Владимир Молодцов - Пилотируемые космические полеты

Для выведения всех перечисленных кораблей к марсу используется разгонная ступень с ЯРД. Полет к Марсу длится примерно 180 суток. Корабль с экипажем с помощью аэродинамического торможения выходит на эллиптическую орбиту вокруг Марса с высотой апоцентра 34000 км и перицентра 250 км, а затем уже с орбиту совершает посадку на его поверхность рядом с жилым модулем и топливной фабрикой, запущенных еще в 2007 году. Вскоре после этого два оставшихся корабля также подлетают к Марсу. Корабль для возвращения на Землю выходит на марсианскую орбиту, а взлетно-посадочный корабль совершает посадку на его поверхность вблизи от экипажа если на основном взлетно-посадочном корабле возникли неполадки. В противном случае он садится в другом районе Марса, но в пределах радиуса действия вездехода.

После посадки соединяют герметичными туннелями жилые модули своего корабля и доставленного ранее. При этом в одном из жилых модулей создается оранжерея для воспроизводства воздуха и пищи в дополнение к привезенным с Земли. В течение 600-дневного пребывания на марсе космонавты совершают несколько 10-дневных поездок на вездеходе с удалением от базы до 500 км. После завершения исследований космонавты в октябре 2011 году стартуют с поверхности Марса. Выйдя на орбиту, они стыкуются с орбитальным кораблем, ракетная ступень которого обеспечивает разгон комплекса к Земле. Перед подлетом к Земле космонавты переходят в капсулу и совершают прямой вход в атмосферу Земли с последующим снижением и посадкой на парашюте по типу «Аполлона».

Вторая марсианская экспедиция стартует в первом квартале 2012 года. Ее полет проходит по той же схеме, что и первой.

У этой схемы есть несомненное преимущество: отсутствует необходимость многомесячной сборки экспедиционного комплекса на околоземной орбите из модулей, весящих десятки и сотни тонн. Фактически требуется только одна стыковка на околомарсианской орбите. Однако, как говорится, имеются отдельные, но существенные недостатки. Во-первых, требуется обеспечить автоматическую посадку на поверхность Марса аппаратов, весящих десятки тонн. Во-вторых, необходимо развернуть на Марсе производство ракетного топлива без присутствия человека. В третьих, ракетный блок, обеспечивающий разгон корабля с марсианской орбиты к Земле должен в течение четырех лет находиться в условиях космического пространства при наличии в баках десятков тонн жидкого кислорода. Получается, что уйдя от одного недостатка, взамен получаем другие.

Впрочем, практически все проекты марсианской экспедиции основались на небольшом количестве идей, которые использовались в разных комбинациях и модификациях. Попытку вырваться из замкнутого круга предприняла исследовательская группы из Космического центра имени Джонсона, которую возглавлял астронавт-ветеран Фрэнлин Чанг-Диаз. В своей работе, законченной выпуском отчета в марте 1995 года, эта группа предложила для межпланетных полетов перспективный ракетный двигатель, в котором используется разогрев плазмы и ее удержание в магнитном поле. Фактически эти технологии заимствованы из исследований по управляемому термоядерному синтезу.

Работы по такому двигателю, названному VASIMR(магнитоплазменный ракетный двигатель), были начаты еще в начале 80-х годов. Его особенность заключается в том, что, регулируя скорость истечения плазмы, он может работать как в режиме большой тяги при сходе с орбиты и выходе на орбиту, так и в режиме малой тяги в ходе межпланетного перелета. При этом с уменьшением тяги увеличивается удельный импульс. Это позволяет использовать один и тот же двигатель и для медленных перелетов грузовых кораблей, и для быстрых перелетов пилотируемых кораблей, но с меньшей весовой отдачей.

Двигатель VASIMR состоит из установленных в ряд магнитных элементов. Первый элемент отвечает за введение и нагрев рабочего тела; центральный действует как ускоритель, отвечая за дальнейший разогрев плазмы; задний является магнитным соплом и преобразует энергию потока в тягу. Нейтральный газ (обычно водород) вводится в передний элемент, где ионизируется. Полученная плазма возбуждается с помощью коротковолнового электромагнитного излучения в центральном элементе. В результате явления циклотронного резонанса ионов плазма разогревается и, зажатая магнитным полем, истекает через хвостовой элемент (сопло). Управляя электромагнитным полем, можно менять скорость истечения струи, при этом обеспечивая оптимально эффективный удельный импульс двигателя.

Грузовой корабль, оснащенный двигателем VASIMR мог бы за 180 суток доставить груз к Марсу, при этом масса полезного груза составила бы 66 от массы корабля. Первый пилотируемый полет на Марс можно было совершить за 235 суток, из них 101 сутки пришлось бы на полет к Марсу, 30 суток на пребывание на его поверхности и 104 суток на полет обратно. При этом во время перелета половину пути двигатель работал бы на ускорение, а половину на торможение. Масса полезного груза во время такой скоростной экспедиции составила 2 от начальной массы корабля. Если же провести на Марсе 705 суток, ожидая благоприятный условий для полета к Земле, то даже при сокращении времени каждого перелета до 90 суток (общая продолжительность экспедиции – 885 суток) масса полезного груза на трассе Земля-Марс возрастает до 18, а на трассе Марс-Земля до 14. При использовании аэродинамического торможения относительная масса полезного груза еще более возрастает.

По оценке Ф. Чанг-Диаза уже в 2003 году можно было приступить к демонстрационным испытаниям двигателя VASIMR в космосе, используя солнечную энергоустановку мощностью до 100 кВт. В 2005 году в качестве энергоустановки можно было бы использовать ядерный реактор мощностью в 1 МВт. Для организации полета на Марс необходимо увеличить мощность ядерного реактора до 30 МВт (по прогнозу к 2010 году). Тогда запуск грузового корабля к Марсу с двигателем VASIMR мог бы состояться в 2016 году, а пилотируемого корабля – в 2018 году.

Ну что ж, возможно такой двигатель придаст новый импульс проектам межпланетных пилотируемых полетов и сделает их более реальными и менее затратными. Однако до начала демонстрационных полетов аппаратов с двигателем VASIMR делать какие-либо прогнозы преждевременно.

Пока же предпринимались попытки упростить полет к Марсу, за счет чего добиться снижения его стоимости. Одной из них оказался доклад, представленный Кентом Джустеном, Райаном Шефероми Стефеном Хоффманомна специальной конференции по аэродинамике, проходившей 4-7 августа 1997 года в Сан Вэлли (штат Айдахо). За точку отсчета был принят проект НАСА 1993года. По мнению докладчиков снижение стоимости зависит, в первую очередь, от снижения массы полезного груза, выводимого на околоземную орбиту.