Дорога на Марс: С Голубой планеты на Красную

Прошло больше 30 лет, и теперь, когда NASA обсуждает, как отправить людей на Марс, пришло время возродить авантюрный дух Джона Хуболта. Последние идеи NASA касательно пилотируемой экспедиции на Марс по сути представляют собой ту же программу Apollo, только переписанную в более крупном масштабе — массивный космический корабль одноразового использования, который в начале пути от Земли разгоняется до межпланетной скорости, а затем тормозится до скорости, подходящей для спуска на Марс. При таком плане предполагаются грандиозные энергорасходы, которые непосредственно перельются в размеры аппарата, его сложность и дороговизну. Каждая экспедиция окажется таким бременем для бюджета, что, скорее всего, отработка программы будет вестись в стиле «наши следы и наш флаг на чужой планете», а ведь именно такое мышление, не обремененное долгосрочными перспективами, и погубило в свое время всю программу Apollo.

На этот раз мы должны быть умнее. Мой проект пилотируемой экспедиции к Марсу, которая базируется на многоразовом корабле Cycler, курсирующем по постоянным орбитам между Землей и Марсом, в долгосрочной перспективе требует значительно меньше энергии. Будучи однажды построена, такая система может сделать путешествие на Марс и постоянное человеческое присутствие на Красной планете совершенно обычным делом. А долгосрочные экономические преимущества системы делают ее менее зависимой от политических решений.

Ключевое преимущество постоянно находящегося на орбите аппарата состоит в том, что его придется разгонять всего один раз. После того как в самом начале его выведут на околосолнечную орбиту, проходящую через орбиты как Земли, так и Марса, — Cycler будет нестись сквозь космическое пространство по инерции, и лишь изредка потребуются небольшие корректирующие толчки, чтобы удержать его на выбранной траектории. Этот путь радикально снижает общие энергозапросы всей марсианской экспедиции. Поскольку ракеты на традиционном химическом горючем исключительно прожорливы (так, в массе корабля Apollo 11, доставившего нас к Луне, в момент запуска топливо составляло более 90%), каждый сэкономленный килограмм возвращался грандиозными дивидендами в виде экономии горючего, облегчения и удешевления разгонных ступеней.

Воцарившись на своей орбите со всеми системами жизнеобеспечения, с радиационным щитом и механизмом искусственной силы тяжести, необходимым для длительного космического путешествия, Cycler будет проноситься мимо Земли и Марса в соответствии со строго предсказуемым расписанием. Астронавты, пилотирующие «космическое такси» наподобие планируемого к постройке аппарата CEV (пилотируемый исследовательский корабль), выходят на орбиту межпланетного корабля Cycler и стыкуются с ним, используя при этом только объем горючего, необходимый для разгона относительно небольшого «разъездного» аппарата. Когда Cycler, следуя своей орбите, приблизится к Марсу, такси отчалит от него и перейдет на орбиту вокруг Марса — примерно так мы сходим на перрон с электрички. Тем временем Cycler пронесется мимо Марса и зайдет на следующий круг мимо Земли, снова готовый к тому, чтобы принять следующую партию пассажиров.

Идея челнока Марс-Земля носилась в воздухе еще с 1960-х. В одном из первых сценариев обитаемые аппараты, названные Castle («Замок»), облетали Солнце по эксцентрическим орбитам, пролегающим в непосредственной близости от Земли и Марса. Впрочем, Cycler при использовании такой орбиты смог бы полностью завершать весь цикл полета между двумя планетами за семь с половиной лет, а встречи с планетами были бы нерегулярны. Сколько-нибудь приемлемый план подобной экспедиции должен был бы включать в себя до шести подобных кораблей на разных расположенных в определенном порядке орбитах.

