Марсианская экспедиция

Глава из книги К.П. Феоктистова "Космонавтика без фанфар и амбиций" (М.: Знание, 1991)
По материаллам журнала "Марсианское время"

Сразу же возникает вопрос — зачем? Почему именно сейчас нам нужно осуществлять это грандиозное предприятие? Убедительных доводов нет. Напротив, легко проглядывается элемент детской логики: "Туда можно добраться и побывать — значит, туда нам и нужно!"

Действительно:

• Меркурий — и добраться труднее (требуется большая энергетика), и там слишком жарко, и атмосферы там нет, и делать вроде бы там нечего — ну та же каменистая пустыня, что и на Луне;
• Венера — на поверхности, мягко говоря, слишком жарко (450—500 °С) и давление совершенно непереносимое (100 атм) — нельзя там высаживаться;
• Юпитер, Сатурн и далее — все хуже и сложнее: и энергетики гораздо больше требуется, и сила тяжести больше, а уж об атмосфере лучше не говорить.

А Марс — дело другое: сила тяжести на поверхности — 0,4 от земной, атмосфера хотя и весьма разреженная, но все же есть, температурные условия полегче, чем на Луне.

Одним словом, Марс и понятнее и доступнее. Правда, остается непонятным: зачем туда посылать экспедицию? "А как же? — отвечают ее сторонники. — Нам предстоит рано или поздно колонизировать Марс". Но зачем колонизировать Марс? Он явно непригоден для жизни людей. Еще можно представить создание базы на Марсе (когда и, если поймем, зачем она нужна), но необходимость колонизации представить себе трудно.

И все же есть одна задача, решение которой могло бы оправдать посылку экспедиции на Марс. Речь идет о поисках жизни на этой планете. Некоторые основания (правда, может быть, ничтожно малые) для надежд на успех имеются: есть остатки атмосферы, на снимках поверхности Марса найдены следы водной эрозии. Может быть, там есть простейшие организмы, простейшая жизнь на уровне, скажем, бактерий или грибков? Интерес представляют, собственно, не сами эти живые организмы, а механизм их воспроизводства. Каков он? Такой же, как на Земле (а на Земле с точки зрения устройства этого механизма все мы — и растения и животные — родственники)? Если этот механизм одинаков, правдоподобна гипотеза "посева" жизни во Вселенной (это не было бы абсолютным доказательством — экспериментальная точка-то была бы одна). Если эти механизмы окажутся совершенно разными, получила бы существенное подтверждение теория самозарождения жизни.

Конечно, было бы естественным попытаться "отловить" живые организмы с помощью автоматических аппаратов, высаживаемых на Марс. Это и делалось, но пока не получилось. И точек забора проб было слишком мало, и сама методика анализа проб "на жизнь" не очень убедительна.

Продолжением этих работ с автоматическими аппаратами может стать марсианская экспедиция. Ее возможными задачами могли бы быть поиск и исследование районов поверхности Марса, где имеются какие-то шансы отыскать признаки жизни, поиски живых организмов или растений, взятие проб грунта (в разных точках поверхности и на разной глубине) и атмосферы, первичное изучение этих образцов на месте (чтобы можно было скорректировать программу исследований при положительных результатах), доставка проб грунта и атмосферы на Землю, изучение поверхности Марса, его строения, его естественной истории.

Технические средства марсианской экспедиции в значительной степени определяются основными операциями, осуществляемыми в процессе ее полета, самой схемой полета. Для осуществления экспедиции естественно принять принципиальную схему американской лунной экспедиции — старт с орбиты спутника Земли, перелет к Марсу, выход на орбиту спутника Марса, спуск на поверхность планеты экспедиционного марсианского корабля с частью экипажа (остальная часть экипажа должна при этом оставаться на орбите спутника Марса в орбитальном корабле), проведение исследований на поверхности планеты, сбор проб грунта и атмосферы, возвращение экспедиционного корабля на орбиту спутника, его сближение и стыковка с орбитальным кораблем, переход участников высадки на орбитальный корабль, его старт с орбиты спутника Марса к Земле и возвращение экспедиции.

