Курс на Марс. Самый реалистичный проект полета к Красной планете - Роберт Зубрин

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.)