Мне казалось, что должен обнаружиться какой-нибудь более эффективный порядок. Используя наработки в космической механике, которыми я занимался в Массачусетском технологическом еще во время работы над докторской диссертацией, а также опыт очевидца и участника, обретенный во время полетов на Gemini 12 и Apollo 11, Я высчитал, что время полета можно существенно сократить, если забросить Cycler на более удобную орбиту, использовав для этого гравитационное поле самой Земли.

«Гравитационный маневр» — это многократно проверенный прием в межпланетных перелетах. Его традиционно используют при запуске беспилотных зондов — таких как Voyager 1, Voyager 2, Cassini-Huygens или Galileo. Если космический аппарат пролетает достаточно близко к какой-либо планете, его траектория будет искривлена под влиянием гравитационного поля этой планеты. Этот процесс можно наглядно представить себе, если вообразить, как мячик (космический аппарат) отскакивает от стены (планета). Если стена движется по направлению к мячику, скорость отскока будет выше, чем скорость мячика до столкновения. Аналогичным образом, если стена расположена под углом, мячик изменит направление полета. В любом случае мы получаем возможность добавить космическому аппарату изрядную долю кинетической энергии, не затратив для этого ни грамма дополнительного горючего.

Воспользовавшись «гравитационным маневром» в поле тяготения Земли и в меньшей степени в поле тяготения Марса, я получил возможность спроектировать орбиту Cycler с периодом полного обращения всего 26 месяцев. В этом случае Cycler покроет расстояние от Земли до Марса всего за пять месяцев, что сравнимо с самыми скоростными вариантами экспедиции, которые сейчас рассматривает NASA.

Оборотная сторона идеи с гравитационным маневром состоит в том, что наш аппарат пролетит мимо Марса на весьма высокой скорости — более 40 000 километров в час. Эта скорость не так уж и страшна в конце перегона Земля-Марс, поскольку «космическое такси» сможет притормозить, используя для этого сопротивление марсианской атмосферы и не тратя лишнего горючего. Хуже дело будет обстоять при отправке с Марса и выходе на перегон Марс-Земля. Здесь для того, чтобы догнать стремительно несущийся Cycler, потребуются очень большие запасы топлива.

Чтобы обойти эту проблему, для обратного перегона я полагаю использовать гибридный аппарат, который можно было бы назвать Semi-Cycler. Так же, как и сам Cycler, Semi-Cycler будет курсировать между Землей и Марсом по орбите с помощью гравитационных маневров, однако при подходе к Марсу он будет пользоваться его атмосферой как воздушным тормозом, снизит скорость, сойдет с первоначальной орбиты и послоняется четыре месяца вокруг Марса ленивыми широкими кругами, дожидаясь, когда на него вернется очередное, направляющееся к Земле «космическое такси». Имея в этот момент скорость всего лишь 8000 км/ч, Semi-Cycler будет легкодоступной целью для такси, взлетающего с малыми запасами горючего. А после того, как рядом с Землей такси отделится от всего комплекса и начнет торможение в земной атмосфере, Semi-Cycler уйдет на следующий 14-месячный виток и начнет обратный путь к Марсу за следующими пассажирами.

Идея со вспомогательным кораблем Semi-Cycler имеет серьезный недостаток — необходимы добавочные резервы горючего для разгона с марсианской орбиты и выхода на траекторию обратного пути домой. Впрочем, если сравнить эту схему с прямым решением задачи, то есть с полетом на традиционной ракете, она все равно остается гораздо более экономичной. Второй недостаток — более долгий путь возвращения на Землю, примерно восемь месяцев. Однако я еще не прекратил работы и продолжаю с помощью ведущих инженеров из Лаборатории реактивного движения NASA, университета Пардью и университета штата Техас оттачивать и уточнять орбиты вспомогательного аппарата Semi-Cycler и наверняка рассчитаю более оптимальные моменты переходов, орбитальные периоды и скорости.

