Пилотируемые полеты на Марс. Краткий обзор.

Нихао, мои драгоценные читатели!

Как вы наверняка уже знаете, к Красной Планете вновь пробуждается повышенный интерес. О планах совершить высадку на Марсе уже успели сообщить Роскосмос, НАСА, ЕКА и ряд частных организаций.

В данной статье приведен беглый и поверхностный, но все-таки анализ средств и возможностей, касающихся пилотируемого полета на Марс, который, надеюсь, вы найдете небезынтересным.

Общая информация

Траекторию любого межпланетного перелета можно разделить на три основных этапа: первый активный участок, пассивный участок, второй активный участок. На первом активном участке производится разгон космического аппарата до необходимой скорости. В случае с Марсом минимальное значение скорости составляет 11.6 км/с. Пассивный участок – полет с выключенными двигателями, по инерции, который по времени и составляет большую часть путешествия. Так, для того, чтобы добраться до Марса с заданной скоростью в 11.6 км/с потребуется около 259 суток. И, наконец, второй активный участок, когда включаются тормозные двигатели, задача которых – не дать аппарату пролететь мимо целевого небесного тела. При путешествии на Марс необходимо торможение до 3.55 км/с.

Кроме того, как широко известно, полет к иному небесному телу становится возможен только в определенное время, когда взаимное положение целевой планеты и Земли минимизирует расстояние между ними. Для Марса подобное стартовое окно открывается в среднем раз в 2 года и 2 месяца. Если же мы предполагаем возвращение экипажа, то потребуется выждать 450 суток на Марсе, прежде чем откроется стартовое окно для полета на Землю. Полностью же путешествие до Марса и обратно продлится 2 года и 8 месяцев.

Приведенные выше цифры справедливы для эллиптических траекторий, являющихся одними из наиболее экономичных в плане расхода топлива. Возможен, однако, другой путь, предполагающий выход на более скоростную параболическую траекторию. Для этого необходимо разогнать космический аппарат до скорости 16.7 км/с. В этом случае полет до Марса в один конец займет 70 суток, период ожидания стртового окна сокращается до 12 суток, а все путешествие туда и обратно займет 152 суток.

Возможен и более скоростной вариант. При сообщении космическому аппарату скорости, превышающей третью космическую, производится переход на гиперболическую траекторию, по которой до Марса можно долететь за 1-1.5 месяца.

На чем лететь

Макет комплекса “Энергия-Буран”

Если решать задачу полета на Марс, что называется, “в лоб”, то неизбежной частью данного решения будет огромная ракета-носитель сверхтяжелого класса, по характеристикам ни в коем случае не меньшая, чем такие левиафаны космоса, как “Энергия” или “Сатурн-5”. Пожалуй, даже большая, поскольку даже в самых оптимистичных вариантах длительность полета предполагает намного более солидную систему жизнеобеспечения, включая и запас продовольствия, нежели во всех иных этапах покорения космоса, уже пройденных человечеством.

Последний старт “Сатурн-5” (программа “Скайлэб”)

И это – большая проблема. Даже не потому, что построить подобную “царь-ракету” будет сложно. Чисто с позиции современного уровня развития технологий здесь нет ничего невозможного. Дело все в том, что сверхтяжелый носитель – это очень и очень дорого. Дорого в постройке. Дорого в эксплуатации. И, что немаловажно, очень дорого в поддержании на плаву необходимых для этого весьма специфичных производств, многие из которых не подлежат конверсии и потому неизбежно умирают сразу после закрытия соотвтетствующей космической программы. Так было с производством “Сатурнов”, прекратившимся вскоре после закрытия программ “Аполлон” и “Скайлэб”. Казна просто не могла поддерживать его и дальше. Оценить жизненный цикл “Энергии” в этом плане сложнее, поскольку закрытие этой программы происходило на фоне ранних 90-х со всеми вытекающими последствиями, что изрядно ускорило течение процессов. Однако, и в этом случае не приходится сомневаться, что данный проект стал государству в немалую копеечку.