Сразу выделяются две части: орбитальный и экспедиционный корабли. Их облик существенно зависит от количества топлива, которое нужно израсходовать для выполнения динамических операций, связанных с изменением скорости движения кораблей. Количество топлива, расходуемое в данной динамической операции, определяется величиной требуемого приращения скорости, качеством двигателя и массой корабля. Поэтому в процессе анализа до выбора конструктивной схемы и типа двигателя корабля энергетические затраты обычно характеризуют приращением скорости корабля (по интегратору) на различных этапах полета.

Для корабля марсианской экспедиции эти затраты ориентировочно выглядят следующим образом.

1. Выведение комплекса с орбиты спутника Земли на траекторию полета к Марсу 3,6 — 4 км/с (в зависимости от отклонения от оптимальной даты старта)
2. Затраты на орбитальном корабле:
   — выход на орбиту спутника Марса 0,1 — 1,5 км/с (в зависимости от способа выхода на орбиту и от выбранных ее параметров);
   — старт орбитального корабля с орбиты спутника Марса к Земле: 0,5 — 1,5 км/с (в зависимости от параметров орбиты спутника Марса),
   — выход на орбиту спутника Земли 0 — 3,2 км/с (в зависимости от выбранной схемы возвращения — с прямым входом спускаемого аппарата в атмосферу Земли или с предварительной "остановкой" на орбите спутника Земли).
3. Затраты на экспедиционном корабле:
   — сход с орбиты на траекторию спуска и посадка порядка 0,2 — 0,3 км/с;
   — выведение с поверхности Марса на орбиту спутника: в пределах 5,3 — 4,2 км/с (в зависимости от параметров орбиты, на которой ожидает орбитальный корабль);
   — сближение и причаливание к орбитальному кораблю: 0,1 — 0,2 км/с.

Из приведенных данных видно, что по марсианскому экспедиционному кораблю (МЭК) многое значительно понятнее и определеннее. Сразу можно представить энергетику и образ этого корабля.

Двигательных установок у МЭК две. Одна — на посадочном устройстве (для схода с орбиты и посадки), другая — на взлетной ступени (выведение на орбиту, сближение и стыковка с орбитальным кораблем)

Условия работы, большое количество включений двигателей (у управляющих — тысячи включений) определяют компоненты топлива: высококипящие, самовоспламеняющиеся, а следовательно, и токсичные, такие, как, например, пара — азотный тетраксид и несимметричный диметилгидразин. Токсичность компонентов — крупный недостаток, тем более что космонавтам придется выходить на поверхность планеты, "политую" ими. Да и есть что-то непорядочное в этом деле: являются люди на чужую планету, где они ищут жизнь, и начинают с того, что отравляют район посадки и живые организмы, которые они ищут, в этом районе. Прагматические соображения подталкивают к надежным и удобным для применения токсичным компонентам, да и репутация людей у марсиан давно уже испорчена: ведь во всех садившихся на поверхность Марса автоматах использовались такие же компоненты. Но неплохо бы поискать и нетоксичную пару высококипящих (т.е. находящихся в виде жидкости при нормальной температуре), самовоспламеняющихся (для обеспечения надежности работы двигателей, включающихся десятки, сотни и тысячи раз), достаточно стабильных ударостойких компонентов. В принципе есть пара, близкая по характеристикам к этим противоречивым требованиям: концентрированная перекись водорода и какое-нибудь нетоксичное углеводородное горючее с присадками, обеспечивающими самовоспламенение с перекисью водорода. При этом надо еще найти присадки к перекиси водорода (флегматизаторы), которые повышали бы ее стабильность.

