимально увеличить время, проводимое экипажем на поверхности, и свести к минимуму продолжительность пути. Все полезные наработки миссии можно накапливать и применять после высадки. Если это будет сделано, то поверхность Марса станет вторым по безопасности местом в Солнечной системе.
Перестраховка или прекращение миссии?
В прошлом многие марсианские миссии были построены вокруг следующего сценария: за несколько дней до прибытия или, возможно, во время прибытия на Марс экипаж понимает, что экспедицию необходимо прервать. Важно не то, в чем причина, а то, как это сделать. Как астронавтам достичь убежища? Что ж, очевидно, они должны вернуться на Землю и, хотя они планировали долго пробыть на поверхности в рамках миссии в соединении, к счастью, они взяли с собой достаточно топлива для быстрого возвращения на Землю по траектории из класса противостояния. Они могут направиться с Марса к Земле, включив двигатели и осуществив пролет мимо Венеры. Экипажу не нужно ждать, когда откроется стартовое окно для выхода на траекторию Гомана, да и кто стал бы так поступать в чрезвычайной ситуации? Но давайте все же подумаем об этом. Часть расходов на планирование идет на разработку опций прерывания миссии, а это непростая задача. Во-первых, такие миссии требуют дополнительной полезной нагрузки, необходимой как для длительного пребывания на поверхности Марса, так и для длительного полета на Землю. Во-вторых, необходимо дополнительное топливо, чтобы отправить весь груз на очень затратную по энергии траекторию для противостояния. Трудно представить себе более дорогостоящий подход к проектированию миссии. Более того, если прерывание не понадобится, доставка всего дополнительного груза будет напрасной. Кроме того, возвращение по траектории для противостояния обрекает экипаж на непрерывное воздействие больших доз космической радиации (и, вероятно, невесомости) на протяжении полутора лет, солнечного излучения во время пролета через внутреннюю часть Солнечной системы и на очень высокие перегрузки при посадке на Землю. В общем, такое возвращение станет тяжелым испытанием для экипажа, и даже если он выживет, миссия будет полностью бесполезной с научной точки зрения.
В конечном итоге планы такого рода мало увеличивают эффективность миссий, но значительно увеличивают их массу и стоимость. К счастью, мы сможем решить, что делать в случае чрезвычайной ситуации, задав один основной вопрос: должна ли Земля быть единственным убежищем? Ответ: однозначное «нет». Вовсе не обязательно строить все планы прерывания миссии вокруг возвращения на Землю. Правильная стратегия – заранее создать убежище на поверхности Марса и в случае необходимости прекращать миссию, эвакуируя астронавтов туда. Экипаж, летящий на Марс, сможет добраться до такого убежища гораздо быстрее, чем до Земли, а значит, мы гораздо надежней обеспечим безопасность для астронавтов. В этом случае основной вариант прерывания миссии не нарушает план ее первой части, не налагает никаких ограничений по массе, а его активация по-прежнему позволяет миссии осуществиться. Есть и вторичные варианты прекращения миссии, которые не связаны с выполнением научных задач, но миссия не разрабатывается вокруг этих вариантов. Иными словами, вместо того чтобы строить миссию, основываясь на ее возможной отмене, мы готовим список резервных планов. Так решаются проблемы в «Марс Директ».
Давайте рассмотрим миссию с НОО, чтобы понять, какие возможности для экстренного прерывания или резервные планы доступны экипажу. Первым крупным событием миссии является запуск двигателя, который выведет корабль на траекторию по направлению к Марсу. Общая ΔV для выполнения этого маневра равняется 4,3 километра в секунду, корабль будет выведен на быструю траекторию для соединения с возможностью свободного возвращения за два года, экипаж долетит на Марс за 180 дней или около того. Тем не менее ΔV= 3,7 километра в секунду вполне достаточно, чтобы отправить астронавтов на Марс по 250-дневной траектории с минимальными затратами энергии. Поэтому, если двигатель удастся запустить по крайней мере при ΔV= 3,7 километра в секунду, экипаж будет отправлен на Марс, чтобы выполнить задачи миссии. Если двигательная установка на этапе отправки корабля на траекторию в сторону Марса не сможет обеспечить ΔV=3,3 километра в секунду – такая ΔV требуется, чтобы улететь из поля притяжения Земли, – космический аппарат останется на эллиптической околоземной орбите. В этом случае экипаж будет использовать собственную двигательную систему хаба, чтобы аккуратно сместить перигей (самую близкую к Земле точку) орбиты корабля вниз, в самые верхние слои земной атмосферы. После ряда витков удастся снизить апогей (самую далекую от Земли точку) орбиты до высот, куда может добраться многоцелевой пилотируемый корабль «Орион» (такие медленные маневры с применением аэродинамического торможения в атмосфере для смещения апогея были успешно предприняты кораблями «Магеллан» на Венере в 1994 году, «Марс Глобал Сервейор» на Марсе в 1997 году и всеми последующими марсианскими орбитальными аппаратами). Затем небольшой толчок от двигателей обитаемого модуля поднимет перигей орбиты аппарата за атмосферу Земли, делая орбиту круговой и стабилизируя ее. После этого экипаж можно вернуть на Землю (хотя спешки нет, припасов на борту хватит почти на три года). Если двигательная система, выводящая аппарат на траекторию к Марсу, выйдет из строя при ΔV между 3,3 и 3,7 километра в секунду, экипаж может вернуться на околоземную орбиту, используя для тормозного маневра двигательную систему хаба. Для коррекции курса во время полета, системы реактивных маневров на орбите Марса и посадки на Марс хаб может обеспечить ΔV = 0,7 километра в секунду, этого более чем достаточно, чтобы нейтрализовать максимальный избыток ΔV в 0,4 километра в секунду, который способен оставить экипаж бездействовать между Марсом и Землей. Все это, однако, лишь гипотеза. Правильно спроектированный разгонный блок для вывода аппарата на марсианскую траекторию должен содержать несколько двигателей, каждый из которых имеет надежность порядка 0,99. Вероятность того, что сразу два таких двигателя потерпят неудачу, составляет около 1 к 10 000, незначительная часть общего риска миссии.
После того как разгонный блок для вывода корабля на марсианскую траекторию успешно отработал и промежуточная коррекция курса была завершена, хабу предстоит встреча с атмосферой Марса. В течение первых 95 % полета от Земли к Марсу могут быть задействованы несколько вариантов прерывания миссии, в том числе возвращение по свободной траектории и управляемые гравитационные маневры. Однако, когда спускаемый аппарат выходит на траекторию для аэродинамического торможения в атмосфере Марса (как правило, за несколько дней до входа в атмосферу), шансы использовать траекторию свободного возвращения или управляемый гравитационный маневр для возвращения на Землю становится все более незначительными. В какой-то момент, когда до аэродинамического торможения остается от нескольких часов до одного дня, возможность прервать миссию исчезает полностью. Но рано или поздно придется принимать окончательное решение, и не стоит пренебрегать тем фактом, что свободное возвращение возможно в течение первых 175 дней 180-дневного полета. Поскольку во время миссии «Марс Директ» орбитальное рандеву не требуется, точность орбиты захвата не важна до тех пор, пока ее наклон позволяет высадиться в выбранном районе (то есть больше или равен широте желаемого места посадки). Следовательно, после выхода на околомарсианскую орбиту экипаж сможет спуститься на поверхность к форпосту – то есть к первому запущенному ВЗА. Поскольку снижаются требования к точности аэродинамического захвата на орбите, снижаются и требования к точности наведения, навигации и управления, а значит, маневр торможения в атмосфере для миссии «Марс Директ» выглядит наиболее привлекательным. В случае неудачи, если хаб не будет захвачен атмосферой Марса, экипаж может использовать реактивные двигатели посадочного модуля (дающие скорость до 700 метров в секунду), чтобы увеличить эффективность маневра аэродинамического торможения. Теперь экипаж может оказаться не в состоянии спуститься на поверхность в жилом модуле, но корабль уже будет выведен на околомарсианскую орбиту. В распоряжении астронавтов две возможности. Первая: 600 дней остаться на орбите и ждать встречи с одним из ВЗА (самым первым или тем, который следовал за ними на Марс, любой ВЗА можно направить к обитаемому с помощью дистанционного управления), затем пересесть в ВЗА и вернуться на Землю. Во-вторых, астронавты могут подождать всего 90 дней или около того на орбите Марса, пока прилетит ВЗА, который был отправлен вслед за ними, а затем состыковаться с ним до его посадки. У экипажа будет возможность забрать некоторое количество топлива с ВЗА в жилой модуль, тем самым обеспечивая посадку жилого модуля (но жертвуя ВЗА). Или же астронавты переберутся в ВЗА и высадятся на Марс в нем, оставив хаб на орбите. Это можно сделать сразу после стыковки в том случае, если на Марсе уже будет другой жилой модуль. Тогда астронавты продолжат исследования на поверхности планеты, начатые предыдущим экипажем. Если речь идет о первых астронавтах миссии «Марс Директ», то они могут отложить посадку и провести большую часть экспедиции на орбите Марса (где в их распоряжении будут просторные помещения на борту хаба и большой запас продовольствия), а затем осуществить кратковременную высадку на поверхность, используя два ВЗА как базу.
