На Марс, как к себе домой
Миссия с размахом
Прежде чем отправить первых астронавтов на Красную планету, американцы собираются построить на ней целый город.
Чтобы понять американский подход к межпланетным исследованиям, достаточно взглянуть на их обычные, земные военные базы. Дядя Сэм не отправит американского солдата в Юго-Восточную Азию сидеть верхом на дизель-генераторе с автоматом в руках. Скорее всего, новобранца на месте будут ждать столовая и прачечная, магазин со свежими продуктами и прессой, клуб с непременным бильярдом и баром и почтовое отделение, формально относящееся к территории США. Там он сможет жить и нести службу много лет, оставаясь в курсе новостей, общаясь со своей семьей, по-прежнему чувствуя себя гражданином своей страны.
Взглянув на марсианскую концепцию NASA, можно подумать, что американцы хотят не просто побывать на Марсе, а «обозначить свое присутствие в регионе». В отличие от российского проекта, подразумевающего полет космонавтов на тяжелом межпланетном корабле вместе со всем оборудованием, кратковременную высадку на Марс и возвращение на Землю на том же корабле, миссия NASA подразумевает 500-дневное пребывание на планете, переработку местных ресурсов, постройку базы для будущих пилотируемых экспедиций. Из двух принципиально разных подходов к надежности, безопасности, ресурсоемкости и, наконец, стоимости миссии пока что невозможно выбрать лучший: ни у России, ни у США реальных марсианских кораблей еще нет. О российском проекте, основанном еще на разработках Королева полувековой давности, мы уже не раз писали. На этот раз рассмотрим концепцию NASA.
Межпланетное расписание
Орбитальные траектории Земли и Марса образуют 15-летний цикл, в ходе которого расстояние между планетами постоянно изменяется. Каждый цикл содержит семь «окон запуска» – моментов, когда взаимное расположение планет позволяет осуществить межпланетный перелет с минимальными затратами времени и энергии. Окна запуска возникают приблизительно раз в 26 месяцев. В течение одного окна с большой вероятностью можно произвести не менее трех удачных запусков.
Марсианская миссия предполагает использование как минимум двух окон. Первое открывает дорогу беспилотным аппаратам поддержки, которые доставят на Марс все необходимое для быстрой организации обитаемой базы и обеспечат астронавтам теплый прием на Красной планете. Один из запусков второго окна может быть пилотируемым. При всем желании, даже смирившись с максимальными рисками, невозможно отправить на Марс корабли поддержки и команду за один раз: грузы должны отправляться по экономичной траектории, позволяющей транспортировать максимум полезной нагрузки, а астронавты – по быстрой траектории, которая снижает время воздействия на команду факторов риска (радиации, невесомости, перегрузок при маневрах). Поэтому астронавты, отправившиеся на Марс в первое окно, прилетели бы раньше собственной базы.
Регулярные грузоперевозки
В первое окно запуска к Марсу один за другим отправятся три грузовых транспорта. Первый доставит на марсианскую орбиту полностью заправленный корабль возвращения. На его борту будет находиться спускаемый аппарат, на котором астронавты войдут в атмосферу Земли и совершат мягкую посадку, полный запас провизии и расходных материалов, необходимых для путешествия команды с Марса на Землю. Внешне корабль возвращения будет повторять марсианский жилой модуль – цилиндр диаметром 7,5 м и высотой 6 м.
Второй транспортный корабль доставит на Марс незаправленный взлетный модуль, который по окончании работ поднимет астронавтов с поверхности планеты и пристыкуется к кораблю возвращения, мобильный завод по производству кислорода и метана, 160-киловаттную атомную электростанцию, запас жидкого водорода, тягач для перевозки модулей базы и пилотируемый марсоход.
Третий грузовой корабль отправит на поверхность Марса лабораторию, вторую (резервную) электростанцию, тягач, запас инструментов и запчастей, радиоуправляемый марсоход-разведчик. Лаборатория, внешне повторяющая жилой модуль, будет содержать провизию и материалы, необходимые для проживания на Марсе в течение всей экспедиции.
