На Марс!

Сейчас когда И.Маск стал важной  птицей буквально в мировом масштабе  - есть повод поговорить об одной его идее - о полете на Марс и освоении красной планеты. Начнем с отечественных проектов

В СССР первые варианты космических кораблей для экспедиции на Марс стали впервые рассматриваться в 1959 году в королёвском ОКБ-1. Работы шли в секторе 9 под руководством Михаила Тихонравова. Сначала были разработаны эскизы проекта марсианского пилотируемого комплекса (МПК) со стартовой массой в 1630 тонн. Собрать его предполагалось на низкой околоземной орбите, а возвращаемая часть МПК имела массу 15 тонн. Продолжительность экспедиции должна была быть 2,5 года.

Затем в этом же секторе последовала разработка тяжёлого межпланетного корабля (ТМК). Проектом занимались две группы инженеров: одной руководил Глеб Максимов, а второй — Константин Феоктистов.

ТМК Максимова являлся трёхместным космическим кораблём, который можно было вывести на околоземную орбиту за один пуск Н-1 с корректировкой траектории полёта к Марсу с помощью разгонного блока на топливной паре керосин-кислород. Этот корабль содержал жилой, рабочий (со шлюзом для выхода в открытый космос), биологический, агрегатный отсеки, спускаемый аппарат и корректирующую двигательную установку (КДУ). После корректировки траектории полёта на Марс раскрывались солнечные концентраторы для оранжереи, солнечные батареи для питания корабля, антенны для связи с Землёй. Проект Максимова не предусматривал высадки экипажа на поверхность Марса.

ТМК Феоктистова предполагал сборку на орбите и разгон корабля во время полёта к Марсу. Выбор двигателей для корабля пал на электрореактивные двигатели, отличающиеся большой экономичностью, и благодаря которым возможно было уменьшить стартовую массу, либо увеличить полётную. В 1960 году на корабль предполагалась установка реактора мощностью в 7 МВт, но в 1969 году произошла переработка проекта, в ходе которой мощность реактора была увеличена до 15 МВт, а также пришлось сократить количество спускаемых аппаратов с 5 до 1 и количество людей в экипаже с 6 до 4. Для надёжности разработчики хотели поставить не один, а три реактора. В 1988 году в проекте -вероятно в ходе антиатомной послечернобыльской истерии - реакторы заменили на солнечные батареи. (Тем более был достигнут большой прогресс  в создании плёночных фотопреобразователей).

Плюсом ТМК Феоктистова была малая стартовая масса по сравнению с ТМК Максимова — 75 т и полётная — 30 т, что позволяло разместить на корабле необходимое количество приборов и систем. Недостаток был во времени разгона: ЭРД имел тягу в 7,5 кгс, по этой причине разгон должен был производиться по спирали в течение нескольких месяцев.

Кроме того, в 1960-х годах на базе Лётно-исследовательского института (ЛИИ) проводились исследования обитаемости межпланетного корабля для полёта на Марс. В ОКБ ЛИИ был спроектирован и построен на базе центрифуги наземный вращающийся имитатор межпланетного корабля — стенд «Марс-Орбита». Стенд обеспечивал возможность создания искусственной силы тяжести при вращении имитатора. На нём были реализованы условия жизни, моделирующие условия межпланетного корабля: рабочие и спальные места, радио и телевизор (для свободного времени), кухонный отсек, санузел (душ, раковина, унитаз). Задачей исследований было изучение при длительном, непрерывном, медленном вращении жизнеспособности и работоспособности живущих в этих условиях людей. Максимальная продолжительность эксперимента была 35 суток. Были изучены особенности адаптации человека к длительному вращению, установлено, что адаптация продолжается от 7 до 14 суток, а после остановки вращения реадаптация к нормальным условиям длится около двух суток. В результате были выработаны рекомендации по оптимальной скорости вращения космического корабля для создания искусственной гравитации и по организации деятельности человека на борту корабля.

 (В 2007 в  Институте медико-биологических проблем проводился эксперимент "500 дней" по исследованию медицинских аспектов будущего полета человека на Марс. В качестве основы макета марсианского комплекса использовалась конструкция, созданная в 1960-х годах по инициативе С. П. Королева, на которой уже проводились исследования по программе отработки межпланетных полетов.)

Работы над концепцией полета человека на Марс ведутся с 1960 года (см. "Наука и жизнь" № 6, 1994 г.). Первый отечественный проект корабля для посадки человека на поверхность Марса был выполнен в ОКБ-1, возглавляемом Сергеем Павловичем Королевым. Ныне это Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им С. П. Королева. В проекте 1960 года было принято принципиально новое техническое решение: использовать для межпланетной экспедиции электроракетные двигатели . Это решение РКК "Энергии" осталось неизменным для всех последующих модификаций проекта полета человека на Марс, и именно оно позволяло во многом решить проблему безопасности.