На посадочном устройстве должно располагаться оборудование, нужное во время спуска и пребывания экспедиции на поверхности, но ненужное при возвращении с поверхности Марса на орбитальный корабль: лобовой аэродинамический щит, используемый на основном участке торможения в атмосфере Марса и сбрасываемый после введения парашютной системы, сама парашютная система, лабораторный отсек для внутрикорабельных работ на поверхности Марса, генераторы электроэнергии (скорее всего, изотопные), оборудование управления посадкой, система терморегулирования посадочного устройства и корабля в целом, работающая на поверхности, включая подогреватели (скорее всего, изотопные), необходимые во время марсианских ночей (да и марсианских дней тоже), оборудование и запасы систем жизнедеятельности (кислород и вода), шлюз и скафандры для выходов из корабля с необходимым бортовым оборудованием, средства связи, телевизионного обзора внешнего пространства, пульты и средства отображения получаемой информации, марсоход, позволяющий совершать достаточно далекие и длительные экспедиции, со своими системами электропитания, жизнедеятельности, связи, управления, системой терморегулирования и т.п., исследовательское оборудование (атмосферные зонды, буровые установки, анализаторы, термостаты и т.п.).

Тут вырисовывается проблема объема лабораторного отсека — ведь экспедиции придется работать на поверхности Марса, возможно, несколько месяцев. Это означает, что нужно будет иметь десятки кубометров объема и отдельные каюты.

Сколько человек должно высадиться на поверхность Марса? Естественно было бы в районе посадки и на марсоходе работы вести параллельно Тогда экипаж экспедиционного корабля должен состоять из четырех человек (в каждой команде по два человека — для дублирования друг друга) Если стремиться к минимуму, то можно ограничиться двумя, которые то работают на месте посадки, то совершают поездки на марсоходе. Последний вариант кажется не очень убедительным: лететь за тридевять земель и ограничиваться минимальной деятельностью. Да и безопасность такой схемы вызывает сомнения. Тут просматривается компромисс: иметь не один, а два марсианских экспедиционных корабля — один с большим лабораторным отсеком для работ в районе посадки, а другой с марсоходом. Их посадка должна быть разнесена по времени, что позволит использовать второй экспедиционный корабль для оказания помощи первому в случае необходимости. А экипаж каждого — два человека.

Экспедиционный корабль стартует с поверхности Марса без посадочного устройства. В его состав, помимо взлетной ракетной системы, должны входить кабина, аппаратура управления, связи, телеметрии, терморегулирования, электропитания (скорее всего, на химических источниках тока — время автономного полета без посадочного устройства невелико), средства обеспечения жизнедеятельности экипажа, стыковочное устройство.

Проблема связи экспедиционного корабля с орбитальным может оказаться сложной: связь между ними только два раза в сутки едва ли можно будет признать удовлетворительной. А дело еще более представится сложным, если вспомнить о необходимости связи между экспедиционным кораблем и марсоходом, после того как марсоход уйдет за горизонт. Проблему можно решить, если оставить, орбитальный корабль на марсостационарной орбите. При этом орбитальный корабль висел бы неподвижно над поверхностью Марса, и его положение можно выбрать над точкой высадки. Тогда естественным образом обеспечивалась бы непрерывная связь орбитального корабля и с экспедиционным, и с марсоходом, а следовательно, и между ними (через орбитальный корабль). Такой вариант неплохо увязывается со схемой, в которой используется орбитальный корабль с электрореактивными двигателями.

Объем кабины экспедиционного корабля может быть для двух человек достаточно малым — порядка 3 — 4 м³.

Для орбитального корабля и связанных с ним проблем выведения на траекторию полета к Марсу и выведения с орбиты спутника Марса на траекторию полета к Земле такой определенности, как для экспедиционного, нет. Можно предложить два основных варианта для решения задач выведения: использование электрореактивных двигателей и использование жидкостных реактивных двигателей.