Однако, чтобы в чрезвычайной ситуации найти убежище на поверхности Марса и успешно завершить миссию, туда нужно сначала добраться. По этой причине, выполняя маневр торможения в атмосфере, лучше опуститься в нее слишком глубоко, нежели рисковать вылететь в межпланетное пространство. Так как в миссии «Марс Директ» не требуется выводить корабль на неустойчивую сильно вытянутую эллиптическую орбиту (как принято в традиционных миссиях – поскольку, чтобы покинуть ее, нужно меньше топлива), корабль можно направить на более надежную слегка эллиптическую или круговую орбиту вокруг Марса, с которой почти невозможно сойти. Если корабль войдет в атмосферу слишком глубоко, чтобы оказаться на стабильной орбите, экипаж может просто осуществить посадку хаба. В конце концов, план так или иначе сводится к посадке на поверхность Марса.
То, что рандеву на орбите Марса перед спуском не потребуется, делает миссию гораздо безопаснее, поскольку пропадает необходимость безукоризненно провести маневр торможения в атмосфере, который мог бы закончиться плачевно. Однако в «Марс Директ» мы заменили орбитальное рандеву на «встречу» на поверхности планеты. Как насчет этого? Что ж, давайте разбираться. План «встречи» на поверхности также предусматривает несколько резервных возможностей, призванных обеспечить успех миссии. Прежде всего, ВЗА будет на месте за два года до прибытия экипажа, получая возможность развернуть роботизированные передвижные транспортные средства, чтобы заранее дать исчерпывающую характеристику места встречи, а также поместить ретранслятор в непосредственной близости от наилучшего места посадки. На ВЗА также будет установлен радиомаяк, похожий на систему сигнализации для посадки в аэропорту, что даст экипажу точные данные о положении и скорости при заходе на посадку. Стоит помнить, что оба спускаемых аппарата миссии «Викинг» высадились в пределах 30 километров от предполагаемых мест без активного управления, а пилотируемые лунные спускаемые аппараты миссии «Аполлон» смогли приземлиться в 200 метрах от выбранного места, где находился аппарат «Сервейор». Система наведения с обратной связью и направляющий радиомаяк позволят осуществить посадку в пределах нескольких метров от заданного места. Тем не менее, если посадка будет проведена с ошибкой в десятки и даже сотни километров, «встреча» на поверхность останется благодаря привезенному в жилом модуле роверу, который способен преодолевать расстояния до 1000 километров. Так как экипаж прибыл в полностью оснащенном жилом модуле, а не в маленьком спускаемом аппарате с ограниченным запасом продуктов, астронавты смогут продержаться долго, если высадятся в изолированном месте. На этот случай есть третий и четвертый запасные сценарии. Согласно третьему, если модули окажутся друг от друга на расстоянии, сравнимом с размерами Марса, второй ВЗА, следующий на Марс за пилотируемым хабом (с разницей в несколько месяцев), можно отправить к его посадочной площадке. Четвертый вариант предполагает, что экипаж высадится на Марсе в хабе с достаточным количеством запасов, чтобы прожить на поверхности Марса два года. Если ничего не поможет, астронавты могут просто перетерпеть и дождаться, когда на Земле откроется следующее окно запуска и к ним отправят дополнительное продовольствие и еще один ВЗА.
Поскольку в плане «Марс Директ» для взлета с Марса используется топливо, произведенное на месте, вариант прерывания миссии на этапе спуска в атмосферу Красной планеты не предусмотрен. Если спуск начнется, обратного пути не будет. Тем не менее чрезвычайно сомнительно, что любой посадочный модуль, заправленный для взлета с Марса, действительно сможет успешно подняться на орбиту, отталкиваясь от края плотных слоев атмосферы и трясясь со сверхзвуковыми скоростями. (Такой маневр потребовал бы пролета поднимающегося модуля
Как уже говорилось в предыдущем разделе, миссия «Марс Директ» концентрирует все свои активы на поверхности Марса, а не на орбите, и все системы, необходимые экипажу для 600-дневного пребывания на поверхности, многократно продублированы, а степень надежности увеличивается по мере того, как на Марс прибывают новые обитаемые модули. Когда придет время возвращаться на Землю, у астронавтов на поверхности Марса будут два готовых ВЗА, каждый из которых способен доставить их домой без какой-либо помощи извне, причем оба можно проверить вручную перед вылетом. Это радикальное улучшение по сравнению традиционным планом миссии. Тот предполагает, что экипаж должен подняться с поверхности Марса на единственном доступном для этих целей аппарате, чтобы осуществить критически важную для миссии стыковку с материнским кораблем, который, возможно, прождал на орбите уже полтора года, при этом никто не заботился о продовольствии и запчастях для ремонта. Астронавты миссии «Марс Директ» могут лично проверить свой ВЗА, прежде чем полететь на нем, и у них в базовом лагере есть все необходимые ресурсы для ремонта или корректировки. В случае если оба ВЗА окажутся в плохом состоянии, астронавты могут просто терпеливо ждать несколько месяцев на марсианской базе, пока еще один хаб, загруженный продовольствием, и еще один ВЗА не прибудут согласно расписанию. Да, в таком случае людям придется прожить на Марсе на два года дольше, чем планировалось, но это значительно лучше, чем погибнуть.
Варианты с усовершенствованными технологиями
Используемая в плане «Марс Директ» система транспортировки, о которой в этой книге рассказывалось до сих пор, может быть создана с использованием уже существующих технологий: «Сатурн-5» или эквивалентная по грузоподъемности ТРН, химические реактивные двигатели и т. д. Но, конечно, если появятся более совершенные технологии, план следует откорректировать, чтобы воспользоваться ими. Хотя сейчас предлагаются многие формы передовых космических транспортных систем – среди ярких примеров можно назвать ядерный и солнечный электрический (ионный) двигатели, солнечные и магнитные паруса, ракеты на энергии термоядерного синтеза и даже антивещества, – лишь немногие из этих систем могут быть разработаны к моменту первого пилотируемого полета на Марс. Это ядерные ракеты (ЯР) и тесно с ними связанные в технологическом плане солнечные тепловые ракеты (СТР), которые могли бы заменить ракеты с химическими реактивными двигателями в качестве космических транспортных средств, и ракеты, выходящие на орбиту благодаря работе одноступенчатого двигателя (РОСД), которые могли бы заменить одноразовые многоступенчатые ТРН для запуска с Земли. То есть нельзя сказать, что ионные ракетные двигатели, магнитные паруса, термоядерные ракетные двигатели и другие передовые системы никогда не появятся. Напротив, вероятно, именно на них будет держаться лет через сто сфера коммерческих межпланетных перевозок. По этой причине мы рассмотрим перечисленные новшества позже в одной из следующих глав этой книги, когда речь пойдет о более футуристических аспектах колонизации Марса. Однако точно так же, как Колумб не уплыл бы очень далеко, если бы дожидался появления пароходов или самолетов «Боинг-747», так и первому поколению исследователей Марса придется рассчитывать на более примитивные технологии по сравнению с теми, что будут доступны путешественникам следующих поколений. Колумб пересек Атлантику на кораблях, предназначенных для средиземноморского и атлантического прибрежного судоходства. Только после того как в Америке выросли европейские форпосты, появились технологии, позволившие перейти от довольно простых судов, использованных Колумбом, к трехмачтовым каравеллам, клиперам, океанским лайнерам и самолетам. Аналогичным образом обустройство поселений на Марсе подстегнет создание более совершенных космических двигательных установок. По этой причине до сих пор мы рассуждали о полетах на Марс, полностью полагаясь на современное первобытное состояние космических технологий. Это консервативный подход. Но есть технологии, которые потенциально могут быть взяты на вооружение в относительно близком будущем, что могло бы значительно повысить эффективность миссии или сократить издержки. Давайте поговорим об этом подробней.
