Рождение «Марс Директ»
К январю 1990 года стало ясно, что «90-дневный отчет» с треском провалился. Чтобы обсудить действия в сложившейся ситуации, в отеле «Бродмур» в Колорадо Спрингс было устроено выездное совещание избранных членов правления «Мартин Мариетта». Доктор Бен Кларк, менеджер нижнего звена «Мартин Мариетта», который был одним из четырех ведущих разработчиков миссии «Викинг» в 1976 году (он разработал эксперимент по рентгеновской флуоресценции), и я, тогда только старший инженер, тоже были приглашены. Оба мы имели в компании репутацию «идейных людей», но занимали там самое скромное положение по сравнению с другими присутствовавшими.
Мы с Беном поразили собравшееся руководство смелым замыслом: подобрать в «Мартин Мариетта» небольшую команду специалистов и разработать собственный идеализированный проект полета на Марс, свободный от предрассудков НАСА. Было бы достаточно сложно создать здравый, экономически выгодный и выполнимый в ближайшем будущем проект пилотируемой марсианской миссии, не привлекая кучу торговых агентов, которые придут и скажут, что мы должны в первую очередь угодить какому-то менеджеру или группе менеджеров из космического центра Джонсона или Маршалла НАСА. Наша команда должна быть свободной от таких влияний. В конце концов, именно попытка угодить всем привела к тому, что «90-дневный отчет» получился провальным.
Это предложение было очень радикальным. Основное негласное правило в управленческой среде аэрокосмической промышленности: всегда говорить покупателям (НАСА или ВВС США) только то, что они хотят услышать, другими словами, следовать линии партии. Очевидно, это самый простой способ продать товар. Мы предлагали противоположный подход: продумать несколько достойных вариантов, а затем сообщить покупателю то, что он должен услышать, причем не важно, понравится ему это или нет.
Самой значительной, хотя и не самой высокопоставленной, фигурой на встрече был Эл Шалленмюллер, недавно назначенный вице-президентом гражданских космических систем «Мартин Мариетта» в подразделение, отвечающее за ИИК. Шалленмюллер набрался опыта как инженер, работая на Келли Джонсон в легендарном «Сканк уоркс» – исследовательском подразделении «Локхида». Он знал, что большие и сложные программы можно создавать дешево и быстро, если взяться за дело с нужного конца. В 1976 году он работал одним из ключевых инженеров в программе «Викинг». Он раз за разом мог рассказывать, как захватывающе было изучать первую фотографию поверхности Марса, полученную «Викингом». Шалленмюллер действительно хотел «вернуться» на Марс. Он знал, что, если не появится что-то лучше, чем «90-дневный отчет», программы покорения Марса не будет вообще. Он поддержал наше предложение.
А в феврале 1990 года в «Мартин Мариетта» сформировали команду из двенадцати человек под руководством Эла Шалленмюллера и предоставили ей полномочия разработать «новые масштабные стратегии» освоения космического пространства человеком. Большинство членов команды, например Бен, я и Дэвид Бейкер, специалист в области систем управления космическими кораблями, были инженерами широкого профиля. Но среди нас было и несколько узких специалистов, например Билл Уилкоксон из «Мартин Мариетта», занимавшийся торможением аппаратов в атмосферах планет (Биллу предстояло сыграть ключевую роль в успешном торможении космического аппарата «Магеллан» в атмосфере Венеры), Эл Томпсон, лидер области в искусственной гравитации, а также Стив Прайс, специалист «Мартин Мариетта» по проектированию роверов.
Больше всего идей по проекту внешнего вида аппаратов миссии на Марс было у меня и Бена, но мы соглашались друг с другом далеко не во всем. Мы сходились в том, что нужно экономить топливо (то есть стоит ориентироваться на старт, близкий к моменту, когда Марс будет в соединении с Землей), что можно обойтись без лунной базы как пересадочной станции по пути на Марс и что использование орбитальной инфраструктуры для строительства кораблей на орбите было бы очевидной ошибкой. А в остальном наши представления расходились. Бен считал, что роботизированной технике и бортовым манипуляторам можно доверить сборку корабля из деталей, доставленных на орбиту Земли. Поскольку Бен очень хотел собрать свой космический корабль на орбите, он, в отличие от меня, не стремился уменьшить массу миссии. Несмотря на то что он годами продолжал активно интересоваться возможностями изготовления ракетного топлива на Марсе, он не видел необходимости встраивать эту стратегию в свой план полета. Бен также не считал нужным увеличивать время, которое экипаж проведет на поверхности Марса, – достаточно полутора лет. Значительную часть этого срока астронавты должны были находиться на орбите, выбираясь на поверхность лишь на тридцать дней на небольшом посадочном корабле. Бен предлагал использовать химические реактивные двигатели, которые можно приобрести у уже существующих производителей. Результатом таких размышлений была относительно традиционная миссия (если вообще можно называть «90-дневный отчет» и подобные ему планы традиционными), предусматривающая создание 700-тонного орбитального космического аппарата. Однако в этом проекте отсутствовали развитые в «90-дневном отчете» дорогостоящие идеи по строительству инфраструктуры на Луне и орбите Земли. Первоначально Бен называл свой план «Концепция 6», но позже изменил название на «Подход прямолетящей стрелы».