Первые два запуска второго окна повторят соответствующие запуски первого. Через два месяца после прибытия астронавтов к ним подоспеют запасной корабль возвращения с топливом и провизией, взлетный модуль, завод кислорода/метана, научное оборудование, запчасти, инструменты, дополнительный жидкий водород, а также система жизнеобеспечения, основанная на биорегенерации (ее использование будет всего лишь одним из научных экспериментов).
Наконец, лишь шестой по счету корабль примерно после двух лет с момента первого запуска отправит к Марсу команду из 6–7 астронавтов по быстрой траектории. Жилой модуль корабля будет одновременно служить и посадочным модулем, и главным жилищем астронавтов на Марсе. На случай, если команда не сможет приземлиться на подготовленной базе, жилой модуль будет содержать все необходимое для 600-дневного автономного проживания на планете.
Все резервное оборудование будет использоваться последующими пилотируемыми экспедициями на Марс. Резервы будут постоянно пополняться, так как все последующие миссии будут также производиться в три запуска – два грузовых и один пилотируемый.
Теплая встреча
Приблизившись к Марсу, и пилотируемый, и грузовые корабли будут выходить на марсианскую орбиту методом аэроторможения. Маневр будет выполняться с помощью единственного аэродинамического щита, обеспечивающего и необходимое замедление, и теплозащиту. Аэроторможение позволяет отказаться от дополнительной двигательной ступени, снизить вес корабля и увеличить массу полезной нагрузки. После выхода корабля на орбиту посадочный модуль начинает снижение. Выполнив задачу по торможению в атмосфере и соответствующей теплозащите, аэродинамический щит отсоединяется от аппарата. В ход идут парашюты и тормозные двигатели. Предельно мягкая посадка необходима для сохранения чувствительного оборудования, от которого зависит жизнь астронавтов на Марсе.
Команда прибудет на Марс в жилом модуле – цилиндрическом помещении, разделенном на два этажа высотой по 3 м, с общей жилой площадью около 90 м2. На поверхности астронавтов будет ждать лаборатория, практически полностью повторяющая жилой модуль как по конструкции, так и по комплектации (набор расходных продуктов на 600 дней). Идентичность жилого и лабораторного модулей снижает стоимость их разработки, обеспечивает повышенный уровень надежности, удваивает объем полезного пространства для команды. Практически сразу после посадки астронавты установят лабораторию напротив жилого модуля с помощью тягача (почти все элементы базы будут передвижными) и соединят их общим коридором. Раскрывающиеся сразу после посадки солнечные батареи жилого и лабораторного отсеков вкупе с регенерируемыми топливными элементами (такие устанавливаются на современных шаттлах) обеспечат резервное питание базы.
Основной источник энергии – две 160-киловаттные электростанции, которые к моменту прибытия астронавтов будут находиться примерно в 1 км от посадочной площадки в целях безопасности. Одна из первоочередных задач команды – подвести питание к базе, создав марсианскую электросеть. Для работы вне жилых модулей астронавты будут пользоваться скафандрами и колесными транспортными средствами. Среди них особое место занимает большой герметичный марсоход для путешествий длительностью до нескольких недель. Этот марсоход оснащен теми же системами жизнеобеспечения, что и жилые помещения, и позволяет команде численностью до четырех человек путешествовать, жить и работать в нем без скафандров.
Первые несколько месяцев на Марсе астронавтам придется заниматься многочисленными проверками работоспособности всех систем: сначала основных, а затем резервных, прибывающих двумя месяцами позже. Лишь после этого они смогут посвятить все свое время запланированным научным мероприятиям – геологическим и минералогическим исследованиям, экспериментам в области биологии и ботаники, поискам следов жизни на планете. Результаты плановых исследований, переданные на Землю, лягут в основу расширенной научной программы, которую астронавты будут выполнять в течение всех 500–600 дней пребывания на планете.
Скромные дары природы
В основе марсианской миссии NASA лежит принцип утилизации местных ресурсов. Марсианская атмосфера состоит приблизительно из 95,3% углекислого газа, 2,7% азота, 1,6% аргона, 0,13% кислорода, 0,08% моноксида углерода и незначительных долей воды, оксида азота, неона, криптона и ксенона. С помощью простых химических реакций с участием марсианского углекислого газа и привезенного с собой водорода астронавты смогут получать метан, воду и кислород. Азот и аргон можно будет выделять прямо из атмосферы.