В наше же время ситуация осложняется тем, что уже четверть века никто на всей планете не производил носителей сверхтяжелого класса. Крайне наивно при этом было бы полагать, что все это время все необходимые средства производства терпеливо ждали своего часа, будучи тщательно смазанными, отьюстированными и аккуратно затянутыми брезентом. Эти активы давно уже сброшены с баланса, и всем, кто пожелает возродить программу межпланетных полетов, потребуется создавать их заново. Начиная, при этом, с самого начала – с подготовки кадров. Сохранились, конечно, чертежи, спецификации и расчеты, которые для новых разработок отнюдь не бесполезны, но за прошедшее время многое в них успело уже по нескольку раз морально устареть, так что готовыми рецептами по межпланетному перелету они быть не могут.

Другой вариант многими полагается фантастическим, во многом из-за того, что засветился в развлекательной беллетристике на космическую тему, однако, был оформлен в виде аванпроекта и всерьез рассматривался, вплоть до дат и сроков экспедиции, в конце 60-х годов. Речь о проекте тяжелого межпланетного корабля (ТМК), разработанном в ОКБ-1 под руководством К.П. Феоктистова.

ТМК Феоктистова в воображении художника

Проект предполагал сборку космического корабля на орбите с последующим разгоном по спиралевидной траектории средствами ядерных электродвигательных установок. Особое внимание разработчиков было обращено к созданию систем жизнеобеспечения экипажа, в частности, прорабатывались вопросы регенерации кислорода, планы создания замкнутой экосистемы внутри корабля, защиты экипажа от космического излучения. Также, что немаловажно, ТМК Феоктистова предполагал многоразовое использование. Это звучит особенно интересно, если учесть, что аванпроект был готов за два года до начала разработки шаттлов.

ТМК Феоктистова так и не был реализован, поскольку вначале все ресурсы отрасли были брошены на “лунную гонку”, а потом наступил период серьезного скепсиса в отношении пилотируемой космонавтики в целом, и задача исследования других планет была полностью переложена на более экономные автоматические зонды.

В свете возрождения интереса к пилотируемым полетам на другие планеты наработки данного проекта могут быть весьма полезны. Однако, ради справедливости, стоит отметить и присущие данной концепции недостатки. Главный из них, относящийся, не побоюсь этого слова, к системообразующим – малые показатели тяги электрических ракетных двигателей (ЭРД) относительно традиционной жидкостной схемы. Из-за этого разгон ТМК Феоктистова до выхода хотя бы на эллиптическую траекторию должен был производиться в течение нескольких месяцев. Более современные установки могут существенно сократить время разгона, однако, в наше время интересны уже другие скорости – те, которые позволили бы выйти по меньшей мере на параболические траектории. Правда, отечественная ядерная энергодвигательная установка мегаваттного класса (ЯЭДУ), совместно разрабатываемая “Роскосмосом” и “Росатомом”, по расчетным характеристикам грозится замахнуться и на гиперболические траектории. Но здесь уже будем посмотреть до 2020-го года, на который назначены первые летные испытания.

Кстати, в проекте ЯЭДУ имеется один весьма интересный нюанс. В качестве теплоносителя предполагается использовать гелий-ксеноновую смесь. Гелий при нагреве ведет себя вот так:

Ксенон – вот так:

В общем, ожидается самый тот внешний вид для двигателя межпланетного корабля.

Другая сложность с собираемым на орбите ТМК заключается в том, что даже сейчас, с учетом опыта эксплуатации МКС, данный процесс потребует огромного множества сопутствующих разработок. К примеру, связанных с монтажом на орбите все той же энергодвигательной установки, чего, если мне не изменяет память, еще никто никогда не делал.