Ядерные и солнечные электрические ракеты – наиболее вероятные претенденты на то, чтобы заменить собой химические ракеты. Идея таких систем очень проста. Источником тепла является либо ядерный реактор, либо параболическое зеркало для фокусировки солнечных лучей. Жидкость нагревается до очень высоких температур, превращаясь в ультрагорячий газ, который затем вырывается из сопла ракеты, создавая тягу. Другими словами, тепловая ракета – это просто летающий паровой котел. Производительность таких систем ограничена главным образом максимальной температурой, которую может выдержать материал двигателя, и, как полагают, она близка к 2500 °C. Самая высокая скорость истечения и, следовательно, максимальный удельный импульс, получаемый такой ракетой, будут обеспечиваться топливом, имеющим минимально возможную молекулярную массу. Поэтому предпочтение отдается водородному топливу. ЯР или СТР с использованием водородного топлива может достичь удельного импульса в 900 секунд (скорости истечения в 9 километров в секунду), это вдвое больше, чем у лучших водородно-кислородных химических ракетных двигателей.
Такие тепловые ракеты – это не просто теория. В 1960 году в США разрабатывали программу под названием NERVA (сокр. от nuclear engine for rocket vehicle applications, что переводится как «ядерный двигатель для применения в ракете-носителе»), в рамках которой построили и провели наземные испытания около десятка модификаций ядерных ракетных двигателей, развивающих от 10 000 до 250 000 фунтов тяги. Эти двигатели действительно работали и действительно давали удельные импульсы более 800 секунд, что превосходит самые смелые мечтания любого разработчика химических ракет. Вернер фон Браун планировал использовать ЯР в качестве двигательных установок для пилотируемого полета на Марс, который НАСА надеялось осуществить после миссии «Аполлон» в начале 1980-х годов. Но, когда администрация Никсона отменила марсианские планы НАСА, программа NERVA тоже пошла прахом. Двигатели никогда не проходили полетных испытаний, а наземные полигоны остались ржаветь. Многие ветераны программы NERVA все еще работают где-то рядом, хотя большинство из них уже вышли на пенсию. Даже сейчас, когда я пишу эту главу, их бесценный опыт по работе с такими системами испаряется. Тем не менее теперь мы знаем, что их возможно создать.
В период, когда ИИК еще была жива, группа сотрудников НАСА во главе с идейным вдохновителем (но не руководителем) доктором Стэном Воровски из Космического исследовательского центра имени Льюиса НАСА (теперь он носит имя Гленна) в Кливленде предприняла попытку возродить американскую программу исследования и разработки ЯРД. Эта попытка, которую я энергично поддержал, столкнулась со многими препятствиями в политической среде, не последним из которых был тот факт, что чрезмерная оценочная стоимость ИИК убедила Конгресс не тратить ни копейки ни на что, с ней связанное. Также были и другие проблемы. В 1960-е годы движение против ядерной энергетики еще не оформилось в серьезную политическую силу, и испытания ЯРД под открытым небом были обычной практикой, при этом потенциально радиоактивный выхлоп извергался прямо в воздух полигона в Неваде. Сейчас ничего подобного не разрешили бы. Современные испытания ЯРД должны проходить внутри закрытых объектов, содержащих поглотители, которые устранят все радиоактивные продукты из выхлопных газов перед выпуском их в окружающую среду. В зависимости от размера ЯРД полигон может быть очень большим и стоить очень дорого – порядка миллиарда долларов, а также необходимы разрешения экологов, которые способны задержать проведение программы на многие годы. Был потрясающий полигон под названием LOFT, уже сертифицированный Национальной инженерной лабораторией Айдахо, который при незначительных изменениях можно было бы использовать для тестирования
По этой причине я и еще несколько человек долго и яростно отстаивали этот вариант. Тем не менее в начале 1990-х годов, когда дискуссия была в разгаре, НАСА еще не приняла «Марс Директ», а ЯРД с 15 000 фунтами тяги был слишком мал, чтобы запустить звездный крейсер «Галактика» к Марсу. То есть из-за громоздкого проекта миссии, предложенного планировщиками из НАСА, считалось, что нужны двигатели с тягой в диапазоне от 75 000 до 250 000 фунтов. Более того, многие из людей, сплотившихся тогда вокруг Воровски, были представителями учреждений, руководство которых надеялось получить огромные деньги для работы по строительству нового гигантского испытательного стенда, и поэтому они оказывали на Воровски соответствующее давление. К тому же начальники Воровски по программе ЯРД были чиновниками из НАСА, которые в целом поддерживали идею сделать разработку большого ЯРД долгосрочной программой и, следовательно, не одобрили бы любой ускоренный и более дешевый проект. Поэтому в конце концов сторонники большого двигателя победили. НАСА мешкало с ИИК, составив план программы ЯРД на 6 миллиардов долларов, причем для применения ЯРД исключительно к НИК, с большими полигонами и срок разработки в двенадцать лет. Когда ИИК отменили, то же сделали с ЯРД. После того как программа была прекращена, крысы бежали с корабля, оставив Воровски бороться за начало программы по небольшим ЯРД. С тех пор все приостановлено.
Я считаю, что мы могли бы запустить программу небольших ЯРД и произвести готовые к полету двигатели с 15 000 фунтами тяги и удельным импульсом в 850 секунд в течение четырех лет при стоимости от 500 миллионов до 1 миллиарда долларов. Эти оценки основаны на детальных обсуждениях и исследованиях, проведенных совместно с ветеранами NERVA и другими специалистами, работающими в этой отрасли в нескольких национальных лабораториях. Стоимость будет немаленькой, однако она сравнима со стоимостью одного запуска шаттла, и это позволило бы создать целый ряд новых космических возможностей для страны. Поскольку такой двигатель имеет широкую сферу применения, его разработка была бы мудрым решением независимо от того, планируем ли мы отправлять людей на Марс или нет.
