Если на бумаге можно создать ракету-носитель любого желаемого размера, то в реальности все иначе. Были разработаны некоторые сверхТРН с грузоподъемностью в тысячу тонн (на НОО). Звучит великолепно, но старте такая ракета не оставила бы от Орландо (или по крайней мере от Космического центра имени Кеннеди) камня на камне. Поэтому давайте будем предельно осторожны в оценках и предположим, что Соединенные Штаты – современные – могут построить ТРН с грузоподъемностью не больше той, которой удалось добиться в 1960 году. Давайте ограничим грузоподъемность нашей ракеты 140 тоннами (на НОО) по аналогии с «Сатурн-5». Будет ли такой вариант достаточно надежен для прямого запуска «Марс Директ»?
Часть ответа на этот вопрос дана в табл. 4.3, где показано количество полезного груза, который будет доставлен на поверхность Марса одной ракетой-носителем, способной отправить на НОО 140 тонн, при условии что аппарат произведет маневр аэрозахвата в атмосфере Марса. Таблица дает информацию как для грузовых, так и для пилотируемых траекторий на участке Марс – Земля, а также для разных вариантов третьей ступени: для современного химического двигателя, работающего на смеси водорода и кислорода, с удельным импульсом 450 секунд, либо для ядерного ракетного двигателя, который будет разработан довольно скоро, с удельным импульсом 900 секунд.
Таблица 4.3. Доставка полезного груза на поверхность Марса с помощью ракеты-носителя тяжелого класса, способной вывести на НОО 140 тонн
Приведенные в табл. 4.3 показатели грузоподъемности рассчитаны исходя из предположения, что для выхода космического корабля в орбиту Марса используется атмосферное торможение. Это самый оптимальный способ выполнить орбитальный захват в миссии «Марс Директ», потому что вся полезная нагрузка предназначена для марсианской поверхности и поэтому в любом случае должна быть защищена обтекателем. Используя захват в атмосфере для проведения тормозного маневра, мы без усилий уменьшим используемую для разгона ΔV. Если бы вместо этого для торможения пришлось использовать ракетный двигатель, на поверхность Марса удалось бы доставить примерно на 25 % меньше груза. Если бы мы строили миссию согласно планам «90-дневного отчета» НАСА, использование атмосферы для тормозного маневра вызвало бы много технических трудностей. Торможение в атмосфере огромного звездного крейсера «Галактика» потребовало бы огромного обтекателя, который мог бы быть построен только на орбите, а это, как я уже отметил, безнадежная затея. Более того, для траекторий класса противостояния, используемых в «90-дневном отчете», предполагался действительно жесткий вход в марсианскую атмосферу, что увеличивало бы тепловую и механическую нагрузку на обтекатель. «Марс Директ» использует менее затратные по энергии траектории из класса соединения, для которых скорости входа более низкие и, следовательно, более низкие темпы нагревания, что приводит к значительному уменьшению сил аэродинамического торможения. Кроме того, космические аппараты, которые необходимо тормозить по сценарию «Марс Директ», относительно невелики, так что обтекатели для их защиты легко поместятся внутри головного обтекателя ракеты-носителя. Это может быть сделано одним из двух способов: либо с помощью растяжимого тканевого купола в форме зонтика, который складывается вокруг нижней части груза, как в оригинальном варианте «Марс Директ», либо заменой обтекателя ракеты-носителя жесткой, пулеобразной оболочкой, которая надевается на груз сверху. Оба варианта осуществимы, и в рамках миссии «Марс Директ» любой из них можно будет запускать сразу без необходимости сборки на орбите. Кроме того, требования к наведению, навигации и управлению при аэродинамическом торможении для корабля миссии «Марс Директ» ниже, чем в планах, предполагающих рандеву на орбите Марса, потому что по большому счету не важно, на какую именно орбиту аппарат попадает после захвата (после посадки данные об орбите будут стерты), до тех пор пока ее наклонение находится в пределах широких допусков, при которых есть доступ к назначенному месту посадки.
Для доставки полезной нагрузки мы также можем использовать принцип прямого входа. Как и при маневре аэродинамического торможения, полезная нагрузка замедляется при спуске не с помощью ракетного двигателя, а благодаря тому что атмосфера планеты оказывает аэродинамическое сопротивление ее движению. Однако между этими двумя подходами есть разница. При использовании маневра аэродинамического торможения космический корабль погружается в атмосферу планеты ровно настолько, чтобы замедлиться, а затем вновь выйти на нужную орбиту. В случае прямого входа космический корабль погружается глубоко в атмосферу, пока не погасит свою скорость, а затем переходит непосредственно к посадке. Аэродинамический захват считается лучшим вариантом для пилотируемой марсианской миссии потому, что в случае плохой погоды он позволяет экипажу при необходимости дождаться благоприятных условий для посадки на орбите. При прямом входе аппарат вынужден произвести посадку сразу после входа в атмосферу Марса. Тем не менее прямой вход был успешно использован при посадке на Марсе миссий «Пасфайндер», «Спирит», «Оппортьюнити» и «Феникс». Таким образом, накопился опыт, который может подтолкнуть разработчиков пилотируемой миссии на Марс также использовать этот маневр.