В общем, несмотря на озвученные выше недостатки сверхтяжелых носителей, использоваться они явно все еще будут. Во-первых, именно сверхтяжелый носитель способен выиграть “марсианскую гонку”. Обойдется он недешево, но и готов к эксплуатации будет быстрее. Во-вторых, какой бы замечательный ТМК орбитальной сборки не был разработан, грузоподъемность сверхтяжелого носителя пока что предполагается все же более солидной, и если не ограничиваться сценарием “прилетели, сфотографировались на фоне флага, улетели”, то в нише грузовиков для долговременной экспедиции ракеты такого класса долгое время будут незаменимы.

Процесс полета с точки зрения экипажа

В полете экипаж может столкнуться с множеством проблем как физиологического, так и психологического характера. Говоря о физиологических, в первую очередь имеются в виду космическое излучение и длительное нахождение в невесомости.

Вопрос излучения – один из наименее проработанных. Дело в том, что абсолютное большинство пилотируемых космических полетов, предпрнимавшихся человечеством, было произведено в пределах магнитосферы Земли. Того самого магнитного поля, что защищает нас от космической радиации и делает в принципе возможной жизнь на планете. За его пределами (на расстоянии более 70 тыс. км. от центра Земли) побывали только восемь космических кораблей с экипажами – “Аполлоны” с десятого по семнадцатый.

В контексте “Аполлонов” и радиации часто вспоминается радиационный пояс Земли, в иностранной литературе называемый поясом Ван Аллена. Под этим термином понимаются две области магнитосферы земли (внутренний и внешний пояс), в которых накапливаются и удерживаются заряженные высокоэнергетические частицы. Внутренний пояс располагается на высоте примерно в 4 тыс. км., внешний – на высоте 17 тыс. км. Их существование многими интерпретируется, как наличие на указанных высотах радиоактивного ада, через который никому живым не пройти. Легко догадаться, что в определенных кругах подобные представления служат обоснованием для скепсиса в отношении всей лунной программы.

Внешний (серый цвет) и внутренний (красный цвет) радиационные пояса Земли

На деле радиационный пояс для космонавтов и впрямь повышенно опасен – в том умозрительном случае, если специально в нем задержаться на длительное время. В случае же штатного пролета межпланетного космического корабля через радиационный пояс расчетная доза излучения, поглощенного экипажем, составит примерно 0,01 Зиверт. Это меньше, чем при рентгеновском снимке зубов.

Но вот за пределами магнитосферы все становится намного серьезнее. И основная опасность – сильные солнечные вспышки, попадание под которые означает для экипажа межпланетного корабля гарантированную смерть. Старты “Аполлонов” планировались так, чтобы все время нахождения космического корабля за пределами магнитосферы Земли попадало в “окно”, когда солнечное излучение минимально. Однако, при полете на Марс, даже при самых оптимистичных оценках длительности экспедиции, такое заведомо невозможно.

Вариант с наращиванием штатных экранов для защиты от подобного излучения не выглядит особо реалистичным, так как в этом случае неоправданно возрастает масса корабля. Другим способом защиты от солнечных вспышек является создание окружающей корабль искусственной магнитосферы. Подобная идея выдвигалась еще в 60-е, но была отвергнута, поскольку масса необходимого для этого электромагнита превышала даже массу дополнительных экранов. Но в наше время к этой идее вернулись, предположив, что заложенная в более ранние расчеты мощность магнитного поля сильно преувеличена, а взаимодействие самих частиц солнечной радиации не учтено. В 2007-м году в лаборатории Резерфорда и Эплтона (Великобритания) было произведено компьютерное моделирование, в целом подтвердившее данное предположение. Остается дождаться натурных испытаний, например, где-нибудь на окололунной орбите. В любом случае, установка получается крайне “прожорливой” по части потребления электроэнергии, что косвенно предполагает лишь ее эпизодическое включение при сильных солнечных вспышках.

Что не решает проблему космического излучения полностью, поскольку и при спокойном Солнце минимальная доза облучения, получаемая космонавтами в течение 15-ти месячного полета, составит примерно 1 Зиверт. Быстрой, но мучительной смерти от лучевой болезни это уже не означает, однако вред все-таки наносит серьезный. Длительное облучение в подобных дозах существенно повышает риск онкологии, кроме того, может привести к выраженным расстройствам психики, нарушениям памяти, повышению тревожности и потере способности к концентрации на выполняемых задачах.