При использовании электрореактивных двигателей орбитальный корабль представляет собой единое целое с двигательной установкой. На этапах полета от орбиты спутника Земли и до выхода на орбиту спутника Марса в его состав будет входить и марсианский экспедиционный корабль. Схема полета марсианской экспедиции в этом случае выглядит следующим образом:

• разгон с низкой околоземной орбиты на стартовую высокую орбиту (за радиационными поясами), во время которого корабль движется в течение двух-трех месяцев в радиационных поясах Земли без экипажа (что связано с низкой тяговооруженностью кораблей с электрореактивными двигателями);
• выведение экипажа на стартовую высокую орбиту на специальном транспортном корабле, сближение его с орбитальным кораблем марсианской экспедиции, причаливание, переход экипажа в орбитальный корабль, отделение транспортного корабля;
• дальнейший разгон орбитального корабля на траекторию полета к Марсу с помощью тех же электрореактивных двигателей;
• переход на орбиту спутника Марса за счет работы тех же электрореактивных двигателей;
• ожидание на орбите возвращения экспедиционного корабля;
• старт с орбиты спутника Марса на траекторию полета к Земле;
• прямой спуск экипажа экспедиции на Землю и выведение орбитального корабля без экипажа на околоземную орбиту опять за счет работы электрореактивных двигателей.

В этой схеме появляются большие энергетические затраты, так как при разгоне и торможении во время ухода с орбиты спутника планеты или перехода на орбиту спутника с малой тягой величина скорости, характеризующей энергозатраты, приблизительно удваивается. Поэтому если при использовании обычных химических реактивных двигателей с тяговооруженностью порядка единицы суммарная характеристическая скорость составит 4,5 — 7,3 км/с (включая затраты на уход с орбиты спутника Земли), то для корабля с электрореактивными двигателями эта величина составит 9 — 14 км/с (в зависимости от оптимальности дат старта и параметров орбиты спутника Марса). Само по себе это не страшно: высокая скорость реактивной струи компенсирует этот недостаток. В электрореактивных двигателях можно получить скорость истечения порядка 50 000 — 100 000 м/с вместо 4600 м/с даже в кислородно-водородных жидкостных двигателях. Поэтому топливо на осуществление этих операций у корабля с электрореактивными двигателями составит от 9 до 24%, а у комплекса с ракетными ступенями на химическом топливе 63 — 80% от стартовой массы на орбите спутника Земли. В этом соотношении видно самое важное преимущество электрореактивных двигателей: увеличение конечной массы корабля (или массы марсианского экспедиционного корабля) слабо влияет на увеличение стартовой массы и, следовательно, на общее усложнение предприятия в процессе его разработки и создания.

Зато корабли с электрореактивными двигателями имеют и принципиальные недостатки: отсутствует опыт многолетней эксплуатации этих двигателей, нужна мощная энергоустановка на борту корабля, ресурс работы самих электрореактивных двигателей должен исчисляться тысячами часов.

Для стартовой массы комплекса порядка 250 — 300 т на борту корабля потребуется установить электростанцию мощностью порядка 7 — 10 МВт с массой порядка 70 — 100 т.

Обычно рассматривались ядерные электростанции, и ко всем осложнениям прибавлялась проблема радиационной защиты экипажа и оборудования корабля при ее приемлемой массе. Причем задача усложняется тем, что ее нужно решать не только во время полета комплекса в целом (когда отсеки экипажа и ядерный реактор неподвижны друг относительно друга и, следовательно, можно ограничиться теневой защитой), но и на участках, когда экспедиционный корабль уходит от орбитального и приближается к нему.

Корабль с ядерной электростанцией и электрореактивными двигателями можно представить в виде ряда составных частей, последовательно располагающихся вдоль его продольной оси: ядерная энергоустановка (ЯЭУ), включающая в себя и реактор, теневая защита, экранирующая остальную часть конструкции и жилые отсеки от радиации ЯЭУ, электрореактивные двигатели с системой подачи рабочего тела к ним, бак с рабочим телом, ферма, соединяющая ЯЭУ с отсеками корабля, радиатор системы терморегулирования ЯЭУ для отвода тепла, не использованного в преобразователях, которые преобразуют тепло, выделяемое в реакторе, в электроэнергию (геометрически это самая большая часть корабля), отсеки орбитального корабля, спускаемый аппарат, используемый при возвращении на Землю, экспедиционный корабль.

