Курс на Марс. Самый реалистичный проект полета к Красной планете - Ричард Вагнер

Начиная с весны 1990 года я возглавил группу инженеров и исследователей в компании «Мартин Мариетта Астронотикс» в Денвере для разработки плана по первой высадке на Марс. План назвали «Марс Директ», и он представляет собой самый быстрый, самый безопасный, наиболее практичный и наименее дорогой способ начать разведку и покорение Марса.

Название «Марс Директ» можно перевести как «Прямо к Марсу», то есть оно говорит само за себя. Проект отбрасывает необязательные, дорогие и затратные по времени этапы: не нужно собирать корабли на низкой околоземной орбите; не нужно перезаправлять их в космосе; не нужны ангары на увеличенной космической станции; не требуется длительная разработка лунных баз в качестве подготовки к разведыванию Марса. Отказ от всего этого позволит совершить высадку на Марс, возможно, на двадцать лет раньше, без раздутых административных затрат, от которых страдают долгосрочные программы правительства.

По грубой оценке, бюджет «Марс Директ» находится в пределах 30 миллиардов долларов, которые пойдут на разработку необходимого оборудования, а каждая отдельная миссия на Марс стоила бы 3 миллиарда долларов, если бы космические корабли и снаряжение находились бы в процессе производства. Несмотря на то что сумма действительно велика, ее можно распределить на десять лет, в таком случае она составит около 7 % объединенных военного и гражданского космических бюджетов. Более того, эти деньги могут продвинуть нашу экономику вперед точно так же, как 100 миллиардов долларов (если перевести на сегодняшние деньги), выделенные на науку и технологии программы «Аполлон» и вложенные при высоком темпе экономического роста в Америке в 1960-х годах.

С позиции житейской мудрости «Марс Директ» выглядит привлекательным из-за его простоты, но также он может показаться невыполнимым – масса горючего и продовольствия, необходимых для полета людей на Марс, слишком огромна для прямого запуска с Земли. Подобные рассуждения верны во всем, за исключением одного пункта: требуемые для полета на Марс топливо и продовольствие не нужно брать на Земле. Их можно «найти» на Марсе.

На сегодня план «Марс Директ» выглядит следующим образом.

Август 2020 года

Новая многоступенчатая ракета, сформированная из зарекомендовавших себя блоков, отдыхает на стартовом столе на мысе Канаверал, от ее тонкой металлической обшивки в лучах восходящего солнца поднимается легкий пар. Конструкция напоминает одну из старых «Сатурн-5», ракету, которая мчала людей к берегам Моря Спокойствия. Грузоподъемность новой ракеты-носителя «Арес» примерно такая же, как у «Сатурна-5» в эпоху «Аполлонов», но внутри помещаются «рабочие лошадки» нескольких последних десятилетий, четыре главных двигателя и два боковых (твердотопливных) ускорителя от шаттла. Двигатели запускаются. Огонь и дым выписывают росчерк новой космической эры, пока «Арес» с грохотом несется в небо. Высоко над атмосферой Земли верхняя ступень «Ареса» отбрасывает отработавшие части, запускает свой единственный двигатель, работающий на горении водорода и кислорода, и толкает к Марсу 45-тонную полезную нагрузку, управляемую автоматикой, – возвращаемый на Землю аппарат.

Название возвращаемого на Землю аппарата говорит само за себя. Это устройство разработано для того, чтобы доставить экипаж астронавтов с поверхности Марса прямо в родные земные воды. Во время путешествия к Марсу ВЗА оснащен маленьким ядерным реактором, закрепленным на легкой тележке, автоматической химической лабораторией с набором компрессоров и несколькими научными роверами-марсоходами. Кабина экипажа ВЗА оснащена системой жизнеобеспечения, там есть еда и все необходимое для пребывания экипажа из четырех человек в течение восьми месяцев по дороге к Земле. Хоть на обратном пути на две стадии ускорения потребуется около 96 тонн двухкомпонентного метаново-кислородного топлива, ВЗА прибывает на Марс с абсолютно пустыми баками, имея в запасе всего 6 тонн жидкого водорода для производства горючего.

Февраль 2021 года

Двигаясь в космосе со средней скоростью примерно 27 километров в секунду, ВЗА долетает до Марса примерно за шесть месяцев. Во время снижения ВЗА использует специальную жесткую оболочку похожую на гриб, чтобы пробраться сквозь верхнюю часть тонкой марсианской атмосферы. Скорость аппарата резко падает, позволяя ему закрепиться на орбите. На ней корабль находится несколько дней для того, чтобы у сотрудников ЦУПа было время проверить все системы. Когда над выбранным местом высадки наступает ясное и почти безветренное утро и тени строго очерчены, аппарат наконец-то готов совершить посадку. Снова используя защитный чехол, ВЗА замедляется до дозвуковых скоростей, пока не раскроется парашют, который помогает совершить плавный спуск к поверхности Марса. В нескольких сотнях метров от поверхности парашют отстреливается, и зажигаются маленькие ракеты, чтобы касание было мягким.