Cycler — это вершина в длительном процессе технического освоения космического пространства. Первый шаг в нужном нам направлении — предложение NASA вернуться на Луну с помощью CEV. Второй шаг включает в себя исследовательские полеты к спутнику Марса Фобосу, который впоследствии послужит временной стартовой площадкой для скачка на поверхность Красной планеты. Что же касается создания стабильно действующей марсианской транспортной системы, то для этого потребуется крупномасштабная вспомогательная инфраструктура.

Стационарная лунная база будет заниматься выработкой из лунного льда жидкого кислорода и водородного горючего. Эти компоненты потребуются «космическим такси"для того, чтобы угнаться за Cycler. Еще в 1990-е годы экспедиции NASA Clementine и Lunar Prospector получили результаты, позволяющие надеяться, что глубоко внутри кратеров около лунных полюсов могут находиться залежи льда.

Жидкий кислород и метановое горючее для обратных рейсов корабля Semi-Cycler и посадочных марсианских аппаратов будут производиться прямо на постоянно действующих марсианских базах. На марсианском топливном заводе привозной жидкий водород будут соединять с окисью углерода из марсианской атмосферы. Если на марсианских полюсах удастся наладить добычу льда, который был обнаружен в последних экспедициях с использованием марсоходов, то и водород в этом технологическом процессе будет местного производства.

Целый флот из беспилотных грузовых кораблей будет регулярно подвозить необходимые запасы для Cycler, стационарных баз на Марсе и на Луне. Поскольку эти грузы можно отправлять загодя, малой скоростью, вместо химических двигателей на этих грузовиках будут использоваться экономичные ионные двигатели малой тяги. Они слишком медлительны для пилотируемых экспедиций, но уже были испытаны на беспилотном зонде во время экспедиции NASA Deep Space 1 в 1998 году.

Как же будет действовать вся система регулярной транспортной связи с Марсом? Включим быструю перемотку и перескочим в 2040 год. Итак, мы заключили пятилетний контракт и служим в корпусе освоения Красной планеты.

Поднявшись на борт в компании с коллегами-астронавтами (полагаю, что в команды будут набирать человек по восемь), вы стартуете с Земли на «космическом такси» типа CEV, используя для этого высокоэффективное водородное разгонное топливо. На низкой околоземной орбите ваш CEV стыкуется с марсианским посадочным модулем и двигательным модулем, еще ранее запущенными с Земли. Объединившись в тройной агрегат наподобие корабля Apollo, вы выскакиваете на сильно вытянутую эллиптическую шестидневную «выводную» траекторию вокруг Земли. К концу недели вы оказываетесь примерно на полпути к Луне. Там вы подхватываете заправочный корабль, несущий груз жидкого кислорода и водорода прямо с лунных топливных заводов. Вы заправляете под завязку топливные баки вашего двигательного звена, поскольку впереди у вас гонка за Cycler, который в этот момент уже быстро приближается к Земле.

Выход на трансмарсианскую орбиту займет семь минут. И все это время двигатель будет разгонять вас с ускорением около 2 g. Если вы все сделаете без ошибок, то встреча с Cycler произойдет примерно через 10 дней на расстоянии в полтора миллиона километров от Земли. CEV и посадочный марсианский модуль отделятся друг от друга и пристыкуются к шлюзам на оси крейсера Cycler (смотри иллюстрацию), покуда корабль лениво вращается вокруг этой оси, имитируя для пассажиров марсианскую силу притяжения — около 38% в сравнении с земной. Вы переберетесь из CEV в обитаемый модуль, уже заправленный едой и водой, обеспеченный антирадиационным щитом и всем прочим необходимым для долгого путешествия. А дальше у вас появится шанс дочитать наконец «Войну и мир» — ближайшие пять месяцев никто не будет вас донимать лишними заботами.

