Варианты с усовершенствованными технологиями

Используемая в плане «Марс Директ» система транспортировки, о которой в этой книге рассказывалось до сих пор, может быть создана с использованием уже существующих технологий: «Сатурн-5» или эквивалентная по грузоподъемности ТРН, химические реактивные двигатели и т. д. Но, конечно, если появятся более совершенные технологии, план следует откорректировать, чтобы воспользоваться ими. Хотя сейчас предлагаются многие формы передовых космических транспортных систем – среди ярких примеров можно назвать ядерный и солнечный электрический (ионный) двигатели, солнечные и магнитные паруса, ракеты на энергии термоядерного синтеза и даже антивещества, – лишь немногие из этих систем могут быть разработаны к моменту первого пилотируемого полета на Марс. Это ядерные ракеты (ЯР) и тесно с ними связанные в технологическом плане солнечные тепловые ракеты (СТР), которые могли бы заменить ракеты с химическими реактивными двигателями в качестве космических транспортных средств, и ракеты, выходящие на орбиту благодаря работе одноступенчатого двигателя (РОСД), которые могли бы заменить одноразовые многоступенчатые ТРН для запуска с Земли. То есть нельзя сказать, что ионные ракетные двигатели, магнитные паруса, термоядерные ракетные двигатели и другие передовые системы никогда не появятся. Напротив, вероятно, именно на них будет держаться лет через сто сфера коммерческих межпланетных перевозок. По этой причине мы рассмотрим перечисленные новшества позже в одной из следующих глав этой книги, когда речь пойдет о более футуристических аспектах колонизации Марса. Однако точно так же, как Колумб не уплыл бы очень далеко, если бы дожидался появления пароходов или самолетов «Боинг-747», так и первому поколению исследователей Марса придется рассчитывать на более примитивные технологии по сравнению с теми, что будут доступны путешественникам следующих поколений. Колумб пересек Атлантику на кораблях, предназначенных для средиземноморского и атлантического прибрежного судоходства. Только после того как в Америке выросли европейские форпосты, появились технологии, позволившие перейти от довольно простых судов, использованных Колумбом, к трехмачтовым каравеллам, клиперам, океанским лайнерам и самолетам. Аналогичным образом обустройство поселений на Марсе подстегнет создание более совершенных космических двигательных установок. По этой причине до сих пор мы рассуждали о полетах на Марс, полностью полагаясь на современное первобытное состояние космических технологий. Это консервативный подход. Но есть технологии, которые потенциально могут быть взяты на вооружение в относительно близком будущем, что могло бы значительно повысить эффективность миссии или сократить издержки. Давайте поговорим об этом подробней.

Ядерные и солнечные электрические ракеты – наиболее вероятные претенденты на то, чтобы заменить собой химические ракеты. Идея таких систем очень проста. Источником тепла является либо ядерный реактор, либо параболическое зеркало для фокусировки солнечных лучей. Жидкость нагревается до очень высоких температур, превращаясь в ультрагорячий газ, который затем вырывается из сопла ракеты, создавая тягу. Другими словами, тепловая ракета – это просто летающий паровой котел. Производительность таких систем ограничена главным образом максимальной температурой, которую может выдержать материал двигателя, и, как полагают, она близка к 2500 °C. Самая высокая скорость истечения и, следовательно, максимальный удельный импульс, получаемый такой ракетой, будут обеспечиваться топливом, имеющим минимально возможную молекулярную массу. Поэтому предпочтение отдается водородному топливу. ЯР или СТР с использованием водородного топлива может достичь удельного импульса в 900 секунд (скорости истечения в 9 километров в секунду), это вдвое больше, чем у лучших водородно-кислородных химических ракетных двигателей.

Такие тепловые ракеты – это не просто теория. В 1960 году в США разрабатывали программу под названием NERVA (сокр. от nuclear engine for rocket vehicle applications, что переводится как «ядерный двигатель для применения в ракете-носителе»), в рамках которой построили и провели наземные испытания около десятка модификаций ядерных ракетных двигателей, развивающих от 10 000 до 250 000 фунтов тяги. Эти двигатели действительно работали и действительно давали удельные импульсы более 800 секунд, что превосходит самые смелые мечтания любого разработчика химических ракет. Вернер фон Браун планировал использовать ЯР в качестве двигательных установок для пилотируемого полета на Марс, который НАСА надеялось осуществить после миссии «Аполлон» в начале 1980-х годов. Но, когда администрация Никсона отменила марсианские планы НАСА, программа NERVA тоже пошла прахом. Двигатели никогда не проходили полетных испытаний, а наземные полигоны остались ржаветь. Многие ветераны программы NERVA все еще работают где-то рядом, хотя большинство из них уже вышли на пенсию. Даже сейчас, когда я пишу эту главу, их бесценный опыт по работе с такими системами испаряется. Тем не менее теперь мы знаем, что их возможно создать.