Высадившись на рыжеватую марсианскую почву, ВЗА тут же принимается за дело, добывая топливо для обратной дороги из разреженного воздуха планеты. Дверь приземистого грузового отсека ВЗА отъезжает в сторону, и оттуда выкатывается тележка с маленьким ядерным реактором. Используя установленную на борту маленькую телевизионную камеру вместо глаз, сотрудники ЦУПа в Хьюстоне медленно уводят тележку на несколько сотен метров в сторону от места посадки. По мере движения тележки силовой кабель разматывается, сохраняя соединение химической установки ВЗА и маленького реактора. Когда тележка достигает подходящего места, лебедка поднимает реактор и опускает его в маленький кратер или другое естественное углубление в ландшафте. Реактор включается и начинает питать химическую лабораторию, выдавая 100 кВт. Теперь маленький химический завод начинает производить ракетное топливо, втягивая марсианский воздух несколькими насосами и запуская реакцию с водородом, который был доставлен с Земли на борту ВЗА. Марсианский воздух на 96 % состоит из двуокиси углерода (CO2). Химическая лаборатория соединяет двуокись углерода с водородом (Н2), производя метан (СН4), который будет запасен для дальнейшего использования в качестве ракетного топлива, и воду (Н20). Реакция метанирования – это простой и прямой химический процесс, который применяется в промышленности с 1890-х годов. Пока реакция продолжается, мы избавлены от потенциальной проблемы хранения сверххолодного жидкого водорода на поверхности Марса. Химическая лаборатория продолжает работать, расщепляя полученную воду на составляющие ее водород и кислород. Кислород запасается для ракетного топлива, а водород заново попадает в химическую лабораторию для дальнейшего производства метана и воды. Дополнительный кислород производится еще одним способом: марсианский углекислый газ расщепляется на кислород, который потом запасается, и угарный газ, который выбрасывается как отходы. После шести месяцев работы химический заводик превратит начальный запас из 6 тонн жидкого водорода, привезенный с Земли, в 108 тонн метана и кислорода – этого достаточно для ВЗА – и дополнительные 12 тонн на поддержание аппаратов, работающих от двигателей на поверхности Марса. Используя марсианский воздух, самый легкодоступный ресурс Красной планеты, мы увеличили количество топлива, привезенного с Земли, в восемнадцать раз.

Эта цепочка химического синтеза может показаться кому-то довольно сложной, но в действительности это технология эпохи газового освещения, крайне простая по сравнению с любыми другими составляющими успешной космической миссии. Более того, миссия «Марс Директ» возможна именно благодаря концепции использования местных ресурсов. Если бы мы попытались взять с собой на Марс все нужное количество топлива, нам бы действительно понадобились массивные космические корабли, требующие многократных запусков и сборки на орбите. Стоимость миссии тут же достигла бы заоблачных высот. То обстоятельство, что местные ресурсы играют такую большую роль при подготовке миссии на Марс или к другому далекому миру не должно казаться удивительным. Представьте, чтобы случилось, если бы Льюис и Кларк решили нести с собой через Луизиану к Тихому океану все запасы еды, воды и фуража для путешествия. Для транспортировки продовольствия понадобились бы сотни повозок. Для этих повозок с продовольствием понадобились бы сотни лошадей и кучеров, которым в свою очередь понадобилось еще больше продовольствия. Такая логистическая катастрофа была бы не по карману Америке времен Томаса Джефферсона. Удивительно ли тогда, что без привлечения природных богатств Марса миссия может обойтись в 450 миллиардов долларов?

Сентябрь 2021 года

С момента запуска прошло тринадцать месяцев, полностью заправленный аппарат – ВЗА – ожидает на Марсе прибытия членов экипажа. Инженеры из Космического центра имени Джонсона НАСА следили за каждой стадией химического производственного процесса и, после того как подтвердили его успешное завершение, дали добро начать следующий этап программы «Марс Директ». ВЗА выпускает маленькие автоматические аппараты для исследования и фотографирования районов, находящихся в непосредственной близости от него. Экипаж первой человеческой экспедиции, обученный для выбора места посадки и жизненно заинтересованный в том, чтобы оно было удачным, принимает активное участие в разведывании местности, в которой находится ВЗА, с помощью этих удаленных аппаратов. После нескольких месяцев роботических исследований удается определить место посадки. Один из роботов ВЗА неторопливо движется по суровой марсианской почве и устанавливает в месте посадки транспондер (приемопередающее устройство), чтобы помочь экипажу совершить мягкую посадку.