Вот уже Марс совсем близко, пришло время снова перебраться в CEV для спуска на марсианскую орбиту. Помашите рукой кораблю Cycler, и, не расставаясь с посадочным модулем, вы врезаетесь в марсианскую атмосферу. Несколько минут атмосферного торможения, и вы выскакиваете на низкую околопланетную орбиту. Здесь пришло время пересесть в посадочный модуль — как это делали мы с Нилом Армстронгом на Apollo 11, — отстыковаться от старого верного CEV и врубить посадочные тормозные ракеты, завершая последнюю фазу приземления. С помощью атмосферного торможения, парашюта и прецизионного торможения ракетами вы сможете приземлиться прямо на территорию главной базы.

Там вас ждет шампанское и восторженные крики команды, прилетевшей на Марс на 26 месяцев раньше. Они уже жадно поглядывают на ваш посадочный модуль, не скрывая надежды через 18 месяцев отправиться на нем домой. Ваша очередь возвращаться подойдет гораздо позже.

Следующие 44 месяца вы в поте лица своего исследуете марсианскую поверхность, выполняете множество научных проектов и попутно подрабатываете на жизненно важном для всех топливном заводе. Через 18 месяцев вы отправляете на Землю ту часть команды, которая поселилась здесь раньше вас. На 26-м месяце прилетает следующий экипаж — они приземляются на том самом посадочном модуле, который потом используете вы, начав на нем собственную долгую дорогу домой. Вы запускаете ракету-заправщик и заливаете доверху топливные баки того CEV, который прибывшая команда оставила на орбите. Где-то на 38-м месяце прибывает Semi-Cycler, тормозит в атмосфере Марса и зависает на четыре месяца на своей околопланетной орбите — вы сможете увидеть яркий штрих на ночном небе, когда корабль вонзится в верхние слои атмосферы. Приближается час разлуки с Красной планетой, Semi-Cycler опускается на низкую орбиту и стыкуется с CEV, который все еще продолжает кружить около Марса. Вы запускаете беспилотную транспортную ракету с горючим для Semi-Cycler.

Пришло время отправления, ваша команда заправляет посадочный модуль, вы взлетаете на околомарсианскую орбиту, встречаетесь и стыкуетесь с Semi-Cycler, который уже связан воедино с кораблем CEV. Вы аккуратненько разгоняетесь до выхода на траекторию, ведущую к Земле, прощаетесь с Марсом, и ваш Semi-Cycler ложится на курс домой. Впереди восемь месяцев неспешного пути.

Выйдя на нужную траекторию, вы попадаете в невесомость, поскольку Semi-Cycler в отличие от главного корабля не вращается вокруг собственной оси. Полагаю, что на обратном пути искусственная гравитация не так уж и нужна, поскольку воздействие длительной невесомости и его последствия (смотри врезку) менее опасны, когда вы возвращаетесь в комфортную домашнюю обстановку. В конце концов, уже на Земле, предаваясь восстановительным упражнениям, вы получите прекрасную возможность шаг за шагом вспомнить все ваше путешествие.

Итак, Земля уже рядом, CEV отцепляется от корабля и вонзается в земную атмосферу. Сначала идет фаза воздушного торможения, потом раскрывается парашют, и вы плавно опускаетесь на поверхность планеты — либо в океан рядом с поджидающим спасательным судном, либо на сушу. Тем временем ваш Semi-Cycler проносится мимо Земли и, получив дополнительный импульс, ложится на обратный курс.

Система Cycler радикально меняет не только экономику марсианской программы, но и основные стратегические идеи, которые могут за ней стоять. При этой структуре мечта о регулярных полетах на Марс становится вполне реальной — более того, реальной становится и перспектива нашего постоянного присутствия на этой планете.

Вместо расточительного, недальновидного подхода — «добраться туда как можно скорее» — наша система предполагает длительный этап осмысления, планирования и формирования новых взглядов. Только по зрелом размышлении человечество сможет достичь успеха, предприняв следующий эпохальный шаг — проложив ветку космического метрополитена между Землей и нашим будущим вторым домом.

Об отправке на Марс пилотируемой миссии читайте на сайте специального проекта журнала: «Наш Марс».