Однако нельзя отрицать, что запустить программу ядерных космических ракет – трудная задача на сегодняшний день. Если исходить из того, что синица в руке лучше, чем журавль в небе, то можно понять, почему группа инженеров из лаборатории «Филлипс» ВВС США в Альбукерке, Нью-Мексико, выдвинула предложение по разработке солнечных тепловых ракетных систем. СТР – старая концепция, которая впервые была предложена ветераном разработки немецкой ракеты «Фау-2» Краффтом Эрике в 1950 году, но она так и не была запущена. Источником энергии для СТР служит собранный зеркалом солнечный свет, тем самым устраняя необходимость в ядерном топливе, но из-за проблем со сбором солнечного света (нужны зеркала больших площадей) и получаемой благодаря ему энергии трудно сделать СТР с тягой более 100 фунтов. Более того, по понятным причинам система совершенно неэффективна во внешней Солнечной системе. Поскольку тяга очень ограничена, СТР нельзя использовать для космических аппаратов миссии «Марс Директ» на пути от НОО до выхода на расчетную марсианскую траекторию. Но двигатель СТР может быть использован в длительной (до нескольких недель) серии маневров, известных как «толчок в перигее», во время которых двигатель включают примерно на тридцать минут каждый раз, когда космический корабль проходит самую низкую часть своей орбиты. Это позволило бы поднять космический корабль «Марс Директ» с НОО на вытянутую эллиптическую орбиту для того чтобы вскоре улететь от Земли. С этой орбиты космический аппарат полетит на Марс благодаря краткому включению химического двигателя, в то время как ступень с СТР двигателем будет либо отстрелена как отработавшая, либо вернется обратно на НОО, чтобы поднять на нужную высоту другой космический корабль. Поскольку для СТР ΔV, необходимая, чтобы поднять космический аппарат почти до выхода из поля притяжения Земли, составляет около 3,1 километра в секунду, а общая ΔV для выхода на траекторию к Марсу составляет от 3,7 (для груза) до 4,3 километра в секунду (для экипажа), СТР обеспечивает от 72 до 83 % работы двигателя для выхода на траекторию к Марсу. Таким образом, преимущества, предлагаемые СТР, сравнимы с возможностями ЯРД, хотя у СТР они несколько скромнее.
Чем эти системы могут быть полезны для «Марс Директ»? Как мы видели, они не будут использоваться для быстрых полетов на Марс. Если не вдаваться в подробное описание футуристических двигательных систем (двигатели на энергии термоядерного синтеза, антивеществе и т. д.), для которых не используются баллистические траектории, для доставки людей на Марс лучше всего подойдет двухлетняя траектория свободного возвращения, по которой корабль долетит до Марса примерно за 180 дней независимо от того, какая двигательная система используется. Но СТР или ЯР полезны тем, что позволят нам для одной и той же стартовой массы аппарата взять намного больше полезной нагрузки. Как мы уже видели, использование ЯР позволяет доставить на Марс на 60–70 % больше полезной нагрузки, чем в случае водородно-кислородного химического двигателя, который используют, чтобы выйти на траекторию к Марсу. СТР позволила бы увеличить полезную нагрузку примерно на 40–50 % по сравнению с химическими двигателями. Поэтому, если мы используем ту же ракету-носитель с грузоподъемностью 140 тонн к НОО, что мы выбрали для нашей миссии с химическими реактивными двигателями, ЯР или СТР позволит расширить численность экипажа до шести человек (три механика, три ученых для полевых работ, но никаких врачей!) и даст более широкий диапазон масс для всех возможных компонентов миссии.
Альтернативный вариант использования превосходных разгонных возможностей этих систем – уменьшение размера требуемой ракеты-носителя при сохранении всего распределения полезной нагрузки. Вместо ракеты-носителя с «нормой» в 140 тонн, выводимых на НОО, для запуска миссии можно использовать ракету-носитель грузоподъемностью от 85 (для ЯР) до 100 тонн (для СТР) в расчете для НОО. Первый показатель совпадает с грузоподъемностью «Шаттла Си» (в общем-то эта комплектация отличается от стандартного шаттла тем, что вместо орбитального ракетоплана размещается полезная нагрузка, такую ракету НАСА, по собственным оценкам, сможет разработать гораздо быстрее, чем носитель класса «Сатурн-5»). Последнее число (100 тонн) – это грузоподъемность российской ракеты-носителя «Энергия», хотя сравнительно узкий отсек ее головного обтекателя следовало бы расширить для размещения объемного водородного топлива, которого потребуется меньше для вариантов миссии с ЯР или СТР.
Но не исключено, что миссию можно провести вообще без тяжелой ракеты-носителя. В 1990-х годах Соединенные Штаты начали очень амбициозную программу разработки полностью многоразовой ракеты-носителя с одноступенчатым двигателем, способной выйти на орбиту Земли. Вдохновителями этой программы были «космические провидцы» Гэри Хадсон и Макс Хантер. Толчок ее развитию дала успешная демонстрация компактной суборбитальной многоразовой ракеты («Макдоннелл Дуглас DC–X») в рамках программы, разработанной на скорую руку под эгидой команды полковника Питера Уордена из организации противоракетной обороны. (Билл Гаубатц, руководитель программы DC–X, подготовил ракету к демонстрации за 60 миллионов долларов – вспомните эту цифру, когда вам скажут, что задуманный вами проект будет стоить 10 миллиардов долларов, а его разработка затянется навечно.) Проект, позже переданный НАСА и переименованный в Х-33, столкнулся со многими техническими препятствиями, потому что в случае использования водородно-кислородного ракетного двигателя (во всех вариантах конструкции Х-33) РОСД должна иметь сухую массу, равную только 10 % от ее массы в полностью заправленном состоянии. Этого очень сложно добиться, так как водородное топливо крайне неудобно в перевозке и транспортное средство должно иметь систему тепловой защиты, которая способна выдержать повторный вход в атмосферу (одноразовые ракеты могут иметь более тонкую и хрупкую обшивку). Для того чтобы сделать РОСД работоспособными, придется применять технологии, пока находящиеся за пределами наших познаний: нам нужны легкие строительные материалы, двигатели и системы тепловой защиты. Но нет никакой гарантии, что удастся достигнуть требуемых показателей, и фактически программа Х-33 изжила себя и была отменена, когда ее главный подрядчик, «Локхид Мартин», не смог в срок выполнить поставленные задачи, уложившись в рамки допустимого бюджета. Тем не менее можно было бы снова предпринять активные усилия на национальном уровне, ведь американская изобретательность редко подводила при адекватном финансировании и уверенности в том, что проблема будет решена. Давайте предположим, что программа оказалась успешной. Что полезного она принесла бы миссии «Марс Директ»?
Что ж, для того чтобы РОСД действительно были полезны для миссии «Марс Директ», хотелось бы иметь версию двигателей, которые способны одновременно работать и на смеси водорода и кислорода, и на смеси метана и кислорода. (Было бы хорошо, если бы РОСД могла работать сразу и только на метаново-кислородном топливе. По словам лидера программы РОСД Макса Хантера, такой двигатель столь же перспективен для применения в РОСД, как и водородно-кислородный. Большая плотность метанового топлива позволяет использовать более компактные и, следовательно, более легкие баки, компенсируя тем самым меньший удельный импульс по сравнению с водородом.) В этом нет ничего невозможного. Двигатели «Пратт энд Уитни RL-10», которые предназначены для работы на смеси водорода и кислорода, были успешно испытаны на стенде с использованием метаново-кислородного топлива. Кроме того, есть информация, что некоторые российские технологии позволяют запускать двигатели, предназначенные для смеси водорода и кислорода, с керосином и кислородом, хотя этот вид топлива менее удачен, чем трехкомпонентный вариант: водород, метан и кислород (потому что метан гораздо больше похож на водород, чем керосин).