Такая схема для марсианской экспедиции имеет то преимущество, что комплекс вытянут вдоль продольной оси, центр масс находится в районе соединительной фермы и сравнительно просто может быть реализована искусственная тяжесть в отсеках экипажа путем вращения комплекса вокруг оси, перпендикулярной продольной оси (если будет признано целесообразным наличие искусственной силы тяжести для экипажа марсианской экспедиции, которая может продолжаться 2 — 3 года).

Проблемы, связанные с энергоустановкой, могут существенно измениться, если использовать не ядерную установку, а солнечные батареи. Для мощности 7 — 10 МВт потребуются солнечные батареи площадью порядка 10 000 м². Солнечные батареи смогут конкурировать с ЯЭУ только в случае, если масса ферменных конструкций и самих солнечных элементов, приходящаяся на один киловатт получаемой электроэнергии, не будет превосходить 7—10 кг. Эта задача может быть решена, если будут созданы пленочные солнечные батареи с массой 100 — 200 г/м² и с коэффициентом полезного действия порядка 5 — 7%. Таким образом, пленочные солнечные батареи могут оказаться нужны для марсианской экспедиции, для солнечных орбитальных электростанций и для орбитальных заводов. Это — актуальная задача для современной техники.

Для варианта марсианской экспедиции с использованием только реактивных двигателей на химическом топливе существенно важен выбор самой оптимальной по энергетике схемы полета.

Такой схемой может быть следующая:

• выведение на низкую околоземную монтажную орбиту кораблей экспедиции и доставка на комплекс марсианских кораблей экипажа с помощью транспортного корабля;
• выведение на монтажную орбиту водородко-кислородной разгонной ракеты (предназначенной только для выведения кораблей экспедиции на траекторию полета к Марсу) и стыковка ее с кораблями экспедиции;
• старт к Марсу (с отстыковкой разгонной ракеты после окончания ее работы) в наиболее оптимальную дату, с тем чтобы ограничиться скоростью ухода с околоземной орбиты порядка 3,7 — 4,0 км/с;
• переход на сильно вытянутую эллиптическую орбиту спутника Марса практически без расхода топлива, за счет торможения кораблей в атмосфере Марса (во время движения в атмосфере корабль придется защищать от нагрева теплозащитным экраном);
• отделение экспедиционного корабля, его спуск, работа на Марсе, возвращение экспедиционного корабля на орбиту, сближение и стыковка его с орбитальным кораблем, переход экипажа экспедиции в орбитальный корабль, отделение экспедиционного корабля;
• отлет орбитального корабля с орбиты спутника Марса к Земле с помощью маршевого двигателя объединенной двигательной установки орбитального корабля;
• при подлете к Земле переход экипажа в спускаемый аппарат, вход его в атмосферу Земли со второй космической скоростью и приземление.

Чтобы как-то представить общие масштабы комплекса, можно назвать следующие величины: при общей массе орбитального и экспедиционного кораблей с их двигательными установками и топливом порядка 120 т масса комплекса может составить величину порядка 300 т.

Если экипаж экспедиции, высаживаемой на Марс состоит из 4 человек, то общий состав марсианской экспедиции должен быть не менее 6 человек.

Бортовые системы и вычислительные машины орбитального корабля должны обеспечивать управление навигацию в полете, связь с Землей, с экспедиционных кораблем, с марсоходом, между экспедиционным кораблем и марсоходом — через орбитальный корабль и т.д.

В связи с необходимостью минимизировать массу корабля и большим временем его полета для обеспечения жизнедеятельности нужно будет использовать замкнутую по кислороду и воде систему.

Длительный полет экспедиции вдали от Земли без возможности оказания прямой помощи космонавтам ставит вопрос о полете в составе марсианской экспедиции нескольких кораблей, которые могли бы оказывать такую помощь друг другу и в то же время не дублировали программы своих работ.