В период, когда ИИК еще была жива, группа сотрудников НАСА во главе с идейным вдохновителем (но не руководителем) доктором Стэном Воровски из Космического исследовательского центра имени Льюиса НАСА (теперь он носит имя Гленна) в Кливленде предприняла попытку возродить американскую программу исследования и разработки ЯРД. Эта попытка, которую я энергично поддержал, столкнулась со многими препятствиями в политической среде, не последним из которых был тот факт, что чрезмерная оценочная стоимость ИИК убедила Конгресс не тратить ни копейки ни на что, с ней связанное. Также были и другие проблемы. В 1960-е годы движение против ядерной энергетики еще не оформилось в серьезную политическую силу, и испытания ЯРД под открытым небом были обычной практикой, при этом потенциально радиоактивный выхлоп извергался прямо в воздух полигона в Неваде. Сейчас ничего подобного не разрешили бы. Современные испытания ЯРД должны проходить внутри закрытых объектов, содержащих поглотители, которые устранят все радиоактивные продукты из выхлопных газов перед выпуском их в окружающую среду. В зависимости от размера ЯРД полигон может быть очень большим и стоить очень дорого – порядка миллиарда долларов, а также необходимы разрешения экологов, которые способны задержать проведение программы на многие годы. Был потрясающий полигон под названием LOFT, уже сертифицированный Национальной инженерной лабораторией Айдахо, который при незначительных изменениях можно было бы использовать для тестирования небольшой ЯРД примерно с 15 000 фунтами тяги. Это позволило бы сэкономить много времени и денег. Такая небольшая ЯРД была бы достаточно большой, чтобы вывести космический корабль миссии «Марс Директ» с НОО на траекторию к Марсу, а также достаточно маленькой, чтобы быть полезной для множества других проектов, включая запуск беспилотных зондов во внешние части Солнечной системы и вывод военных спутников на геостационарную орбиту. Эти проекты, в отличие от ИИК, имеют реалистичные бюджеты.

По этой причине я и еще несколько человек долго и яростно отстаивали этот вариант. Тем не менее в начале 1990-х годов, когда дискуссия была в разгаре, НАСА еще не приняла «Марс Директ», а ЯРД с 15 000 фунтами тяги был слишком мал, чтобы запустить звездный крейсер «Галактика» к Марсу. То есть из-за громоздкого проекта миссии, предложенного планировщиками из НАСА, считалось, что нужны двигатели с тягой в диапазоне от 75 000 до 250 000 фунтов. Более того, многие из людей, сплотившихся тогда вокруг Воровски, были представителями учреждений, руководство которых надеялось получить огромные деньги для работы по строительству нового гигантского испытательного стенда, и поэтому они оказывали на Воровски соответствующее давление. К тому же начальники Воровски по программе ЯРД были чиновниками из НАСА, которые в целом поддерживали идею сделать разработку большого ЯРД долгосрочной программой и, следовательно, не одобрили бы любой ускоренный и более дешевый проект. Поэтому в конце концов сторонники большого двигателя победили. НАСА мешкало с ИИК, составив план программы ЯРД на 6 миллиардов долларов, причем для применения ЯРД исключительно к НИК, с большими полигонами и срок разработки в двенадцать лет. Когда ИИК отменили, то же сделали с ЯРД. После того как программа была прекращена, крысы бежали с корабля, оставив Воровски бороться за начало программы по небольшим ЯРД. С тех пор все приостановлено.

Я считаю, что мы могли бы запустить программу небольших ЯРД и произвести готовые к полету двигатели с 15 000 фунтами тяги и удельным импульсом в 850 секунд в течение четырех лет при стоимости от 500 миллионов до 1 миллиарда долларов. Эти оценки основаны на детальных обсуждениях и исследованиях, проведенных совместно с ветеранами NERVA и другими специалистами, работающими в этой отрасли в нескольких национальных лабораториях. Стоимость будет немаленькой, однако она сравнима со стоимостью одного запуска шаттла, и это позволило бы создать целый ряд новых космических возможностей для страны. Поскольку такой двигатель имеет широкую сферу применения, его разработка была бы мудрым решением независимо от того, планируем ли мы отправлять людей на Марс или нет.