Хорошо, предположим, что это нам нужно. РОСД имеет сухую массу 60 тонн, несет 600 тонн ракетного топлива (86 тонн водорода и 514 тонн кислорода) и может доставить на НОО полезную нагрузку в 10 тонн. То есть мы запускаем одну такую ракету с 10 тоннами полезной нагрузки, необходимой для марсианской миссии, и оставляем ее на орбите. В результате серии из более чем двадцати дополнительных рейсов РОСД мы доставляем на НОО еще 200 тонн ракетного топлива к орбитальной РОСД вместе с дополнительными 30 тоннами полезного груза. (Этот груз включает в себя 20 тонн жидкого водорода, который не сгорит в качестве топлива во время полета, а будет использован как водородное сырье для производства марсианского топлива. Его по-прежнему можно хранить вместе с остальными запасами водорода в топливных баках.) Итак, теперь у нас есть обращающаяся вокруг Земли РОСД, загруженная 40 тоннами груза и достаточным количеством топлива, чтобы отправить корабль к Марсу по траектории минимальной энергии. Назовем этот космический аппарат «ВЗА/РОСД 1». Ракета устремляется к Марсу, чтобы провести маневр аэродинамического торможения в его атмосфере и высадиться на планету с полным грузом, перевезенном на обычном для «Марс Директ» ВЗА (любая РОСД, предназначенная для спуска в атмосферу Земли, имеет более чем достаточную тепловую защиту чтобы пройти через атмосферу Марса). Как и в стандартной версии плана «Марс Директ», теперь будут запущены реактор и химический завод, чтобы превратить 20 тонн привезенного водорода в 332 тонны двухкомпонентного топлива из метана и кислорода (320 тонн для полета на Землю и 12 тонн для заправки роверов) и 9 тонн воды. (Придется произвести больше метана и кислорода, чем в стандартном варианте «Марс Директ», потому что РОСД имеет одну ступень, в то время как ВЗА «Марс Директ» является двухступенчатым аппаратом и содержит сравнительно массивные конструкции, необходимые для многоразовых операций. У каждой из них свои требования к топливу.) В это время еще одна РОСД поднимается на НОО с 10 тоннами груза. В ходе серии из 24 дополнительных полетов другой РОСД в первую загружаются еще 20 тонн полезного груза, дополнительные 220 тонн ракетного топлива, а в результате последнего полета – экипаж. Эта РОСД, или «хаб/РОСД 1», теперь уже с экипажем, 30 тоннами груза и достаточным количеством топлива, готова отправить аппарат на Марс по быстрой траектории для соединения за 180 дней. Предположим, что загрузка второй РОСД закончится незадолго до открытия стартового окна с Земли на Марс. В это время на поверхности Марса завершается заправка первой РОСД, и экипаж может стартовать к Марсу. Прибыв на Красную планету через 180 дней, он встречается на поверхности с ВЗА/РОСД 1. Вскоре после прибытия экипажа на место прибывает вторая беспилотная грузовая РОСД, ВЗА/РОСД 2, и начинает производить топливо для следующего пилотируемого полета (или же при необходимости выступает для экипажа хаба/РОСД 1 запасным вариантом), как и в стандартной последовательности этапов миссии «Марс Директ». Экипаж остается на поверхности в течение 600 дней, а затем оставляет свой хаб/РОСД 1 на поверхности и летит в ВЗА/РОСД 1 обратно на Землю. Вскоре после того как он покинет Марс, на базу прибудет другая РОСД (хаб/РОСД 2) с командой из четырех астронавтов, чтобы продолжить исследование Марса. Их будет сопровождать другая беспилотная РОСД, возвращаемая на Землю, ВЗА/РОСД 3. Экипаж хаба/РОСД 2 вернется на Землю в ВЗА/РОСД 2, и так далее, последовательность миссий может продолжаться таким образом сколь угодно долго, причем каждая миссия добавит к марсианской очередной хаб/РОСД. Все РОСД, не остающиеся на Марсе, вернутся на Землю для повторного использования, что делает план потенциально высокоэкономичным.
Заметим, что каждая пилотируемая марсианская миссия, проведенная по этому сценарию, потребует в общей сложности 49 рейсов РОСД. Это было бы совершенно нелепо, если бы РОСД эксплуатировались аналогично существующим ракетам-носителям – с частотой запусков около одного в месяц. Однако если сторонники РОСД приложат усилия, то эти ракеты можно было бы запускать как самолеты, быстро возвращая их на Землю, чтобы частота полетов выросла хотя бы до нескольких раз в неделю. План, по всей вероятности, жизнеспособный. Однако этот подход очень высокотехнологичен. Помимо требований к производительности и эксплуатационным качествам РОСД, которые до сих пор не достигнуты, необходимо, чтобы и жидкий кислород, и жидкий водород можно было бы перемещать из одного орбитального РОСД в другой в условиях невесомости. Сейчас и жидкий кислород, и жидкий водород являются криогенными (ультрахолодными) жидкостями, и перемещение таких жидкостей в условиях микрогравитации из одного бака в другой еще никогда не проводили. Эта операция чревата проблемами. В эластичном баллоне криогенные жидкости замерзнут, а насосы не будут работать, потому что в невесомости нет никакого способа заставить жидкость двигаться к точке всасывания (насос втянет небольшой объем и остановится, потому что новая жидкость к нужной точке не потечет). Можно было бы привести бак в движение, медленно ускоряя транспортное средство ракетными двигателями или разместить их на вращающейся платформе, также предлагались капилляры и другие устройства, которые используют поверхностное натяжение жидкости, чтобы управлять ее движением. Кроме того, по меньшей мере для кислорода существует возможность контролировать движение жидкостей с помощью магнитов. (Жидкий кислород – парамагнетик, его можно притянуть магнитом.) Короче говоря, пока ситуация не безнадежна, но нужно проделать большую работу, чтобы на этот план можно было положиться.
К настоящему моменту я склоняюсь к старомодному варианту «Марс Директ» с одноразовыми ТРН, химическими реактивными двигателями, роверами, запряженными лошадьми (ну, не совсем), и остальными примитивными атрибутами наших нынешних Темных веков освоения космоса. Возможно, существуют более удобные способы добраться на Марс, и, когда они окажутся доступны, мы будем их использовать. Но, скорее всего, этого не произойдет до тех пор, пока мы не начнем использовать то, что имеем сейчас, чтобы попасть на Марс и сдвинуться с мертвой точки. Что морские волки говорят о тех, кто покорил семь морей? Железные люди и деревянные корабли, а не деревянные люди и железные корабли. То же применимо и к Марсу.
Мы можем долететь на Марс, используя то, что у нас есть сейчас.
ΔV и гиперболическая скорость
В этой главе я много говорил о ΔV и гиперболической скорости. Это два различных понятия, но они взаимосвязаны.
Изменение скорости, или ΔV, измеряется в единицах скорости, таких как километры в секунду (км/с), и является фундаментальным понятием ракетостроения. Если у вас есть космический корабль с известной сухой массой М (то есть без топлива), определенное количество топлива, Р, и ракетный двигатель со скоростью истечения С, следующее уравнение, известное как «ракетное уравнение», показывает, насколько большую ΔV может произвести система:
(М + Р)/М = exp(ΔV/C) (1)
Величина (М + Р)/М, известная как «отношение масс» аппарата, возрастает по экспоненте пропорционально ΔV/C. Если ΔV/C = 1, то отношение масс равно
Кстати, если вам интересно, вы можете получить скорость истечения для ракеты в метрах в секунду путем умножения ее удельного импульса, Isp, на 9,8. Если вы хотите получить С в километрах в секунду, умножайте Isp на 0,0098.
С (м/с) = 9,8Isp
С (км/с) = 0,0098Isp (2)
Рис. 4.3. Соотношения между средним временем полета, стартовой скоростью (ΔV) и массой космического корабля для 20-тонного аппарата, покидающего низкую околоземную орбиту (НОО) в направлении Марса. Двигатели водородно-кислородные с удельным импульсом 450 секунд. Обратите внимание на то, что масса миссии резко возрастает для полетов длительностью менее 170 дней
Рис. 4.4. Путешествие с Марса на Землю. Соотношения между средним временем полета, стартовой скоростью (ΔV)и массой космического корабля для 20-тонного аппарата, покидающего низкую околомарсианскую орбиту (ОМО) в направлении Земли. Двигатели метаново-кислородные с удельным импульсом 380 секунд. Обратите внимание на то, что масса миссии начинает резко расти, когда длительность полетов становится меньше 170 дней
Гиперболическая скорость в виде относительной скорости вылета с планеты или прилета на планету – это не то же самое, что ΔV, или изменение скорости, которое должно быть создано двигателями ракеты. Тем не менее они связаны друг с другом и с максимальной скоростью повторного входа в атмосферу прибывающего космического аппарата следующим уравнением:
(V0 + ΔV)2 = Ve2 + vh2 = Vr2, (3)
где V0 – скорость космического аппарата в самой нижней точке орбиты, с которой происходит старт, ΔV – изменение скорости, создаваемое ракетными двигателями космического корабля, V – вторая космическая скорость для планеты (11 километров в секунду для Земли, 5 километров в секунду для Марса), Vh – гиперболическая скорость космического аппарата, а Vr – скорость повторного входа в атмосферу. На рисунках 4.3 и 4.4 мы показываем соотношения между временем полета, стартовой скоростью (или «гиперболической скоростью»), ΔV и массой миссии для 20-тонного космического корабля, покидающего НОО Земли или Марса для межпланетного полета.