Я с рассуждениями Бена не согласился, так как не доверял схеме роботизированной самосборки. Кроме того, при требовании каждый раз запускать 700 тонн на низкую опорную орбиту Земли к Марсу отправят не так уж много миссий, а тридцать дней на поверхности не позволят детально исследовать планету. Насколько я понимаю, мы стремимся на Марс не ради нового рекорда, мы хотим изучить и начать обживать Красную планету.
Длительное присутствие на Марсе требует большого количества повторных миссий, а это возможно, только если масса и, следовательно, стоимость миссии будут снижены. Лучший способ добиться этого – использовать для возвращения на Землю топливо марсианского производства. В 1989 году я уже провел исследования, показывающие, что, если объединить такую стратегию с использованием ядерного реактивного двигателя при возвращении миссии с Марса на Землю, осуществить пилотируемый полет к Марсу можно с помощью одной ракеты-носителя «Сатурн-5» времен миссии «Аполлон». Если рассчитывать на одну ракету-носитель, все компоненты миссии можно собрать на мысе Канаверал, и вопрос о сборке армады межпланетных кораблей на орбите будет неактуален. Далее, используя топливо местного производства, можно высадить на Марсе всю необходимую технику, ничего не оставляя на орбите. Это позволит организовать длительные экспедиции на поверхность, которые я считаю абсолютно необходимыми, если мы хотим получить во время пребывания на Марсе какой-то результат. Прямой запуск одной ракеты-носителя тяжелого класса, использование ядерного реактивного двигателя при возвращении с Марса на Землю и старт напрямую с поверхности Марса за счет топлива местного производства – это лучший способ реализации миссии на Марс.
Теперь о варианте, предложенном Дэвидом Бейкером. Бейкер был высококлассным инженером во времена, когда системы космических кораблей и их внешний вид создавали, вдохновляясь программой разработки транспортного средства для лунной миссии в «Мартин Мариетта». Когда Бейкер трудился над этим проектом, его выводили из себя взбалмошные требования НАСА. Например, чтобы проектируемый модуль был в состоянии высадиться на Луне даже в случае отказа любых двух двигателей. (Лунный посадочный модуль «Аполлона» имел только один двигатель.) Тогда, чтобы соблюсти симметрию силы тяги, требовалось спроектировать модуль с пятью двигателями, хотя было достаточно, чтобы работал только один. При этом сила тяги стала бы слишком большой, и пришлось бы снизить мощность двигателей на 10 %, а значит, появлялась необходимость в новой дорогостоящей программе разработки. Кроме того, НАСА требовало, чтобы двигатели были многоразовыми. Другими словами, по пути к Луне и обратно пришлось бы нести пять тяжелых двигателей – что означало дополнительную нагрузку и серьезное увеличение стоимости миссии, – а потом проводить технический осмотр и встраивать их в следующую конструкцию стоимостью в многие миллиарды долларов. И все это для того, чтобы выполнить работу, с которой легко справится один двигатель «Пратт энд Уитни RL-10» стоимостью в 2 миллиона долларов. Бейкер сделал все, что мог, работая в проекте лунного транспортного модуля, но однажды признался мне: «Ничего из этого не имеет смысла».
Бейкер участвовал в более ранних исследованиях для других марсианских миссий, стиль работы над которыми заставлял вспомнить «90-дневный отчет», но было ясно, что логика проектов (или ее отсутствие) оставляла ощущение дискомфорта. Я высказал ему свои идеи, с некоторыми он сразу согласился, а в разумности других, например замысла использовать изготовленное на Марсе топливо для возвращения астронавтов на Землю, я смог убедить Бейкера постепенно. Однако с другими моими предложениями он согласен не был. В частности, он не считал нужным использовать ядерные реактивные двигатели для первых миссий к Марсу. Он утверждал, что разработка таких миссий будет слишком дорогой и поэтому общественность не поддержит эту идею. Я с его аргументами не согласился: затраты на разработку ядерного ракетного двигателя окупятся благодаря удешевлению запусков уже после двух или трех миссий, и если общественности нужна долгосрочная программа исследования Марса, придется смириться с тем, что для нее необходимы ядерные ракетные двигатели. Бейкер возразил, что, если настаивать на их использовании с самой первой миссии, придется задержать всю программу и задержка может оказаться фатальной.