Однако в первую очередь важна полезная нагрузка, которую мы доставим на поверхность планеты. Если будут использованы химические двигатели, тогда беспилотная грузовая ракета-носитель, выводящая на НОО 140 тонн, может доставить на поверхность Марса 28,6 тонны, в то время как при самом быстром пилотируемом полете можно доставить на Марс 25,2 тонны. Реально ли разработать план пилотируемой миссии, уложившись в эти пределы массы? Если нельзя, мы всегда можем спроектировать более крупную ракету-носитель или наконец разработать ЯРД. Но давайте посмотрим, сумеем ли мы разработать миссию, имея в распоряжении только «Сатурн-5» и химические реактивные двигатели. Если у нас получится, то более продвинутые технологии или возможности двигательных установок и связанные с ними выгоды станут вишенкой на торте.
Продовольствие для экипажа
Достаточно ли нам имеющейся грузоподъемности? Что ж, давайте разберемся, какое продовольствие понадобится для миссии. В таблице 4.4 мы видим, какие продукты потребуются каждому члену экипажа ежедневно на каждом этапе миссии, а также их общее количество, необходимое для питания четверых астронавтов в каждом из двух жилых модулей, хабе (в котором экипаж будет жить во время полета с Земли на Марс и во время пребывания на поверхности Марса) и кабине ВЗА. Числа, приведенные в столбце «Необходимость/человек-день», являются стандартами НАСА (достаточно мягкими в отношении количества непитьевой воды, как вы можете заметить). Однако я заменил 0,13 кг/день обезвоженной пищи на 1 кг/день цельной пищи. Такая смешанная диета лучше повлияет на настрой экипажа во время длинной миссии, чем только обезвоженная пища, а стоимость миссии вырастет очень незначительно, так как влага, содержащаяся в цельных продуктах питания, послужит для восполнения потерь в системе рециркуляции питьевой воды. Для системы жизнеобеспечения экипажа предполагается довольно низкий КПД с физической и химической точки зрения, поскольку перерабатывает по 80 % кислорода и питьевой воды и 90 % технической воды (качество которой может быть более низким). Это намного проще и экономичнее, чем футуристические системы, основанные на экологии замкнутого пространства, где в теории пища, кислород и вода должны перерабатываться на 100 %.
Если вы умеете читать между строк, в табл. 4.4 вы сразу же обратите внимание на огромные преимущества, которые дают нам марсианские ресурсы. ВЗА будут производить не только горючее, но и большое количество воды и кислорода. Без маленького топливного завода на ВЗА нам пришлось бы доставить вместе с хабом дополнительные 7 тонн продовольствия. Получившиеся 14 тонн было бы очень трудно уместить, так как мы можем доставить на Марс только 25-тонный обитаемый модуль. Девять тонн воды, которые производятся каждым ВЗА, даже превышают требования НАСА, что должно хорошо сказаться на моральном состоянии тяжелоработающего экипажа на пустынной планете. По этим причинам в табл. 4.4 не упоминается доставка с Земли кислорода или воды. Мы также видим, что каждый хаб летит к Марсу с запасами пищи, рассчитанными на 800-дневную миссию, что дает более чем достаточное количество провизии для двухлетнего полета по траектории свободного возвращения, если высадку на Марс отменят. В этом случае экипаж в хабе будет вынужден эксплуатировать 5 тонн метаново-кислородного топлива из двигательной ступени, используемой при посадке на Марс, чтобы обеспечить себя дополнительными водой и кислородом (они не пригодятся в качестве топлива, если использовать траекторию свободного возвращения и затем маневр аэродинамического торможения в атмосфере Земли), и уменьшить использование непитьевой воды до 40 % от номинального уровня стандарта НАСА. Такие неудобства плохо повлияют на настрой экипажа, но их можно перетерпеть и выжить, а это единственное, что важно в случае аварийного прерывания миссии. Кроме того, в табл. 4.4 не показаны потери питьевой воды, потому что питьевая вода, потерянная из-за неэффективной рециркуляции, компенсируется водой, добавляемой к системе из цельной пищи.
Таблица 4.4. Требования по потреблению продовольствия для экипажа из четырех человек миссии «Марс Директ»
С учетом этих продовольственных требований можно назначить распределение массы для кабины ВЗА и хаба, оно представлено в табл. 4.5.
Таблица 4.5. Распределение массы для плана миссии «Марс Директ»
6,3 тонны водородного сырья из запаса полезной нагрузки ВЗА, показанного выше, после посадки будут преобразованы в 94 тонны метаново-кислородного топлива и 9 тонн воды. 82 тонны ракетного топлива из произведенных 94 тонн будут использованы для ракетных двигателей ВЗА, чтобы вернуть экипаж на Землю, а 12 тонн пойдут на заправку марсианских роверов с двигателями внутреннего сгорания. Если подсчитать только запасы воды и 12 тонн топлива для роверов и добавить их к массе других частей полезной нагрузки ВЗА, которые пригодятся на поверхности Марса (это кабина ВЗА с ее системами энергоснабжения и жизнеобеспечен