Глава 5
Убивая драконов, избегая сирен
В старину, когда Земля была еще плохо изучена, картографы украшали неизвестные области своих карт фантастическими существами. Среди них были грозные драконы, которые могли целиком проглотить корабль, и очаровательные, но не менее опасные сирены, которые своим сладкоголосым пением заманивали моряков к скалам и обрекали на гибель. Пусть драконы были вымышленными, но они могли напугать и действительно пугали потенциальных путешественников и тем самым в течение многих столетий сдерживали освоение новых земель. И сиренам никогда не нужно было быть настоящими, чтобы их пение услышали, а его и правда услышали, судя по тому, сколько перспективных идей ни к чему не привело.
С тех пор мало что изменилось. Сегодня те, кто надеется снарядить миссию на Марс, обнаруживают, что на их картах тоже есть драконы. Сообщения об ужасных чудовищах с такими именами, как радиация, невесомость, человеческий фактор, пылевые бури и обратное загрязнение, вторгаются в обсуждение планов полетов к Марсу и тем самым пугают потенциальные экипажи (безуспешно), потенциальных планировщиков миссий (отчасти успешно) и потенциальных спонсоров миссий (очень успешно). И сирена тоже рядом, ее зовут Диана, она богиня Луны, и можно услышать, как она зовет «марсианских» моряков отклониться от курса и для начала направиться не к Марсу, а к Луне. Если мы собираемся на Марс, мы собираемся очистить карты. Драконы, циклопы и другие чудовища разума должны быть побеждены, и сирену следует уличить в мошенничестве.
Опасности радиации
Один из главных драконов, перегородивших путь к Марсу, известен под именем
Но на самом деле почти все утверждения, приведенные в предыдущем абзаце, являются вздорными. Единственное из них, близкое к правде, – первое: радиация смертельна. Это, безусловно, верно, но только если доза облучения очень велика.
Люди эволюционировали в среде, заполненной значительным количеством естественной фоновой радиации. В США в наши дни люди, живущие вблизи уровня моря, в год получают около 150 мбэр. (1 мбэр, или миллибэр, является тысячной долей от 1 бэр. Бэр – биологический эквивалент рентгена – основная единица, используемая для измерения дозы облучения в США. В Европе используют зиверты (Зв). 1 Зв = 100 бэр.) С другой стороны, те, кто может позволить себе жить в горах, например в Вейле или Аспене в штате Колорадо, ежегодно получают дозу выше 300 мбэр – поскольку лишены значительной защиты от космических лучей, которую предоставляет земная атмосфера. Поскольку мы эволюционировали под воздействием излучения, нам фактически необходима радиация, чтобы оставаться здоровыми. Это может идти вразрез с распространенным мнением и настроениями различных правительственных регулирующих организаций, но многочисленные исследования людей, помещенных в неестественную среду, лишенную радиации, показали значительное ухудшение их здоровья по сравнению с контрольной группой, подвергавшейся воздействию природного ионизирующего излучения. Это явление, известное как
Тем не менее, безусловно, верно, что очень большие дозы радиации, полученные за очень короткое время, как, например, в течение нескольких секунд после взрыва атомной бомбы или за несколько минут у выведенного из строя ядерного реактора, могут убить и убьют. Последствия таких разовых доз радиации хорошо известны по наблюдениям за жертвами бомбардировок Хиросимы и Нагасаки. Благодаря этим исследованиям удалось установить, что разовые дозы менее 75 бэр в не давали никаких видимых последствий. Если доза составляет от 75 до 200 бэр, лучевой болезнью (симптомами которой являются рвота, усталость и потеря аппетита) будут страдать от 5 до 50 % облученных, причем процент заболевших увеличивается при увеличении дозы. При этом уровне воздействия почти все пострадавшие восстанавливают здоровье через несколько недель. При 300 бэр лучевая болезнь возникает у всех без исключения, появляются случаи с летальным исходом, их количество вырастает до 50 % при 450 бэр и до 80 % при 600 бэр. При дозах 1000 бэр или более не выживает почти никто.
Таковы последствия разовых доз, то есть таких доз, которые человек получает за отрезок времени, значительно более короткий, чем те несколько недель, которые требуются организму для воспроизводства клеток и самовосстановления. Эта ситуация похожа на употребление алкоголя или любого другого химического токсина. Человек может пить по одному бокалу мартини за вечер в течение многих лет без заметных последствий, так как у его печени будет достаточно времени, чтобы очистить организм после каждого употребления напитка. Если бы человек выпил сто мартини в течение одной ночи, он бы умер. Сходным образом радиация наносит вред живым организмам, провоцируя в клетках химические реакции, в ходе которых вырабатываются токсичные вещества, способные убить отдельную клетку или нарушить ее нормальную работу. Если доза мала, то способности отдельных клеток к самовосстановлению оказываются достаточными, чтобы справиться с порожденным радиацией токсином и спасти клетку. При более значительных дозах ткани тела человека, действующие как единое целое, способны генерировать клетки взамен пострадавших до того момента, пока потеря этих пострадавших клеток не вызывает проблем у всего организма. И только тогда, когда радиация подавляет механизм самовосстановления клеток, у человека возникают серьезные проблемы со здоровьем.
В дополнение к тому, что чрезмерные разовые дозы вызывают лучевую болезнь и смерть, малые дозы при хроническом воздействии могут повысить вероятность развития рака у людей и животных. Это происходит потому, что радиационно-индуцированный токсин, попавший в клетку под воздействием радиации, может быть канцерогеном. Специалисты пока не пришли к согласию по поводу точного соотношения между такими хроническими дозами и отсроченными проявлениями рака, тем не менее это соотношение было изучено гораздо более детально, чем влияние на здоровье человека какого-либо из химических канцерогенов, присутствующих в нашей среде обитания. Например, в Великобритании до 1960 года для лечения анкилозирующего спондилоартрита (болезни Бехтерева) широко применяли облучение костного мозга позвоночника. Люди, проходившие такое лечение, стали участниками последующих многочисленных исследований лейкемии, вызванной облучением. В самом крупном из таких исследований в течение двадцати пяти лет после начала лечения отслеживали историю болезни 14554 взрослых пациентов, получивших дозы от 375 до 2750 бэр каждый. В этой группе от лейкемии умерли шестьдесят пациентов, этот результат хуже показателя для случайной группы современных жителей Великобритании, где в год из 1000 человек от лейкемии умирают шестеро. Тем не менее, несмотря на огромные дозы, смертность облученных пациентов составляла меньше 0,5 %. На основе этого и сотен подобных исследований Национальная академия наук США и Национальный исследовательский совет выпустили отчет [17], известный как «Отчет о биологическом влиянии ионизирующего излучения (БВИИ)», в котором оценили вероятность появления онкологических заболеваний с летальным исходом за тридцать лет хронического воздействия доз радиации мощностью 100 бэр на людей старше десяти лет (табл. 5.1).
Итак, по оценкам БВИИ, вероятность появления онкологических заболеваний с летальным исходом составляет 1,8 % в течение тридцати лет на каждые полученные 100 бэр. Если женщина-астронавт за 2,5 года марсианской миссии получит дозу в 50 бэр и после возвращения проживет тридцать лет, вероятность смертельно заболеть раком из-за воздействия радиации составит 50/100 × 1,81 % = 0,905 %. (Вероятность смертельно заболеть раком в течение одного года будет в тридцать раз ниже, то есть составит 0,03 %. Риск заболеть раком из-за воздействия радиации непосредственно в ходе миссии сам по себе практически нулевой.) Если астронавт – мужчина, вероятность будет немного меньше, 0,68 %, так как мужчины не болеют раком молочной железы. Учитывая, что астронавты не курят, вероятность того, что они умрут от рака, если не полетят на Марс, близка к 20 %. Следовательно, учитывая дозу, связанную с полетом, вероятность заболеть раком вырастет с 20 % до чуть менее чем 21 %.