Этот аргумент задел меня за живое. Я понимал, что отправлять людей на Марс нужно с минимальными промежутками. Оперативные запуски уменьшают расходы на программу, поскольку затраты – это количество людей, умноженное на время. К тому же каждый год любой крупный проект должен заново рассматриваться в Конгрессе, чтобы получить финансирование, и всегда существует риск отказа – причем дело может быть в межличностных разногласиях, которые не имеют никакого отношения к программе. Каждое рассмотрение – игра в русскую рулетку. Остается только надеяться, что повезет много раз подряд.
В 1961 году Джон Кеннеди призвал нацию добраться до Луны к 1970 году. К 1968 году президент и его администрация сменились, и, когда астронавты программы «Аполлон» высадились на Луне, президент Ричард Никсон собирался прекратить программу. Если бы Кеннеди призывал граждан Америки добраться до Луны за двадцать лет, а не за десятилетие, в 1969 году НАСА только-только завершало бы программу «Меркурий», Луна по-прежнему оставалась бы далекой целью. Программу могли бы отменить, и сегодня высадка на Луну казалась бы несбыточной мечтой. Если мы хотим отправить людей на Марс, нельзя растягивать программу на тридцать лет, даже двадцать – это слишком большой срок. Десять лет – это все, на что можно рассчитывать.
Я допускал, что ядерные ракетные двигатели могли бы подождать, но миссия на Марс ждать не могла. Следовало использовать ядерные ракетные двигатели во что бы то ни стало, как только они появятся, поскольку они позволяют увеличить грузоподъемность ракеты и сократить затраты на запуск (примерно в два раза). Но не следует откладывать миссию, пока она еще не разработана. Надо лететь на Марс как можно быстрее, используя то, что имеется под рукой. Улучшить миссию можно позже. Когда мы с Бейкером начали проводить больше времени за обсуждениями, говоря об особенностях транспортных средств и дизайне миссии, как с технической, так и с философской сторон, мы все более сходились во мнениях. Мы решили сотрудничать.
Во многих отношениях мы были сильно непохожи. Я ниже среднего роста, Бейкер – очень высокий. Я – холерик, он – флегматик. Я – оптимист, он – пессимист. Я – романтик, он – экзистенциалист. Мой любимый фильм – «Касабланка», его – «Бразилия». Мои мысли скачут, его – движутся по прямой. Мое кредо согласуется со словами Гегеля: «Ничто великое в мире не совершается без страсти». Когда однажды я сказал это Бейкеру, он с отвращением вышел из комнаты. Для Бейкера страсть и инженерное дело несовместимы. По-видимому, ему достаточно отлично выполнять свою работу и хорошо жить. А я хочу изменить мир.
Тем не менее мы работали вместе, и в течение некоторого времени в 1990 году – чрезвычайно эффективно. Мы дополняли друг друга. У меня было очень хорошее академическое образование в широких областях математики, естественных наук и инженерии, а он обладал огромным инженерным опытом и блестяще ориентировался в своей области знаний. Я обеспечивал креативность и задор, он – дисциплину. Мы так и не стали близкими друзьями, но как команда сработались.
Как уже упоминалось выше, в 1989 году я показал в ряде работ, что, если бы были доступны ядерные ракетные двигатели, а для взлета с Марса и возвращения на Землю мы сумели бы использовать произведенное на Марсе топливо, пилотируемую миссию к Марсу можно было бы запустить с помощью одной ракеты-носителя класса «Сатурн-5». Бейкер разработал такую тяжелую ракету-носитель для НАСА. Он назвал ее «Шаттл Зет» в честь «Кода Зет», подразделения НАСА, которое отвечало в то время за разработку планов по пилотируемому освоению космоса. «Шаттл Зет» был создан на основе предварительного проекта аппарата НАСА «Шаттл Си», у которого орбитальный аппарат заменили на увеличенный грузовой отсек. «Шаттл Си» может доставить на НОО около 70 тонн груза. Добавив мощную верхнюю ступень, работающую на смеси водорода и кислорода, внутрь увеличенного бокового грузового отсека, Бейкер создал «Шаттл Зет» и увеличил грузоподъемность ракеты до 130 тонн (на НОО), это всего на 10 тонн меньше, чем способен поднять «Сатурн-5». Поскольку все ключевые компоненты «Шаттла Зет» были взяты из запаса деталей для шаттла, мы могли бы разработать транспортное средство быстро и недорого, а это ключевое требование для программы, рассчитанной на десятилетие.