Кислород имеет критическое значение для миссии. Возможность добычи водорода методом электролиза из подземной воды и льда пока не подтверждена, так как точное количество этих запасов неизвестно. Водород легче, поэтому было бы наиболее рациональным именно его доставлять на Марс с Земли.
Внутри производственного модуля будет протекать процесс гидрирования атмосферного углекислого газа при повышенной температуре (реакция Сабатье). На каждую тонну водорода астронавты будут получать 2 т метана и 4,5 т воды. Охлажденный метан будет накапливаться в баках, чтобы впоследствии послужить топливом для взлетного модуля. Кислород, также необходимый двигателям аппарата, будет добываться двумя способами. Прежде всего, из 4,5 т воды, полученных в ходе реакции Сабатье, можно получить 4 т кислорода и 0,5 т водорода. Водород, в свою очередь, будет вновь переработан.
Однако, даже если превратить всю имеющуюся воду в кислород и водород, массовое соотношение запасов кислорода и метана составит 2:1, в то время как двигатель потребляет их в соотношении 3,5:1. Дефицит кислорода может восполнить реакция электролиза углекислого газа. Процесс, разработка которого пока что не завершена, будет использовать циркониевые ячейки, разогретые до высоких температур, для разложения атмосферного углекислого газа на моноксид углерода и кислород. СО будет возвращаться в атмосферу, а кислород – сохраняться в баках в жидком виде.
Азот и аргон, извлекаемые непосредственно из марсианской атмосферы, предполагается использовать для создания дыхательного воздуха с наиболее естественным составом. Для обеспечения безопасности команды жилой и лабораторный модули будут иметь собственные системы жизнеобеспечения замкнутого цикла, как на нынешних шаттлах. Кроме того, в ходе экспедиции будет опробована система на основе биорегенерации, в которой преобразовывать углекислый газ в кислород, как и на Земле, будут растения. Возможно, в будущем биорегенерация станет основным методом жизнеобеспечения на Марсе.
Дорога домой
По окончании своего 16–18-месячного пребывания на Марсе астронавты переведут все оборудование базы в режим ожидания (оно пригодится следующим экспедициям) и приступят к проверке полностью заправленного к тому времени взлетного модуля. Одновременно будет выполняться дистанционная проверка корабля возвращения, ожидающего астронавтов на орбите. В случае малейшей неисправности и взлетный модуль, и корабль возвращения могут быть заменены резервными аппаратами.
Чтобы выйти на марсианскую орбиту и встретиться с кораблем возвращения, взлетному модулю понадобится разогнаться до скорости 5,6 км/с, потребив при этом 26 т горючего. Модуль будет одноступенчатым – многоступенчатая система подвергла бы астронавтов дополнительным перегрузкам при последовательном запуске двигателей. Команда покинет поверхность планеты за несколько дней до открытия окна запуска, чтобы иметь достаточно времени для стыковки с кораблем возвращения, перехода в транзитный модуль вместе с необходимыми научными образцами, проверки и запуска всех систем.
Корабль возвращения будет состоять из транзитного модуля, полностью повторяющего жилой и лабораторный, двигательной ступени и спускаемого аппарата. Конструкция должна быть чрезвычайно надежной – ведь перед возвращением на Землю кораблю придется ожидать астронавтов на марсианской орбите около четырех лет. В течение 180-дневного путешествия астронавты будут готовиться к встрече с земным тяготением. Посадка на Землю пройдет по давно отработанному сценарию: спускаемый аппарат отделится от корабля за несколько дней до подлета к Земле, несколько изменив траекторию, чтобы войти в атмосферу. Транзитный модуль и двигательная ступень останутся на гелиоцентрической орбите. Подобно командам Apollo и Mercury, первые люди, побывавшие на Марсе, совершат мягкую посадку на парашюте. Тем временем на Земле к следующему путешествию на Красную планету уже будут готовиться новые колонизаторы. По прибытии их будут ждать практически тот же клуб, магазин, почта…