Таблица 5.1. Оценки риска развития рака из-за хронического воздействия радиации общей мощностью 100 бэр
Выше я упоминал хроническую (не разовую) дозу в 50 бэр, которая может быть получена за два с половиной года марсианской миссии. Возникает вопрос: как параметры оборудования, доступного сегодня для пилотируемой марсианской миссии, способны повлиять на ожидаемые дозы облучения, которые может получить экипаж?
Есть два типа источников радиации, которые могут повлиять на астронавтов в марсианской миссии: солнечные вспышки и космические лучи.
Солнечные вспышки состоят из потоков протонов, вырывающихся из Солнца нерегулярно в непредсказуемые интервалы времени порядка раза в год. За несколько часов совершенно незащищенный астронавт может получить от одной солнечной вспышки дозу в сотни бэр, а этого, как мы уже знаем, достаточно, чтобы вызвать лучевую болезнь или даже смерть. Тем не менее частицы, составляющие солнечную вспышку, по отдельности могут нести энергию около одного миллиона электрон-вольт, и их нетрудно остановить умеренным слоем защиты. Например, если мы рассмотрим три крупнейшие в истории зарегистрированные солнечные вспышки, произошедшие в феврале 1956 года, ноябре 1960 года и августе 1972 года, мы обнаружим, что дозы, которые мог получить астронавт, защищенный только корпусом межпланетного космического корабля, как наш хаб (который вместе с обшивкой, мебелью, различными инженерными системами, оборудованием и другими объектами действует как защитный слой с поверхностной плотностью около 5 граммов на квадратный сантиметр массы, распределенной по его периферии, чтобы оградить обитателей), усреднились бы примерно до 38 бэр. А если бы астронавт ушел в кладовую хаба, которая одновременно является убежищем (поверхностная плотность экранирующей обшивки хаба «Марс Директ» составляет около 35 граммов на квадратный сантиметр, рис. 5.1), слой запасов уменьшил бы дозу приблизительно до 8 бэр [18, 19, 20]. Если бы астронавт сидел в хабе
Космические лучи несут различные дозы. Поскольку они состоят из частиц с энергиями до миллиардов электрон-вольт, для их остановки нужна обшивка толщиной в метры, то есть защититься от космических лучей во время межпланетного перелета практически невозможно. На Марсе, однако, сама планета поглощает все космические лучи, идущие снизу, а с помощью мешков с песком можно блокировать, по меньшей мере часть космических лучей, падающих на хаб сверху.
Рис. 5.1. Схема жилого модуля «Марс Директ». В случае солнечной вспышки кладовую можно использовать как убежище для экипажа
Кроме того, в отличие от солнечных вспышек, космические лучи не появляются в виде эпизодических потоков частиц. Скорее, они похожи на мелкий затяжной дождь из частиц. Астронавт, находящийся в хабе во время полета через межпланетное пространство, получит от космических лучей дозу, которая колеблется от 20 до 50 бэр в год, в зависимости от того, в какой части своего одиннадцатилетнего цикла активности находится Солнце. Самые большие дозы радиации от космических лучей поступают во время минимальной солнечной активности, тогда как во время так называемого солнечного максимума магнитное поле Солнца простирается далеко и фактически работает для всей Солнечной системы экраном против космических лучей из межзвездного пространства. Однако в среднем за год межпланетного полета можно получить от космических лучей дозу в 35 бэр. Если бы на Марсе экипаж не был защищен от них, доза составила бы около 9 бэр в год, в то время как под защитным навесом (мешки с песком на крыше хаба) она равнялась бы около 6 бэр в год. Поскольку на Марсе экипаж будет проводить основное, но не все время в хабе, среднее значение дозы от космических лучей в 7 бэр в год можно считать разумным для этого этапа миссии. Если объединить приведенные данные и рассчитать варианты для миссии в соединении и в противостоянии, предположив, что солнечные вспышки мощностью, равной среднему арифметическому мощностей трех сильнейших вспышек в истории, во время миссии происходят один раз в год, мы получим предсказанные дозы облучения, показанные в табл. 5.2.
Таблица 5.2. Дозы облучения, получаемые во время марсианских миссий
Как уже говорилось в предыдущей главе, для миссии «Марс Директ» выбрана траектория в соединении, оценочная доза радиации для всей длительности миссии в этом случае варьируется между 41 и 62 бэр, в зависимости от того, находится ли Солнце в минимуме или максимуме одиннадцатилетнего цикла активности. Таким образом, оценка в 50 бэр для миссии на Марс в оба конца реалистична и отражает среднее значение для условий минимума и максимума солнечной активности. Мы также можем видеть, что в худшем случае ожидаемая доза от солнечных вспышек для миссии «Марс Директ» составляет около 5 бэр, что намного ниже порогового значения разовой дозы в 75 бэр, вызывающего лучевую болезнь.
Глядя на табл. 5.2, обратите внимание, насколько смешны аргументы в пользу миссии в противостоянии с точки зрения уменьшения дозы радиации. При значительно большей массе и стоимости и намного более низкой научной ценности миссии (из-за ограниченного времени пребывания на Марсе) полная доза радиации, которая будет получена при миссии в противостоянии,
Кстати, вопреки страшным байкам, которые рассказывают люди, желающие получить большие средства на исследования в области радиационной защиты, в дозах облучения от космических лучей нет ничего экстраординарного по сравнению с другими типами радиационных доз. Космические лучи несут около половины дозы радиации, которую люди, живущие примерно на уровне моря на Земле, получают на протяжении всей жизни, а тем, кто живет или работает на большой высоте, достается больше. Например, пилот трансатлантической авиакомпании, выполняющий по одному рейсу пять дней в неделю, будет получать дозу около 1 бэр в год из-за космических лучей. За двадцатипятилетюю летную карьеру он получит более половины от общей дозы радиации из-за космических лучей, которую получили бы члены экипажа миссии на Марс длиной в два с половиной года. На самом деле, из-за того что дозы радиации от космических лучей на НОО Земли ровно в два раза меньше, чем аналогичные дозы в межпланетном пространстве, с десяток астронавтов и космонавтов (Вальц, Фоул, Крикалев, Соловьев, Поляков, Авдеев и несколько других), участвовавших в полетах на «Мир» или МКС, уже получили дозы радиации примерно вдвое больше, чем те, которые угрожают членам экипажа пилотируемой миссии на Марс, и ни один из них не испытал из-за этого проблем со здоровьем.
Итак, еще раз повторюсь, используя только химические двигатели, а не гиперпространственный двигатель, мы можем отправить к Марсу и вернуть домой экипаж, причем полученные им дозы облучения будут ограничены примерно 50 бэрами. Хотя такие дозы не рекомендуются обычным людям, они представляют собой лишь малую долю от общего риска не только для космических путешествий, но и для таких популярных видов отдыха, как альпинизм, скалолазание или виндсерфинг. Радиационные опасности нельзя считать непреодолимым препятствием для пилотируемых миссий на Марс.
Невесомость
Еще один дракон, которого мы встречаем на пути к Марсу, – это угроза невесомости. Говорят, что длительное воздействие невесомости на организм человека грозит ему серьезным истощением мышц и костной ткани и поэтому, прежде чем отправить астронавтов на Марс, мы должны изучить долгосрочное воздействие невесомости на людей на борту Международной космической станции. На эту программу потребуется несколько десятилетий, многие миллиарды долларов на «научные исследования жизни в условиях микрогравитации» и два-три десятка человек, готовых пожертвовать своим здоровьем ради «научных исследований».
