Прямой запуск

Все межпланетные миссии, проводившиеся до сих пор, осуществлялись «напрямую» – ракета-носитель поднимает космический корабль на НОО, а затем с помощью своей верхней ступени выводит его на траекторию к планете назначения. Так миссии «Маринер» и «Викинг» достигли Марса, так же корабли программы «Аполлон» достигли Луны. Но ни одна миссия не была отправлена за пределы НОО, чтобы поднять полезную нагрузку на обращающийся вокруг Земли космодром, с которого бы все это перенесли на свежезаправленный межпланетный лайнер, только что вернувшийся с Сатурна. Еще ни одна миссия за пределами НОО не выполнялась межпланетным кораблем, построенным в космосе. Из-за того что полет на Марс ассоциируется с такими футуристическими идеями, в умах множества людей пилотируемые исследования Красной планеты остаются чем-то из мира Будущего. Но если бы пилотируемый полет на Марс был бы осуществим путем прямого запуска, тогда мы могли бы это сделать. Если избавиться от космических лайнеров и космопортов, то полет человека на Марс перемещается из параллельной вселенной Будущего в нашу Вселенную. Если мы сможем осуществить прямой запуск, то 90 % того, что нам нужно для отправки людей на Марс, доступно уже сейчас.

Мы выбрали траекторию и размер экипажа. А сможет реально существующая тяжелая ракета-носитель не более чем за два последовательных запуска в рамках каждой миссии доставить на Марс все необходимое для четырех человек в соответствии с планом полета, который мы выбрали? Давайте посмотрим.

Ничего фантастического в тяжелых ракетах-носителях нет – США построили и эксплуатировали одну такую сорок пять лет назад. Ракета-носитель «Сатурн-5», которая отправила астронавтов программы «Аполлон» на Луну, была введена в эксплуатацию в 1967 году после пяти лет, потраченных на разработку и прослужила без отказов восемь лет до 1975 года, когда последняя рабочая ракета запустила американский модуль в рамках миссии «Союз – Аполлон». «Сатурн-5» мог поднять на НОО 140 тонн. Если мы хотим получить эквивалентную грузоподъемность сегодня, то надежным способом сделать это с «защитой от дурака» было бы повторное проектирование деталей и начало повторного производства «Сатурн-5». Однако есть и другие способы. Например, используя детали шаттла, можно произвести ТРН того же класса. Для этого нужно добавить блок из четырех главных двигателей шаттла (ГДШ) к нижней части внешнего топливного бака шаттла (ВБ), прикрепить два твердотопливных ракетных двигателя (ТРД) шаттла с какой-либо из сторон ВБ и разместить на вершине ВБ верхнюю ступень, работающую на смеси водорода и кислорода. Мы получим конструкцию ракеты-носителя «Арес», созданной Дэвидом Бейкером для миссии «Марс Директ». В зависимости от силы тяги, которую развивает двигатель верхней ступени, «Арес» может доставить на НОО от 121 тонны (при силе тяги в 250000 фунтов) до 135 тонн (при силе тяги в 500 000 фунтов). В России в 1980–1990-е годы существовала ТРН «Энергия», которую тоже нетрудно воссоздать. Продемонстрированная модель могла поднять на НОО только 100 тонн, но усовершенствованная конструкция, «Энергия-В», могла бы похвастаться грузоподъемностью в 200 тонн. За короткое время существования НИК НАСА разработало десятки проектов ТРН различных сортов с грузоподъемностью от 80 до 250 тонн. Проще говоря, если Соединенным Штатам нужна ТРН, то она обязательно будет.

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 ?V. 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.