Принцип работы электроракетных двигателей заключается в том, что реактивная струя, обеспечивающая тягу, создается не вследствие теплового расширения газа, как в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД), а с помощью разгона ионизированного газа в электромагнитном поле, создаваемом бортовой электростанцией. Топливом, а точнее, "рабочим телом" станет газ ксенон.

В качестве электростанции, питающей электроракетные двигатели, в 1960 году собирались использовать ядерный реактор мощностью 7 МВт. Отдельные части корабля предполагали доставлять на орбиту тяжелой ракетой-носителем (в это время еще только начинались работы по ракете Н-1). Экипаж планировался из шести человек. После посадки на поверхность Марса оборудование собрали бы в виде "поезда", который должен был пересечь планету от одного ее полюса до другого.

В 1969 году этот проект был переработан. Мощность реактора увеличена до 15 МВт. Для повышения надежности двигательной установки вместо одного реактора запланировали три. В ходе переработки проекта пришлось умерить "аппетиты": число посадочных аппаратов с пяти сократили до одного, членов экипажа стало четверо. В качестве ракеты-носителя решили использовать модификацию новой тяжелой ракеты Н-1 (см. "Наука и жизнь" №№ 4, 5, 1994 г.).

В 1988 году вследствие большого прогресса в создании пленочных фотопреобразователей и успехов в разработке трансформируемых ферменных конструкций ядерный реактор заменили на солнечные батареи. Одним из мотивов этого решения стало стремление сделать межпланетный экспедиционный комплекс экологически чистым. Основным достоинством такого решения была возможность многократного дублирования двигательной установки. Для доставки деталей корабля на орбиту Земли предполагалось использовать новую ракету-носитель "Энергия".

Элементы экспедиционного комплекса и состояние их разработки

Первый элемент международного комплекса - корабль, в котором работает экипаж. Он называется межпланетным орбитальным кораблем. Орбитальным - потому, что его главная функция связана с работой на орбитах межпланетного перелета. Создание этого корабля в сравнительно короткие сроки вполне реально. По своим задачам он, по существу, - аналог российского модуля "Звезда" Международной космической станции, только несколько больший по размерам. Дело в том, что на космическую станцию требуемое оборудование можно доставить на корабле "Прогресс" через два-три месяца, а у марсианской экспедиции такой возможности не будет два-два с половиной года. Поэтому все, что может понадобиться в течение всего полета, в том числе при возникновении нештатных ситуаций, нужно взять с собой и разместить на корабле.

Основные системы межпланетного корабля уже отработаны на орбитальных станциях "Салют" и "Мир". Поэтому для его постройки планируется использовать готовую документацию на многие конструктивные элементы, а главное - заводскую оснастку и технологии, имеющиеся на заводе - изготовителе корпуса модуля "Звезда" (завод Центра им. Хруничева).

Второй элемент межпланетного экспедиционного комплекса - солнечный буксир, обеспечивающий перелет по межпланетной траектории. Он состоит из двух пакетов электроракетных двигателей с системами управления, баков с рабочим телом и больших панелей с пленочными солнечными фотопреобразователями, снабжающими энергией двигатели.

Солнечный буксир также включает много уже разработанных агрегатов, конструкций и систем. Электроракетные двигатели широко используют в космической технике, и для полета на Марс требуется только несколько усовершенствовать их характеристики. Пленочные солнечные фотопреобразователи изготавливают в России для наземных нужд. А для проверки стойкости в условиях космического пространства их образцы размещали на внешней поверхности станции "Мир". Трансформируемые конструкции, на которых должны размещаться фотопреобразователи, также отрабатывали при полетах орбитальных станций. В солнечном буксире предполагается взять за основу конструкцию фермы "Софора", установленной на станции "Мир". Чтобы соединения не имели люфтов, использовали так называемый "эффект памяти формы", то есть способность некоторых материалов после нагревания принимать форму и размеры, какие были у соответствующих деталей до специально проведенной деформации.

Третий элемент межпланетного комплекса - взлетно-посадочный комплекс, в котором часть экипажа совершает посадку на поверхность Марса и возвращается обратно в корабль. Взлетно-посадочный комплекс в отличие от предыдущих элементов - совершенно новая разработка. Его аналогов в российских программах еще не было. Однако подобные задачи в российской космонавтике решались, и каких-то серьезных проблем по его созданию не видно.

И, наконец, четвертый элемент комплекса - корабль возвращения к Земле. Он имеет реальный прототип - корабль "Зонд", который разрабатывали в СССР для облета человеком Луны с входом в плотные слои атмосферы со второй космической скоростью. "Зонд-4"-"Зонд-7" совершили полеты в 1968-1969 годах с  живыми существами -до Луны и обратно.