Таким образом, пилотируемый полет на Марс требует разработки либо постоянно действующей установки искусственного магнитного поля, либо облегченных противорадиационных экранов. А скорее всего – и того, и другого.

Другая проблема, связанная с длительным космическим полетом, знакома космическим агентствам намного лучше. Это – воздействие невесомости на человеческий организм. Если конкретнее – воздействие невесомости на кости, которые при возвращении тяготения становятся повышенно ломкими. После восьмимесячного полета на околоземной орбите космонавт восстанавливается в течение двух лет. На Марсе же такой роскоши не будет. Следовательно, к его гравитации, пусть и незначительной относительно земной, необходимо будет подготовиться заблаговременно.

Способ сделать это благодаря научной фантастике достаточно широко известен – это создание искусственной силы тяжести с помощью центрифуги. Но здесь есть сложность неявного характера. В центрифугах относительно небольшого размера возникают кориолисовы ускорения, искажающие восприятие человеком силы тяжести и крайне вредно сказывающиеся на здоровье, в частности, на внутренних органах. Монтаж же достаточно крупной центрифуги, в которой данное явление наблюдаться не будет, упирается во все тот же вопрос полетной массы. Возможно, впрочем, создание вращающейся системы из двух разнесенных модулей и соединяющего их троса, что позволит сымитировать “большую центрифугу” подручными методами. Но этот вариант требует отдельной детальной проработки.

В том же, что касается психологии… Как показал эксперимент “Марс-500”, если взять однородный в гендерном и культурном плане экипаж из специально отобранных стрессоустойчивых людей, то больших проблем быть не должно. Но одно дело – участвовать в эксперименте, заведомо зная, что ты на Земле и ничего тебе, в сущности, не угрожает. И совсем другое – участие в реальном полете. Потому в части поддержания психологического комфорта экипажа неважных вопросов, пожалуй, и нет.

Стоит отметить, что при уменьшении времени полета пропорционально снизятся и описанные выше вредные воздействия. Тем не менее, даже рассматриваемый на настоящий момент минимум в месяц-полтора полета – это достаточно много, чтобы возникло требование к обязательному учету перечисленных факторов.

На Марсе

Помните, что было сказано об опасности космического излучения во время полета? Так вот, для Марса это также справедливо. Магнитное поле Марса слабее земного в 800 раз. Проще говоря, его почти нет. А нет магнитосферы – нет и защиты от солнечной радиации. Так что длительное нахождение вне экранированного тем или иным способом модуля крайне нежелательно.

Кроме того, серьезную опасность представляют песчаные бури, механизм возникновения которых до сих пор не до конца понятен. Кроме того, о надвигающейся буре при существующей инфраструктуре невозможно предупредить за приемлемое время, поскольку метеорологических спутников на орбите Марса нет. Возможно, стоит их там поместить?

Также представляет опасность пыль, и не только из-за абразивных свойств. Во-первых, в ней содержится сравнительно большое количество хрома (0.2%). Сам по себе он не опасен, зато соли хромовой кислоты, вероятность присутствия которых также серьезная, являются очень сильными канцерогенами. Во-вторых, марсианская пыль достаточно сильно наэлектризована, и разряд, проскочивший между скафандром и кораблем, способен серьезно повредить электронику и там, и там. Возможно – с печальными последствиями.

Остальное, в общем-то, общеизвестно. На Марсе существенно холоднее, чем на Земле, слишком малое атмосферное давление, чтобы выжить без специальных приспособлений, и атмосфера из углекислого газа, которой, как легко догадаться, дышать нельзя.

Да, и вырастить картошку в марсианском грунте, даже с земными “удобрениями”, вряд ли получится – в почве Красной Планеты в обилии присутствуют соли хлорной кислоты, токсичные для любых видов растений.

На этом все. До новых встреч!

http://cont.ws/post/410552