Курс на Марс. Самый реалистичный проект полета к Красной планете

Зубрин Роберт

Тем не менее мы работали вместе, и в течение некоторого времени в 1990 году – чрезвычайно эффективно. Мы дополняли друг друга. У меня было очень хорошее академическое образование в широких областях математики, естественных наук и инженерии, а он обладал огромным инженерным опытом и блестяще ориентировался в своей области знаний. Я обеспечивал креативность и задор, он – дисциплину. Мы так и не стали близкими друзьями, но как команда сработались.

Как уже упоминалось выше, в 1989 году я показал в ряде работ, что, если бы были доступны ядерные ракетные двигатели, а для взлета с Марса и возвращения на Землю мы сумели бы использовать произведенное на Марсе топливо, пилотируемую миссию к Марсу можно было бы запустить с помощью одной ракеты-носителя класса «Сатурн-5». Бейкер разработал такую тяжелую ракету-носитель для НАСА. Он назвал ее «Шаттл Зет» в честь «Кода Зет», подразделения НАСА, которое отвечало в то время за разработку планов по пилотируемому освоению космоса. «Шаттл Зет» был создан на основе предварительного проекта аппарата НАСА «Шаттл Си», у которого

орбитальный аппарат заменили на увеличенный грузовой отсек. «Шаттл Си» может доставить на НОО около 70 тонн груза. Добавив мощную верхнюю ступень, работающую на смеси водорода и кислорода, внутрь увеличенного бокового грузового отсека, Бейкер создал «Шаттл Зет» и увеличил грузоподъемность ракеты до 130 тонн (на НОО), это всего на 10 тонн меньше, чем способен поднять «Сатурн-5». Поскольку все ключевые компоненты «Шаттла Зет» были взяты из запаса деталей для шаттла, мы могли бы разработать транспортное средство быстро и недорого, а это ключевое требование для программы, рассчитанной на десятилетие.

Итак, у нас была ракета-носитель, но не было ядерного ракетного двигателя, для того чтобы хотя бы долететь с Земли на Марс или наоборот. Если отправлять наше оборудование к Марсу, не пользуясь ядерными двигателями, то потребуются два запуска. Само по себе это не было препятствием, но делало архитектуру нашей миссии по меньшей мере неизящной. В нашем проекте возвращаемый на Землю аппарат располагался над обитаемым модулем, который, в свою очередь, находился над частично заполненной верхней ступенью «Шаттла Зет», которая крепилась над еще одной почти заполненной ступенью. Эта цепочка была бы собрана на орбите с помощью стыковки и маневрирования в доках, причем первые три элемента (ВЗА, обитаемый модуль и одна частично заполненная ступень) были бы доставлены одним «Шаттлом Зет», а четвертый элемент (еще одна почти заполненная ступень) – вторым «Шаттлом Зет».

По ряду причин этот вариант показался нам не слишком привлекательным. Для начала, длинная цепочка устройств неудобна в использовании, и какая бы ракета ни доставляла первой полезную нагрузку на НОО, за несколько месяцев значительное количество топлива в верхней ступени испарится. По прибытии на Марс ВЗА и обитаемый модуль будут располагаться позади тормозной подушки – оболочки в форме гриба или тупого конуса, – и их станет замедлять марсианская атмосфера. Вес ВЗА и обитаемого модуля получился бы настолько большим, что было бы сложно изготовить парашют достаточного размера, который уместился внутри головного обтекателя «Шаттла Зет». Но на Марсе возникли бы еще более серьезные проблемы.

Когда стало понятно, что без ядерного реактивного двигателя не обойтись, я разработал реактивную установку, которая бы просто сжимала и запасала марсианский углекислый газ, а затем нагревала его в ядерном реакторе для получения высокотемпературного ракетного выхлопа. Марсианская атмосфера почти на 95 % состоит из диоксида углерода, который сжижается при марсианских температурах, если приложить давление около 6,8 атмосферы. Механически такая система производства топлива очень проста. Фактически нужен насос. В рамках такого плана было бы разумно предположить, что астронавты начнут добывать топливо для своего возвращения, после того как высадятся на Марс. Однако без ядерного реактивного двигателя любое топливо, произведенное на Марсе, пришлось бы изготавливать с помощью какой-то иной формы химического синтеза. Это было бы значительно сложнее, чем просто сжатие и хранение двуокиси углерода. Несомненно, НАСА вполне резонно настаивало на том, чтобы все ракетное топливо, необходимое для возвращения на Землю, было бы заготовлено до того, как экипаж займется исследованием Марса; в противном астронавты могут оказаться в безвыходном положении, если процесс производства сорвется.

В 1989 году Джим Френч, независимый технический консультант, опубликовал в журнале Британского межпланетного общества статью, содержавшую некоторые из этих рассуждений. Френч предложил отправить на Марс завод по производству ракетного топлива до прибытия экипажа. Завод будет производить и накапливать топливо для возвращения экипажа. Но оставалась проблема: как посадить космический корабль на таком расстоянии от топливного склада, которое не превышало бы длины шланга? Задача казалась настолько трудной, что Френч в завершении статьи признавал: использование марсианского топлива останется непрактичным до тех пор, пока на Марсе не будут обустроены база для астронавтов и местная инфраструктура, которая обеспечит защиту от любого рода непредвиденных обстоятельств.

Дела обстояли следующим образом: отказавшись от ядерного ракетного двигателя, мы получили возможность сократить время подготовки миссии, но вместе с тем получили целый ворох проблем. Наиболее сложным был вопрос транспортировки топлива, произведенного нашим заводом, из «складских» баков в ВЗА. Зависеть от заранее доставленного на Марс роботизированного бензовоза? Слишком рискованно. Разыскивая решение, я придумал новый вариант архитектуры миссии, который сейчас кажется очевидным. Не нужно посылать команду вместе с ВЗА – сначала нужно отправить ВЗА, совмещенный с топливным заводом. Эта идея разом решала практически все проблемы. Обитаемый модуль и ВЗА сами по себе достаточно легкие, чтобы запустить каждый из них непосредственно на Марс одним «Шаттлом Зет». Нам по-прежнему потребуются два запуска, но теперь один «Шаттл Зет» может нести ВЗА, а другой – экипаж и жилой модуль. Чтобы объединить полезную

нагрузку из ВЗА и обитаемого модуля, потребовалась бы огромная система торможения, что стало бы серьезной проблемой ее разработчиков. Но для отдельных запусков можно изготовить отдельные удобные в управлении системы торможения, которые соответствуют размерам головного обтекателя «Шаттла Зет». Чтобы гарантировать, что наш марсианский экипаж не окажется в затруднительной ситуации из-за отсутствия топлива, ВЗА полетит на Марс во время стартового окна, предшествующего запуску астронавтов, то есть за двадцать шесть месяцев до них. Таким образом, все топливо будет заготовлено даже до того, как экипаж покинет Землю, и так как завод для производства ракетного топлива будет отправлен на Марс совместно с ВЗА, не придется переживать из-за места посадки. Трубопровод, который доставит изготовленное на Марсе топливо из модуля химического синтеза в топливные баки ВЗА, будет смонтирован еще на Земле.

Лучше всего, если ни на одном этапе миссии не требуется сборка на орбите или любого рода рандеву на ней. Единственное необходимое рандеву состоится на поверхности Марса, и оно легко выполнимо. Во время программы «Аполлон» мы высадили экипаж в пределах 200 метров от корабля «Сервейор», который прибыл на Луну несколькими годами ранее, а имеющаяся в нашем распоряжении современная бортовая техника намного точнее. Если во время орбитального рандеву промахнуться на 10 метров, стыковки не произойдет. А при встрече на поверхности можно высадиться в 10 километрах от цели, а затем просто дойти или доехать до нужного места. Кроме того, в качестве части полезной нагрузки жилого модуля мы предусмотрели герметизированный ровер, который может проехать до 1000 километров; нужно очень плохое пилотирование, чтобы высадиться от ВЗА на большем расстоянии. И что бы ни говорили о бюрократии НАСА, в штате астронавтов НАСА состоят одни из лучших в мире пилотов. Несомненно, встреча на поверхности Марса окажется удачной.

Хотя отправка экипажа на Марс отдельно от ВЗА кажется отчаянной мыслью, на самом деле она будет гораздо безопаснее, чем высадка экипажа вместе с транспортным средством, которое отправит людей обратно на орбиту Марса. Причина проста: если ВЗА высадится первым, астронавты еще до своего старта будут знать, что их ждет полностью работоспособная система для взлета с Марса и возврата на Землю, которая уже выдержала испытание посадкой на Марс. Для сравнения, если экипаж высаживается с системой возвращения на Землю, можно только догадываться, в какой состоянии взлетный модуль будет после того, как они переживут удар о поверхность Марса. Кроме того, согласно нашему плану экипаж отправится на Марс одновременно с еще одним ВЗА, который приземлится в пределах досягаемости герметизированного ровера. Этот второй ВЗА начнет производить топливо для второго пилотируемого полета на Марс, но в случае возникновения чрезвычайной ситуации он может служить резервным жилым модулем для экипажа первой миссии.

К тому же два ВЗА на поверхности Марса и собственный жилой модуль первого экипажа дают нам в общей сложности три жилых объекта, которые могут обеспечить астронавтам комфортное существование. Что касается безопасности марсианских миссий, это лучшее, что можно придумать.

Чем дольше мы продумывали новую архитектуру миссии, тем лучше она становилась. Мы продолжали прорабатывать необходимые подсистемы и конструкции оборудования. Я сосредоточился на синтезе марсианского ракетного топлива. Основным направлением работ в этой области в 1990 году было исследование нового способа расщепления диоксида углерода (СО) на угарный газ (СО) и кислород (O₂), которые затем можно сжечь вместе как ракетное топливо. Единственный ингредиент для этого процесса – CO₂ – на Марсе так же доступен, как воздух на Земле.

Однако существовало и множество недостатков. Процесс был изучен недостаточно. Чтобы сделать реактор, способный обеспечить энергией пилотируемую марсианскую миссию, потребовались бы десятки тысяч маленьких хрупких керамических трубок с высокотемпературными (около 1000 °C) заслонками на концах. Кроме того, двухкомпонентное ракетное топливо из угарного газа и кислорода, производимое таким способом, имело бы низкое качество и удельный импульс лишь около 270 секунд. (Удельный импульс – это время, за которое производится фунт, то есть около 450 граммов, ракетного топлива, чтобы создать тягу в 1 фунт. [18] Чем выше это число, тем лучше. Удельный импульс двигателей немецких ракет «Фау-2», использовавшихся во время Второй мировой войны, составлял около 230 секунд, а современные двигатели «Пратт энд Уитни RL-10», работающие на смеси водорода и кислорода, имеют удельный импульс в 450 секунд. Ядерный ракетный двигатель на водороде может иметь удельный импульс в 900 секунд.) Не самые удачные показатели смеси угарного газа и кислорода привели бы к тому, что для осуществления полета с Марса на Землю на Красную планету пришлось бы везти очень большие и тяжелые топливные баки. Кроме того, температура пламени при горении этой смеси очень высока, и до сих пор не существует двигателя, который мог бы работать при таких условиях. Разработка такого двигателя обойдется недешево и будет грозить отставанием от графика полетов миссии.

18

1 фунт (или фунт-сила, lbf) = 4,44822 ньютона, 1Н = 1 (кг-м)/с²) = 0,10197 килограмм-силы (кгс). – Прим. пер.