Курс на Марс. Самый реалистичный проект полета к Красной планете - Роберт Зубрин

Чем эти системы могут быть полезны для «Марс Директ»? Как мы видели, они не будут использоваться для быстрых полетов на Марс. Если не вдаваться в подробное описание футуристических двигательных систем (двигатели на энергии термоядерного синтеза, антивеществе и т. д.), для которых не используются баллистические траектории, для доставки людей на Марс лучше всего подойдет двухлетняя траектория свободного возвращения, по которой корабль долетит до Марса примерно за 180 дней независимо от того, какая двигательная система используется. Но СТР или ЯР полезны тем, что позволят нам для одной и той же стартовой массы аппарата взять намного больше полезной нагрузки. Как мы уже видели, использование ЯР позволяет доставить на Марс на 60–70 % больше полезной нагрузки, чем в случае водородно-кислородного химического двигателя, который используют, чтобы выйти на траекторию к Марсу. СТР позволила бы увеличить полезную нагрузку примерно на 40–50 % по сравнению с химическими двигателями. Поэтому, если мы используем ту же ракету-носитель с грузоподъемностью 140 тонн к НОО, что мы выбрали для нашей миссии с химическими реактивными двигателями, ЯР или СТР позволит расширить численность экипажа до шести человек (три механика, три ученых для полевых работ, но никаких врачей!) и даст более широкий диапазон масс для всех возможных компонентов миссии.

Альтернативный вариант использования превосходных разгонных возможностей этих систем – уменьшение размера требуемой ракеты-носителя при сохранении всего распределения полезной нагрузки. Вместо ракеты-носителя с «нормой» в 140 тонн, выводимых на НОО, для запуска миссии можно использовать ракету-носитель грузоподъемностью от 85 (для ЯР) до 100 тонн (для СТР) в расчете для НОО. Первый показатель совпадает с грузоподъемностью «Шаттла Си» (в общем-то эта комплектация отличается от стандартного шаттла тем, что вместо орбитального ракетоплана размещается полезная нагрузка, такую ракету НАСА, по собственным оценкам, сможет разработать гораздо быстрее, чем носитель класса «Сатурн-5»). Последнее число (100 тонн) – это грузоподъемность российской ракеты-носителя «Энергия», хотя сравнительно узкий отсек ее головного обтекателя следовало бы расширить для размещения объемного водородного топлива, которого потребуется меньше для вариантов миссии с ЯР или СТР.

Но не исключено, что миссию можно провести вообще без тяжелой ракеты-носителя. В 1990-х годах Соединенные Штаты начали очень амбициозную программу разработки полностью многоразовой ракеты-носителя с одноступенчатым двигателем, способной выйти на орбиту Земли. Вдохновителями этой программы были «космические провидцы» Гэри Хадсон и Макс Хантер. Толчок ее развитию дала успешная демонстрация компактной суборбитальной многоразовой ракеты («Макдоннелл Дуглас DC–X») в рамках программы, разработанной на скорую руку под эгидой команды полковника Питера Уордена из организации противоракетной обороны. (Билл Гаубатц, руководитель программы DC–X, подготовил ракету к демонстрации за 60 миллионов долларов – вспомните эту цифру, когда вам скажут, что задуманный вами проект будет стоить 10 миллиардов долларов, а его разработка затянется навечно.) Проект, позже переданный НАСА и переименованный в Х-33, столкнулся со многими техническими препятствиями, потому что в случае использования водородно-кислородного ракетного двигателя (во всех вариантах конструкции Х-33) РОСД должна иметь сухую массу, равную только 10 % от ее массы в полностью заправленном состоянии. Этого очень сложно добиться, так как водородное топливо крайне неудобно в перевозке и транспортное средство должно иметь систему тепловой защиты, которая способна выдержать повторный вход в атмосферу (одноразовые ракеты могут иметь более тонкую и хрупкую обшивку). Для того чтобы сделать РОСД работоспособными, придется применять технологии, пока находящиеся за пределами наших познаний: нам нужны легкие строительные материалы, двигатели и системы тепловой защиты. Но нет никакой гарантии, что удастся достигнуть требуемых показателей, и фактически программа Х-33 изжила себя и была отменена, когда ее главный подрядчик, «Локхид Мартин», не смог в срок выполнить поставленные задачи, уложившись в рамки допустимого бюджета. Тем не менее можно было бы снова предпринять активные усилия на национальном уровне, ведь американская изобретательность редко подводила при адекватном финансировании и уверенности в том, что проблема будет решена. Давайте предположим, что программа оказалась успешной. Что полезного она принесла бы миссии «Марс Директ»?