(Автор писал о нем в статье "Советские черепашки, растоптавшие мракобесов"

 https://aftershock.news/?q=node/1233662&full&ysclid=m7rmddg0pf971924953

Для межпланетного комплекса с начальной массой порядка 1000 тонн нужно примерно 400 электроракетных двигателей тягой около 80 гс (0,8 Н) каждый. Все эти двигатели или группы двигателей работают независимо друг от друга, каждая группа имеет свою секцию баков с рабочим телом, свою систему управления, свою секцию солнечных батарей. И отказ даже нескольких групп двигателей не повлияет на межпланетный перелет. Такая двигательная установка практически не подвержена отказам. Это что-то вроде той стаи гусей, которая возила барона Мюнхаузена на Луну: любой гусь по дороге имел право устать и сойти с дистанции без вреда для всего полета.

Суммарная тяга всех двигателей составляет 32 кгс, или 320 Н. В открытом космосе корабль массой около 1000 тонн под действием этой силы приобретает ускорение 32x10^-5 м/с². Этого мизерного ускорения достаточно, чтобы при длительной работе двигателей набрать необходимую для межпланетного перелета скорость. Время движения корабля по спиральной траектории вокруг Земли составляет около трех месяцев. На этом участке траектории двигатели не работают непрерывно, они выключаются при затенении Солнца Землей. После перехода корабля на гелиоцентрическую орбиту работа двигателей продолжится.

 На орбитальных станциях "Салют" и "Мир" с МКС проверены многие элементы будущего межпланетного комплекса, проведена огромная работа по отработке систем и технологий обеспечения длительных полетов человека в космос. Ни в одной стране не накоплено такого опыта.

Этап посадки на поверхность Марса наиболее критичен с точки зрения обеспечения безопасности экипажа. В отличие от солнечного буксира и межпланетного орбитального корабля взлетно-посадочный комплекс имеет гораздо меньше возможностей использовать резервные комплекты оборудования: процессы идут быстро, и подключить дублирующее оборудование не всегда возможно. Поэтому главным фактором обеспечения необходимой надежности взлетно-посадочного комплекса становится его тщательная отработка, в том числе в беспилотном режиме в реальных марсианских условиях. Никто не решится послать на Марс человека до того, как взлетно-посадочный комплекс не осуществит посадку и взлет с планеты в автоматическом режиме. Поэтому первые полеты человека к Марсу предполагались без посадки экипажа на его поверхность.

Экипаж останется на околомарсианской орбите, на поверхность спустится только телеуправляемый автоматический аппарат. Следует особо обратить внимание на этот этап исследования Марса человеком. По существу, на поверхность "спускаются" глаза и руки космонавта. В этом полете хорошо сочетаются и безопасность экипажа, и использование в полной мере опыта и интуиции ученого-планетолога, который будет проводить исследования с борта межпланетного орбитального корабля. Получается полное виртуальное присутствие человека на реальной поверхности Марса. С Земли это сделать невозможно из-за большого расстояния и запаздывания сигнала на несколько десятков минут.

***

Перелет с орбиты Земли на орбиту Марса займет 2-2,5 года. Корабль, в котором все это время должен жить и работать экипаж, ориентировочно должен быть массой 500 тонн, и топлива ему требуется сотни тонн. Именно это  отличает полет человека на Марс от полетов сравнительно небольших автоматических аппаратов. Общая масса всего пилотируемого комплекса становится значительно больше, чем могут вывести на орбиту даже самые мощные ракеты-носители. Но создавать гигантскую ракету для выведения с Земли всего межпланетного комплекса не имеет смысла. Проще отправлять его на околоземную орбиту по частям, из этих частей и собирать там комплекс, используя уже отработанные технологии сборки на орбите.

Полет предполагается следующим образом. За несколько месяцев комплекс соберут, и межпланетная экспедиция по гелиоцентрической орбите перелетит в окрестности Марса. Так как опускать весь межпланетный корабль на поверхность Марса нецелесообразно, в составе комплекса будет взлетно-посадочный модуль. После выхода межпланетного экспедиционного комплекса на круговую орбиту вокруг Марса в нем экипаж или его часть совершит посадку на поверхность планеты. После окончания работы на поверхности космонавты вернутся на корабль. Межпланетный экспедиционный комплекс стартует с околомарсианской орбиты к Земле и выйдет на орбиту, с которой стартовал к Марсу. На корабле возвращения экипаж спустится на Землю.

Таким образом, межпланетный экспедиционный комплекс состоит из четырех основных функциональных частей: корабля, в котором работает экипаж и размещается все основное оборудование; межпланетного буксира, обеспечивающего перелет по межпланетной траектории; взлетно-посадочного комплекса и корабля возвращения на Землю.

Основная проблема организации полета человека на Марс - обеспечить высокую вероятность благополучного возвращения экипажа. 

Пропуская сложные инженерные выкладки - именно возвращение из "гравитационного колодца" является самым сложным моментом марсианского проекта. 

Но есть выход - отменить его как таковое...

Впрочем - это 

(Продолжение следует)