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

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.

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), тонна полевого и лабораторного научного оборудования, 14 тонн продовольствия с Земли плюс 18 тонн произведенной на Марсе воды и 24 тонны топлива для роверов, два миниатюрных химических топливных завода, каждый из которых способен произвести из марсианского атмосферного углекислого газа примерно в пятьдесят раз больше кислорода, чем требуется экипажу для поддержания жизни. Поэтому предлагаемый план следует рассматривать как очень надежный. Но можно сделать его еще надежнее, воспользовавшись первым стартовым окном, чтобы отправить полностью укомплектованный хаб с продовольствием, но без экипажа, вместе с первым ВЗА на первое место посадки (то есть расписание программы запуска будет таким: два рейса ТРН каждые два года, начиная с первого). В этом случае астронавтам на Марсе будут доступны шесть обитаемых помещений, включая два полностью укомплектованных хаба, две полностью укомплектованные кабины ВЗА, плюс… Я надеюсь, вы уловили суть. Нам еще не доводилось исследовать какое-либо небесное тело, имея уровень резервной избыточности, хотя бы отдаленно приближающийся к этому. И все это мы сделали, используя технологии 1960-х годов – химические реактивные двигатели «Сатурна-5» – и не прибегая ни на одном из этапов миссии к орбитальной инфраструктуре, сборке, погрузке на орбите или орбитальному рандеву любого типа.