Я считаю этот аргумент странным. Безусловно, верно, что длительное пребывание в невесомости вызовет истощение сердечнососудистой системы, вымывание кальция и солей из костей и общее ухудшение мышечного тонуса из-за отсутствия физических упражнений. Невесомость также угнетает некоторые реакции иммунной системы организма. Эти эффекты хорошо задокументированы не только по опыту американских астронавтов станции «Скайлэб», которые проводили на орбите до трех месяцев, и экипажей Международной космической станции, где стандартная вахта длится шесть месяцев, но и советских космонавтов – некоторые из них провели в невесомости на орбитальной станции «Мир» почти восемнадцать месяцев, что почти в три раза больше продолжительности пути по маршруту Земля – Марс или обратно в миссии «Марс Директ». Во всех этих случаях происходит почти полное восстановление мускулатуры и иммунной системы при возвращении на Землю и привыкании к земной силе тяжести. Минеральный баланс костей нормализуется довольно быстро, но восстановление костей до предполетного состояния, по-видимому, очень длительный процесс. В Советском Союзе экспериментировали с различными способами противодействовать невесомости, включая интенсивные упражнения, медицинские препараты и эластичные костюмы «Пингвин», которые заставляют космонавта прилагать значительные физические усилия для обычных движений. Как и следовало ожидать, программы интенсивных (три часа в день) упражнений доказали свою эффективность в поддержании общего мышечного тонуса и в некоторой степени в поддержании хорошего состояния сердечнососудистой системы. Однако все опробованные на данный момент меры показали малую эффективность в замедлении деминерализации костей. Следует понимать, что, хотя все эти последствия ощутимы и, безусловно, нежелательны, они не слишком катастрофичны; они никоим образом не помешали астронавтам или космонавтам удовлетворительно выполнять свои обязанности, находясь на орбите, и даже после самых долгих полетов члены экипажа успевали прийти в себя и в основном вернуться к обычной жизни за 48 часов после посадки. Например, через неделю после посадки члены экипажа 84-дневной миссии на станции «Скайлэб-3» смогли играть в теннис. Время восстановления после шестимесячного полета на Марс должно быть меньше, потому что экипажу придется после прибытия на Марс приспосабливаться к силе тяжести, составляющей только 0,38 g, вместо того чтобы испытывать шок от 1 g после входа в атмосферу Земли. Дело в том, что уже проведено очень много исследований в этой области, и мы знаем, каких последствий ждать. Поэтому мы можем задать резонный вопрос: а так ли необходимо, или даже этично, подвергать следующие экипажи астронавтов таким испытаниям исключительно ради более исчерпывающего исследования? Я думаю, что нет. На самом деле, учитывая то, что нам известно сегодня о воздействии невесомости на организм, я бы классифицировал предложенную программу как неэтичную и бесполезную, и я знаю многих астронавтов, которые согласны со мной. Просто бессмысленно подвергать десятки астронавтов большим «дозам» невесомости, чем в предполагаемом длительном полете на Марс, только чтобы «обеспечить безопасность» совсем небольшого экипажа миссии. Это примерно то же самое, что тренировать пилотов бомбардировщиков, заставляя их лететь под обстрелом зенитных орудий. Привыкнуть к последствиям длительного воздействия невесомости на здоровье астронавты могут непосредственно во время полета на Марс.
Но на самом деле совсем не нужно лететь на Марс в условиях невесомости. В космическом аппарате во время перелета можно создать искусственную гравитацию. Для этого нужно раскрутить корабль с использованием той же центробежной силы, что позволяет маленькому ребенку вращать ведро с водой, не проливая ни капли. Уравнение, описывающее этот эффект, может быть записано как:
F = 0,0011(W2)×R,
где F – центробежная сила в единицах g, W – скорость вращения в оборотах в минуту, a R – длина плеча в метрах. Я записал уравнение в такой форме, чтобы было видно, что для заданной силы с ростом W уменьшается R. Например, для получения нормальной марсианской силы тяжести (F = 0,38) при W = 1 обороту в минуту R = 345 метрам. Но при W = 2 оборотам в минуту R составляет 86 метров, если W = 4 оборотам в минуту, R = 22 метра, и если W = 6 оборотов в минуту, R составляет 10 метров. Таким образом, существуют два способа создания искусственной силы тяжести. Либо вращать корабль быстрее при малой длине плеча, либо медленнее – при большой длине плеча. Под «плечом» я подразумеваю расстояние между местонахождением экипажа и центром тяжести корабля, вокруг которого он вращается. Если космический аппарат будет цельной жесткой конструкцией, его можно будет легко раскрутить с помощью небольших ракетных двигателей, размещенных на каждом из его концов и выпускающих боковые струи в противоположных направлениях. Однако, если искусственная гравитация для такого корабля должна быть значительной, единственным жизнеспособным вариантом является быстрое вращение при коротком плече. В 1960-е годы НАСА провело эксперименты с участием людей на вращающихся конструкциях, и было обнаружено, что после некоторой первоначальной дезориентации люди могли приспособиться и жить и передвигаться по конструкциям, вращающимся со скоростью до 6 оборотов в минуту [21]. Системы искусственной гравитации, организованные по принципу быстрого вращения и короткого плеча, легче всего разработать и реализовать с инженерной точки зрения, но они также имеют некоторые недостатки. Например, если R составляет 10 метров, то у человека ростом в 2 метра, стоящего в таком гравитационном поле, голова будет находиться на R = 8 метров и испытывать только 80 % силы тяжести, которую испытывают ноги. Эта большая разница будет ощутимой и может привести в замешательство, по крайней мере поначалу. С другой стороны, если длина плеча составляет 100 метров, то голова двухметрового человека будет испытывать 98 % той силы тяжести, которую испытывают ноги, и, вероятно, такая разница окажется неощутимой. К тому же, если бы член экипажа попытался быстро пройти по прямой линии, он бы испытал действие силы Кориолиса, поскольку корабль (вместе с полом, по которому идет астронавт) не только двигался бы, но и быстро изменял направление. И еще раз повторю, при 6 оборотах в минуту этот эффект весьма заметен, но при 2 оборотах в минуту он незначителен. Таким образом, если вы хотите чувствовать себя в искусственном поле тяжести так же, как на Земле (это желательно, но не обязательно – моряки достаточно хорошо адаптируются к очень неустойчивым условиям с силой тяжести и силой Кориолиса во время качки на море), лучше всего использовать медленное вращение и длинное плечо. Такое длинное плечо можно получить, разделив корабль на несколько частей, которые соединены друг с другом на большом расстоянии (от сотен до тысяч метров) с использованием кабелей или тросов.
Хотя по сути своей идея отличная, в прошлом к таким системам искусственной гравитации с тросом, как правило, относились с неодобрением, потому что для традиционных космических аппаратов наподобие звездного крейсера «Галактика» единственной достаточно массивной частью, способной служить противовесом для одной из функциональных частей корабля могла стать только другая его функциональная часть. Иначе говоря, если вы хотите обеспечить искусственную силу тяжести в обитаемом модуле экипажа на одном конце троса, вам, вероятно, придется разделить корабль пополам и поместить большую часть топливных баков на другом конце троса. Такая конфигурация хорошо работает на бумаге, но на практике станет для миссии началом конца. Если трос запутается, когда вы будете его сматывать, значительная часть критически важных для миссии средств, таких как запас топлива на обратную дорогу, окажется недоступна, и, как следствие, миссия потерпит неудачу. В плане «Марс Директ» с этим проблем не будет. Поскольку экипаж летит на Марс в относительно легком жилом модуле, а не на межпланетном крейсере, космический корабль несложно уравновесить с помощью отработавшей верхней ступени ракеты, которая отправит экипаж на Марс, расположенной на противоположном конце троса (рис. 5.2). Эта часть корабля не является критически важной для миссии – она уже отслужила свое, и ее не придется возвращать на корабль. Похожую схему с тросом можно задействовать и во время полета домой, используя отработавшую верхнюю ступень ВЗА и кабину ВЗА. Таким образом, за исключением небольших промежутков времени непосредственно перед выходом на траекторию к Марсу и к Земле, непосредственно перед входом в атмосферу Земли и Марса и сразу после проведения маневра аэродинамического торможения в атмосфере Марса экипаж пилотируемой марсианской миссии не будет подвергаться воздействию невесомости.
Поделиться книгой: