Журнал «Компьютерра» № 13 от 03 апреля 2007 года

КОСМОС: Если завтра на Марс

Автор: Александр Бумагин

Первого апреля принято рассказывать всякие небылицы. Поэтому мы с чистой совестью поставили статью про пилотируемые полеты на Марс именно в первоапрельский номер. Эта мечта начиналась с небылиц, которые на полном серьезе выдумывали наши отцы, а многое из того, что без всяких шуток предлагают для покорения Марса сегодня, небылицами назовут наши дети.

Представьте, что в шестидесятых годах прошлого века на Марс в районе северного полюса высаживаются сразу пять аппаратов. Трое людей, сидящие в одном из них, на поверхности формируют состав из пяти платформ, на которых есть две ракеты для возврата, буровая установка, робот-манипулятор, летательный аппарат для разведки воздухом и, наконец, ядерная энергоустановка. Этот поезд на крупногабаритных колесах за один год проходит путь до другого полюса, экипаж собирает ценный научный материал, а потом с триумфом возвращается на орбиту, где его ждут еще трое космонавтов… Первоапрельская шутка? Вовсе нет. Это в действительности существовавший в ОКБ-1 Королева план покорения Красной планеты. Несмотря на то что появился он еще до полета Гагарина, готовили его не ради потехи.

Да, серьезным планам пилотируемой экспедиции на Марс не пять-десять лет от роду. Первые работы российских ученых (Циолковский, Рюмин, Перельман) о межпланетных сообщениях увидели свет еще в начале прошлого века. Немец фон Браун в 1952 году опубликовал проект полета на Марс, а вскоре после запуска первого спутника над тем же вопросом стали думать в ОКБ-1, потом в США…

На заре космической эры, в 1959 году, под руководством Глеба Максимова был подготовлен проект «Тяжелый межпланетный корабль» (ТМК). Корабль, весящий 75 тонн, должен был взлететь с Земли с тремя космонавтами на борту, отправиться к Марсу, облететь его и пуститься в обратный путь. На Землю возвращался лишь маленький спускаемый аппарат, все прочее «дарилось» Солнцу. Через несколько лет наработки ТМК лягут в основу гораздо лучше продуманного проекта МАВР, который, тем не менее, будет признан неудачным.

В том же 1959 году конкурирующая группа конструкторов, ведомая Константином Феоктистовым, начала работу над принципиально другим проектом ТМК. Кораблю не нужно было стартовать с Земли целиком. Он должен был собираться на орбите и только потом отправиться к Марсу. Проект предусматривал высадку трех человек на Марс (еще трое оставались на орбите). В первоначальном виде эти планы оказались неосуществимы, но позднее из них вырос проект «Аэлита», а главная идея модульности межпланетного корабля, собираемого в космосе, жива до сих пор и используется как основа для всех перспективных разработок.

Общими для наших проектов всегда оставались электрореактивные двигатели (ЭРД) межпланетного корабля. Эти двигатели обладают малой тягой, но могут работать в течение длительного времени. Их большое число делает двигательную подсистему надежной, а ее элементы — взаимозаменяемыми. Поначалу источником энергии для таких двигателей видели небольшой ядерный реактор.

Двигатели в космических полетах решают если не все, то очень многое. На отказы ракетной техники приходится большая часть всех неполадок в этой отрасли, и, несмотря на всеобщее преобладание ракет, работающих на принципе окисления топлива, поиски лучшего решения здесь никогда не прекращаются. Классические химические ракетные двигатели (ХРД) слишком охочи до топлива, и масса двигательного комплекса, способного доставить тяжелый корабль к Марсу и обратно, получается слишкой большой. В контексте полета на Марс наиболее близки к осуществлению проекты, базирующиеся на электрореактивных и ядерных реактивных двигателях (ЭРД и ЯРД).

Принцип работы ЭРД основан на использовании электричества для сообщения нужного количества энергии рабочему телу (как правило, но не всегда, легкому газу), частицы которого, получив, тем самым, большой импульс, выбрасываются из сопла. Рабочее тело можно нагреть, можно после предварительной ионизации и разделения электронов и ионов разогнать частицы в электромагнитном поле. В зависимости от этого меняется и конструкция ЭРД. Главным достоинством этого класса двигателей является высокий удельный импульс, который достигается благодаря высокой скорости истечения рабочего тела, теоретически способной достигать двух сотен километров в секунду. ЭРД потребляют мало топлива, весят сравнительно немного, но весьма охочи до электричества. Кроме того, плотность тяги (отношения величины тяги к площади сечения выбрасываемой двигателем струи) в таких двигателях очень мала, поэтому они не способны придать тяжелому аппарату большое ускорение, то есть на быстрое и одновременно сильное изменение траектории полета они не рассчитаны. Впрочем, это обстоятельство частично компенсируется невиданным для ХРД суммарным временем работы, достигающем сотен часов. В современных аппаратах эти двигатели, как правило, используются только для коррекции орбит, но порой ЭРД является основным: таковым, скажем, обладал зонд SMART 1. В качестве источника энергии для комплекса мощных ЭРД эффективнее всего использовать огромные панели солнечных батарей.

Космических аппаратов с ЯРД еще не было, но работы над созданием таких двигателей велись в СССР и США. Как ясно из названия, в двигателях этого типа рабочее тело нагревается за счет энергии, вырабатываемой ядерным реактором. Эксперименты с ЯРД на Земле связаны с неминуемым радиационным заражением. Во многом именно поэтому работа здесь движется не слишком спешно. При эксплуатации двигателя в космосе экипаж и электроника корабля тоже должны быть защищены от вредного излучения реактора. США проводили наземные испытания двигателя NERVA, которые, несмотря на сырость технологий, продемонстрировали почти двукратное превосходство по удельному импульсу над лучшими ХРД. При этом тяга ядерных двигателей будет сравнимой с тягой ХРД, отчего ЯРД и рассматриваются как одна из альтернатив при проектировании межпланетной экспедиции.

Если отбросить совсем уж экзотичные в наши дни технологии, то для полета к Марсу нужен или ЯРД, или комплекс из сотен недорогих ЭРД. Последние гораздо проще и безопаснее в эксплуатации. За счет большого числа ЭРД этот вариант кажется еще и надежнее, поскольку нетрудно предусмотреть любое разумное количество резервных двигателей. С другой стороны, ЯРД сочетают в себе эффективность ХРД и малую массу комплекса ЭРД, а потому им прочат далекое будущее.

Видеть-то видели, но ничего похожего в действительности не существовало. Не только двигатели, а каждый блок ТМК нужно было придумать, спроектировать, испытать. Особое значение придавалось системе жизнеобеспечения (СОЖ), при создании которой нужно было учесть огромное количество разнообразных факторов. В 1967 году в СССР прошли самые ранние эксперименты по длительной (годичной) изоляции троих человек в небольшом наземном комплексе. Вся отечественная программа, связанная с орбитальными станциями, выросла на результатах того эксперимента и марсианской программе в целом.

В начале 60-х СССР ввязался в лунную гонку, и только когда стало ясно, что первыми на Луне будут американцы, возник проект «Аэлита». Согласно этому плану, полет на Марс длился 630 дней, тридцать из которых ТМК должен был находиться на орбите околомарсианской орбите (экспедиция на поверхности — пять дней). Специальная ракета Н-1, на которую рассчитывали еще с 1959-го, имела максимальную полезную нагрузку в 75 тонн, и для «Аэлиты» потребовалось бы два запуска. Два блока ТМК должны были в автоматическом режиме состыковаться на орбите, образовав 150-тонный комплекс. Дабы защититься от излучения, ядерный реактор мощностью 15 МВт отделялся от прочих систем и экипажа из четырех человек длинным коническим радиатором. После вывода на орбиту и стыковки комплекс покидал пределы радиационных поясов Земли [В целях экономии топлива пересечь радиационные пояса предполагается за несколько дней, что крайне вредно для экипажа. Из-за этого доставлять к стартовой орбите корабль и людей было решено порознь.], и к нему доставлялся экипаж. На Марс должен был сесть один аппарат [Знания об атмосфере Марса в то время были очень ненадежными, поэтому спуск считался самым рискованным этапом полета. Форм для спускаемого аппарата придумывалось множество, и даже в наше время этот вопрос не решен до конца], включающий в себя ракетную систему для возврата на орбиту. После завершения исследований, корабль возвращался к Земле. К сожалению, в 1974 году проектные работы над Н-1 были остановлены, после чего на много лет встала и вся марсианская программа.

В США тоже были свои проекты. Их главным отличием от советских была ставка на ядерный ракетный двигатель (ЯРД) NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). Он изначально создавался как модульный, дабы можно было собирать двигатели разной мощности и решать разные задачи [У СССР в 80-м году тоже появился план полета к Марсу, основанный на применении ЯРД, но эта идея у нас не слишком популярна. Всеми разработками ЯРД в России ведает РНЦ «Курчатовский институт»]. В 60-х годах американцы подготовили проект экспедиции на Марс, которую рассчитывали начать 12 ноября 1981 года. Из соображений безопасности планировалось использовать два корабля с экипажами по шесть человек. После выхода на расчетную траекторию полета корабли должны были состыковаться и в таком виде прибыть в пункт назначения. По прибытии корабли по плану расстыковываются и проводят исследования независимо друг от друга. В первую фазу входили наблюдения с орбиты и управление автоматами, спущенными на поверхность. Только после этого предполагалось отправить вниз две группы по три человека. Время работы людей на Марсе — месяц. Еще через 80 дней, когда взаимное расположение планет станет благоприятным, экспедиция могла возвращаться. В случае нештатной ситуации на одном из кораблей другой мог принять всю дюжину исследователей. 14 августа 1983 года, после 640 суток полета, вездесущий шаттл должен был доставить астронавтов на Землю. Этот проект Америка не потянула так же, как СССР свои задумки.

В 1987 году успехи, связанные с ракетоносителем «Энергия», возродили идеи шестидесятых, а 1988 год принес резкую перемену курса в советской программе: было решено отказаться от реакторов в пользу пленочных солнечных батарей. Этот подход менее опасен, хотя огромные «поля» солнечных батарей и делают весь комплекс грандиозным по размерам. В наши дни российский проект полета на Марс рассчитан на общую длительность экспедиции около двух с половиной лет, из которых на Марсе группа из трех человек должна будет провести неделю. Прочие цифры: масса корабля — около 600 тонн, суммарная мощность солнечных батарей — 15 МВт, суммарная тяга четырехсот ЭРД — 300 Н, экипаж — шесть человек. Предполагается, что на поверхность спустятся два аппарата [Есть вариант и с одним спускаемым аппаратом. Он, конечно же, дешевле, однако не предполагает «разведки боем», которую мог бы провести автоматический грузовой модуль. С другой стороны, отпадает проблема посадки двух кораблей в одной точке поверхности], один из которых грузовой. Для сборки корабля на орбите потребуется 25 запусков «Протона». Стоимость десятилетней подготовки и осуществления экспедиции оценивается в 14 млрд. долларов. Важной особенностью российского проекта является многоразовость межпланетного комплекса. По задумке, после заправки и замены спускаемых аппаратов он сможет повторить полет. Кроме того, российский проект в настоящее время многократно выигрывает по стоимости у всех зарубежных, поскольку почти целиком основывается на опробованных технологиях [Однако это не означает, что все блоки корабля по отдельности существуют в готовом виде и используются. Имеющиеся в мире разработки могли бы послужить прототипами, но не более].

План покорения Марса Америкой, который у всех на слуху в последние годы, сохранил традиционную приверженность конструкторов США к ЯРД. Однако схема доставки взлетно-посадочного модуля к Красной планете отличается принципиально. Этот комплекс в автоматическом режиме должен прибыть к Марсу заранее, после чего от Земли отправится экипаж на одноразовом (в силу особенностей эксплуатации двигателя) межпланетном корабле. В настоящий момент у Соединенных Штатов нет четких представлений о деталях проекта, за исключением разработок пилотируемого корабля «Orion» [ См. «КТ» #653], который уже создается и, возможно, в 2014 году совершит свой первый полет к МКС. Несколькими годами позже доработанная версия должна отправиться к Луне, и уже на основе этого «Ориона» создадут корабль для полета к Марсу. Осуществление марсианских планов США отодвинуто аж на 2030 год. У Америки, как и у нас, много чего не хватает. Нет ядерного двигателя, очень опасного и экологически вредного в испытаниях, нет опыта длительного пребывания в космосе людей и опыта разработки соответствующих систем жизнеобеспечения. По оценкам NASA, с учетом лунного этапа затраты на реализацию всех планов только до 2020 года могут достигнуть 100 млрд. долларов.

Конечно, проекты России и США — в какой-то мере рекламные вывески. Но если относиться к ним серьезно, нельзя не сказать и о возможных проблемах, которые ставит предполагаемый полет к Марсу перед конструкторами и специалистами самых разных наук.

В первую очередь речь идет о безопасности экипажа, подвергающегося длительному воздействию фоновой радиации и кратковременному облучению потоками частиц, порожденных солнечными вспышками. Опыты на животных показали, что если выбраться из-под одеяла радиационных поясов Земли, неизбежны проблемы с памятью, низкая стрессоустойчивость, нарушение пространственного восприятия и пр [Вопрос о радиации задают американцам в контексте их полетов на Луну. Внятное объяснение того, как же NASA защитило своих астронавтов, получить трудно. А орбиты всех пилотируемых станций проходят сейчас внутри радиационных поясов, и космонавты защищены от излучений лишь немногим хуже нас с вами]. Чтобы укрыться от всплесков излучения, которые можно прогнозировать, экипаж должен использовать специальный защищенный отсек корабля, но на поверхности Марса такой возможности не будет. Более того, космические лучи, достигшие поверхности [У Марса нет радиационных поясов (см. статью «Красный вектор» в «КТ» #678)], после взаимодействия с грунтом вызывают повторное облучение. Радиационная защита космонавтов может изрядно утяжелить снаряжение экспедиции.

Совершенно непредсказуемым может оказаться эффект от длительного пребывания в невесомости с последующей высадкой и работой на Марсе. Пока, после долгих орбитальных полетов, космонавтам приходится проходить целый комплекс восстановительных процедур, а до первого курорта на Марсе еще слишком далеко. Сила тяжести на поверхности составляет там 30% от земной, что будет очень резким перепадом после месяцев полета. Несколько десятилетий назад в СССР возникла идея сконструировать обитаемый отсек корабля в виде вращающейся центрифуги, но оказалось, что для устранения вредящих вестибулярному аппарату и всему организму кориолисовых ускорений такую центрифугу нужно делать слишком большой. Пока есть компромиссный вариант: каждому члену экипажа в российском варианте полета будет вменяться в обязанность два часа в сутки проводить в небольшой центрифуге, совмещая это с физическими нагрузками. Существует рабочий экземпляр этой установки в Центре им. Келдыша.

О психологических аспектах длительных полетов уже немало сказано на страницах нашего журнала [См., например, «КТ» #674], мы же остановимся на физиологических особенностях женщин и мужчин в связи с путешествиями в космосе. Профессор Уильям Роу из медицинского колледжа Огайо в результате своих исследований сделал вывод, что на Марс лучше лететь женщинам. У мужчин, которым «за тридцать» (этот возраст считают самым благоприятным для полета), гораздо выше шансы столкнуться с проблемами сердца, а их далеко не всегда можно спрогнозировать. Кроме большей стрессоустойчивости, женщины еще и выгодно отличаются от мужчин меньшей массой тела, потреблением воздуха, пищи и объемом отходов жизнедеятельности. Впрочем, у женщин есть и физиологические особенности, которые требуют более сложной конструкции скафандров. В России этот голос из-за океана не услышан: напомним, что в эксперименте «Марс-500» женщины не участвуют.

Что касается СОЖ, модель которой собираются в очередной раз опробовать как раз в «Марс-500», то даже многолетний опыт советской пилотируемой космонавтики не дает нужных гарантий. Системы регенерации воды и воздуха на «Мире» и МКС регулярно дают сбои. В миллионах километров от Земли в случае аварии неисправный блок не доставишь очередным «Прогрессом». Иными словами, одна из важнейших проблем экспедиций к другим планетам — ненадежность техники. Аварии с человеческими жертвами и без, выход из строя спутников и/или отдельных частей, регулярные «нестыковки» даже при попытках грузового корабля причалить к МКС — все это доказывает рискованность полета к Марсу при нынешнем развитии техники. А ведь многое придется делать впервые.

До сих пор у нас нет опыта посадки и возврата спускаемого аппарата в условиях планеты с атмосферой, разительно отличающейся от земной, и этот этап нигде, кроме как на самом Марсе, не отрепетируешь. Взлететь же с Марса не удавалось ни одной из автоматических станций — это только в планах.

Риски, которые неминуемо поджидают межпланетных путешественников, изучаются и в России, и в США. В группе NASA по изучению Марса в 2005 году был подготовлен доклад, содержащий перечень тех самых рисков. Оказывается, самой большой и неодолимой проблемой является пыль, от которой нужно защитить и технику, и людей. Пылевые бури могут сделать невозможной посадку или, что еще хуже, возвращение на орбиту находящихся на планете исследователей. Будучи на Марсе, ракету не спрячешь в ангар на время непогоды, а старт не отложишь по погодным причинам на неделю. Загвоздка в том, что природные явления на Марсе так же «хорошо» поддаются прогнозам, как и на Земле, а потому в отношении самой главной части экспедиции мы попадаем в зависимость от случайности.

Список проблем и опасностей неполон: в таких планах важным является каждый винтик, а опасной — любая соринка. Сейчас при нештатных ситуациях космонавты почти всегда могут рассчитывать на моментальный совет с Земли, в некоторых случаях в приемлемые сроки прибудет и осязаемая помощь в виде запчастей, продуктов и коллег на смену. Межпланетный полет к Марсу будет лишен мгновенной связи, так как сигнал идет только в одну сторону до двадцати одной минуты, и уж тем более не заменишь вышедший из строя и не поддающийся ремонту прибор.

Начальные условия таковы: высокие амбиции и риски, отсутствие многих технологий, огромный срок разработки полета и его грандиозная стоимость. Ситуация усугубляется тем, что в мире нет единства, и то, что можно было бы осуществить сообща, сейчас каждый делает сам — в дела безжизненного Марса уже затесалась политика. Вот только остановит ли это внеземную экспансию человека?