Что ж, для того чтобы РОСД действительно были полезны для миссии «Марс Директ», хотелось бы иметь версию двигателей, которые способны одновременно работать и на смеси водорода и кислорода, и на смеси метана и кислорода. (Было бы хорошо, если бы РОСД могла работать сразу и только на метаново-кислородном топливе. По словам лидера программы РОСД Макса Хантера, такой двигатель столь же перспективен для применения в РОСД, как и водородно-кислородный. Большая плотность метанового топлива позволяет использовать более компактные и, следовательно, более легкие баки, компенсируя тем самым меньший удельный импульс по сравнению с водородом.) В этом нет ничего невозможного. Двигатели «Пратт энд Уитни RL-10», которые предназначены для работы на смеси водорода и кислорода, были успешно испытаны на стенде с использованием метаново-кислородного топлива. Кроме того, есть информация, что некоторые российские технологии позволяют запускать двигатели, предназначенные для смеси водорода и кислорода, с керосином и кислородом, хотя этот вид топлива менее удачен, чем трехкомпонентный вариант: водород, метан и кислород (потому что метан гораздо больше похож на водород, чем керосин).

Хорошо, предположим, что это нам нужно. РОСД имеет сухую массу 60 тонн, несет 600 тонн ракетного топлива (86 тонн водорода и 514 тонн кислорода) и может доставить на НОО полезную нагрузку в 10 тонн. То есть мы запускаем одну такую ракету с 10 тоннами полезной нагрузки, необходимой для марсианской миссии, и оставляем ее на орбите. В результате серии из более чем двадцати дополнительных рейсов РОСД мы доставляем на НОО еще 200 тонн ракетного топлива к орбитальной РОСД вместе с дополнительными 30 тоннами полезного груза. (Этот груз включает в себя 20 тонн жидкого водорода, который не сгорит в качестве топлива во время полета, а будет использован как водородное сырье для производства марсианского топлива. Его по-прежнему можно хранить вместе с остальными запасами водорода в топливных баках.) Итак, теперь у нас есть обращающаяся вокруг Земли РОСД, загруженная 40 тоннами груза и достаточным количеством топлива, чтобы отправить корабль к Марсу по траектории минимальной энергии. Назовем этот космический аппарат «ВЗА/РОСД 1». Ракета устремляется к Марсу, чтобы провести маневр аэродинамического торможения в его атмосфере и высадиться на планету с полным грузом, перевезенном на обычном для «Марс Директ» ВЗА (любая РОСД, предназначенная для спуска в атмосферу Земли, имеет более чем достаточную тепловую защиту чтобы пройти через атмосферу Марса). Как и в стандартной версии плана «Марс Директ», теперь будут запущены реактор и химический завод, чтобы превратить 20 тонн привезенного водорода в 332 тонны двухкомпонентного топлива из метана и кислорода (320 тонн для полета на Землю и 12 тонн для заправки роверов) и 9 тонн воды. (Придется произвести больше метана и кислорода, чем в стандартном варианте «Марс Директ», потому что РОСД имеет одну ступень, в то время как ВЗА «Марс Директ» является двухступенчатым аппаратом и содержит сравнительно массивные конструкции, необходимые для многоразовых операций. У каждой из них свои требования к топливу.) В это время еще одна РОСД поднимается на НОО с 10 тоннами груза. В ходе серии из 24 дополнительных полетов другой РОСД в первую загружаются еще 20 тонн полезного груза, дополнительные 220 тонн ракетного топлива, а в результате последнего полета – экипаж. Эта РОСД, или «хаб/РОСД 1», теперь уже с экипажем, 30 тоннами груза и достаточным количеством топлива, готова отправить аппарат на Марс по быстрой траектории для соединения за 180 дней. Предположим, что загрузка второй РОСД закончится незадолго до открытия стартового окна с Земли на Марс. В это время на поверхности Марса завершается заправка первой РОСД, и экипаж может стартовать к Марсу. Прибыв на Красную планету через 180 дней, он встречается на поверхности с ВЗА/РОСД 1. Вскоре после прибытия экипажа на место прибывает вторая беспилотная грузовая РОСД, ВЗА/РОСД 2, и начинает производить топливо для следующего пилотируемого полета (или же при необходимости выступает для экипажа хаба/РОСД 1 запасным вариантом), как и в стандартной последовательности этапов миссии «Марс Директ». Экипаж остается на поверхности в течение 600 дней, а затем оставляет свой хаб/РОСД 1 на поверхности и летит в ВЗА/РОСД 1 обратно на Землю. Вскоре после того как он покинет Марс, на базу прибудет другая РОСД (хаб/РОСД 2) с командой из четырех астронавтов, чтобы продолжить исследование Марса. Их будет сопровождать другая беспилотная РОСД, возвращаемая на Землю, ВЗА/РОСД 3. Экипаж хаба/РОСД 2 вернется на Землю в ВЗА/РОСД 2, и так далее, последовательность миссий может продолжаться таким образом сколь угодно долго, причем каждая миссия добавит к марсианской очередной хаб/РОСД. Все РОСД, не остающиеся на Марсе, вернутся на Землю для повторного использования, что делает план потенциально высокоэкономичным.