Однако нельзя отрицать, что запустить программу ядерных космических ракет – трудная задача на сегодняшний день. Если исходить из того, что синица в руке лучше, чем журавль в небе, то можно понять, почему группа инженеров из лаборатории «Филлипс» ВВС США в Альбукерке, Нью-Мексико, выдвинула предложение по разработке солнечных тепловых ракетных систем. СТР – старая концепция, которая впервые была предложена ветераном разработки немецкой ракеты «Фау-2» Краффтом Эрике в 1950 году, но она так и не была запущена. Источником энергии для СТР служит собранный зеркалом солнечный свет, тем самым устраняя необходимость в ядерном топливе, но из-за проблем со сбором солнечного света (нужны зеркала больших площадей) и получаемой благодаря ему энергии трудно сделать СТР с тягой более 100 фунтов. Более того, по понятным причинам система совершенно неэффективна во внешней Солнечной системе. Поскольку тяга очень ограничена, СТР нельзя использовать для космических аппаратов миссии «Марс Директ» на пути от НОО до выхода на расчетную марсианскую траекторию. Но двигатель СТР может быть использован в длительной (до нескольких недель) серии маневров, известных как «толчок в перигее», во время которых двигатель включают примерно на тридцать минут каждый раз, когда космический корабль проходит самую низкую часть своей орбиты. Это позволило бы поднять космический корабль «Марс Директ» с НОО на вытянутую эллиптическую орбиту для того чтобы вскоре улететь от Земли. С этой орбиты космический аппарат полетит на Марс благодаря краткому включению химического двигателя, в то время как ступень с СТР двигателем будет либо отстрелена как отработавшая, либо вернется обратно на НОО, чтобы поднять на нужную высоту другой космический корабль. Поскольку для СТР ?V, необходимая, чтобы поднять космический аппарат почти до выхода из поля притяжения Земли, составляет около 3,1 километра в секунду, а общая ?V для выхода на траекторию к Марсу составляет от 3,7 (для груза) до 4,3 километра в секунду (для экипажа), СТР обеспечивает от 72 до 83 % работы двигателя для выхода на траекторию к Марсу. Таким образом, преимущества, предлагаемые СТР, сравнимы с возможностями ЯРД, хотя у СТР они несколько скромнее.

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.

Заметим, что каждая пилотируемая марсианская миссия, проведенная по этому сценарию, потребует в общей сложности 49 рейсов РОСД. Это было бы совершенно нелепо, если бы РОСД эксплуатировались аналогично существующим ракетам-носителям – с частотой запусков около одного в месяц. Однако если сторонники РОСД приложат усилия, то эти ракеты можно было бы запускать как самолеты, быстро возвращая их на Землю, чтобы частота полетов выросла хотя бы до нескольких раз в неделю. План, по всей вероятности, жизнеспособный. Однако этот подход очень высокотехнологичен. Помимо требований к производительности и эксплуатационным качествам РОСД, которые до сих пор не достигнуты, необходимо, чтобы и жидкий кислород, и жидкий водород можно было бы перемещать из одного орбитального РОСД в другой в условиях невесомости. Сейчас и жидкий кислород, и жидкий водород являются криогенными (ультрахолодными) жидкостями, и перемещение таких жидкостей в условиях микрогравитации из одного бака в другой еще никогда не проводили. Эта операция чревата проблемами. В эластичном баллоне криогенные жидкости замерзнут, а насосы не будут работать, потому что в невесомости нет никакого способа заставить жидкость двигаться к точке всасывания (насос втянет небольшой объем и остановится, потому что новая жидкость к нужной точке не потечет). Можно было бы привести бак в движение, медленно ускоряя транспортное средство ракетными двигателями или разместить их на вращающейся платформе, также предлагались капилляры и другие устройства, которые используют поверхностное натяжение жидкости, чтобы управлять ее движением. Кроме того, по меньшей мере для кислорода существует возможность контролировать движение жидкостей с помощью магнитов. (Жидкий кислород – парамагнетик, его можно притянуть магнитом.) Короче говоря, пока ситуация не безнадежна, но нужно проделать большую работу, чтобы на этот план можно было положиться.

К настоящему моменту я склоняюсь к старомодному варианту «Марс Директ» с одноразовыми ТРН, химическими реактивными двигателями, роверами, запряженными лошадьми (ну, не совсем), и остальными примитивными атрибутами наших нынешних Темных веков освоения космоса. Возможно, существуют более удобные способы добраться на Марс, и, когда они окажутся доступны, мы будем их использовать. Но, скорее всего, этого не произойдет до тех пор, пока мы не начнем использовать то, что имеем сейчас, чтобы попасть на Марс и сдвинуться с мертвой точки. Что морские волки говорят о тех, кто покорил семь морей? Железные люди и деревянные корабли, а не деревянные люди и железные корабли. То же применимо и к Марсу.

Мы можем долететь на Марс, используя то, что у нас есть сейчас.