Итак, у нас была ракета-носитель, но не было ядерного ракетного двигателя, для того чтобы хотя бы долететь с Земли на Марс или наоборот. Если отправлять наше оборудование к Марсу, не пользуясь ядерными двигателями, то потребуются два запуска. Само по себе это не было препятствием, но делало архитектуру нашей миссии по меньшей мере неизящной. В нашем проекте возвращаемый на Землю аппарат располагался над обитаемым модулем, который, в свою очередь, находился над частично заполненной верхней ступенью «Шаттла Зет», которая крепилась над еще одной почти заполненной ступенью. Эта цепочка была бы собрана на орбите с помощью стыковки и маневрирования в доках, причем первые три элемента (ВЗА, обитаемый модуль и одна частично заполненная ступень) были бы доставлены одним «Шаттлом Зет», а четвертый элемент (еще одна почти заполненная ступень) – вторым «Шаттлом Зет».
По ряду причин этот вариант показался нам не слишком привлекательным. Для начала, длинная цепочка устройств неудобна в использовании, и какая бы ракета ни доставляла первой полезную нагрузку на НОО, за несколько месяцев значительное количество топлива в верхней ступени испарится. По прибытии на Марс ВЗА и обитаемый модуль будут располагаться позади тормозной подушки – оболочки в форме гриба или тупого конуса, – и их станет замедлять марсианская атмосфера. Вес ВЗА и обитаемого модуля получился бы настолько большим, что было бы сложно изготовить парашют достаточного размера, который уместился внутри головного обтекателя «Шаттла Зет». Но на Марсе возникли бы еще более серьезные проблемы.
Когда стало понятно, что без ядерного реактивного двигателя не обойтись, я разработал реактивную установку, которая бы просто сжимала и запасала марсианский углекислый газ, а затем нагревала его в ядерном реакторе для получения высокотемпературного ракетного выхлопа. Марсианская атмосфера почти на 95 % состоит из диоксида углерода, который сжижается при марсианских температурах, если приложить давление около 6,8 атмосферы. Механически такая система производства топлива очень проста. Фактически нужен насос. В рамках такого плана было бы разумно предположить, что астронавты начнут добывать топливо для своего возвращения, после того как высадятся на Марс. Однако без ядерного реактивного двигателя любое топливо, произведенное на Марсе, пришлось бы изготавливать с помощью какой-то иной формы химического синтеза. Это было бы значительно сложнее, чем просто сжатие и хранение двуокиси углерода. Несомненно, НАСА вполне резонно настаивало на том, чтобы все ракетное топливо, необходимое для возвращения на Землю, было бы заготовлено до того, как экипаж займется исследованием Марса; в противном астронавты могут оказаться в безвыходном положении, если процесс производства сорвется.
В 1989 году Джим Френч, независимый технический консультант, опубликовал в журнале Британского межпланетного общества статью, содержавшую некоторые из этих рассуждений. Френч предложил отправить на Марс завод по производству ракетного топлива до прибытия экипажа. Завод будет производить и накапливать топливо для возвращения экипажа. Но оставалась проблема: как посадить космический корабль на таком расстоянии от топливного склада, которое не превышало бы длины шланга? Задача казалась настолько трудной, что Френч в завершении статьи признавал: использование марсианского топлива останется непрактичным до тех пор, пока на Марсе не будут обустроены база для астронавтов и местная инфраструктура, которая обеспечит защиту от любого рода непредвиденных обстоятельств.
Дела обстояли следующим образом: отказавшись от ядерного ракетного двигателя, мы получили возможность сократить время подготовки миссии, но вместе с тем получили целый ворох проблем. Наиболее сложным был вопрос транспортировки топлива, произведенного нашим заводом, из «складских» баков в ВЗА. Зависеть от заранее доставленного на Марс роботизированного бензовоза? Слишком рискованно. Разыскивая решение, я придумал новый вариант архитектуры миссии, который сейчас кажется очевидным. Не нужно посылать команду вместе с ВЗА – сначала нужно отправить ВЗА, совмещенный с топливным заводом. Эта идея разом решала практически все проблемы. Обитаемый модуль и ВЗА сами по себе достаточно легкие, чтобы запустить каждый из них непосредственно на Марс одним «Шаттлом Зет». Нам по-прежнему потребуются два запуска, но теперь один «Шаттл Зет» может нести ВЗА, а другой – экипаж и жилой модуль. Чтобы объединить полезную нагрузку из ВЗА и обитаемого модуля, потребовалась бы огромная система торможения, что стало бы серьезной проблемой ее разработчиков. Но для отдельных запусков можно изготовить отдельные удобные в управлении системы торможения, которые соответствуют размерам головного обтекателя «Шаттла Зет». Чтобы гарантировать, что наш марсианский экипаж не окажется в затруднительной ситуации из-за отсутствия топлива, ВЗА полетит на Марс во время стартового окна, предшествующего запуску астронавтов, то есть за двадцать шесть месяцев до них. Таким образом, все топливо будет заготовлено даже до того, как экипаж покинет Землю, и так как завод для производства ракетного топлива будет отправлен на Марс совместно с ВЗА, не придется переживать из-за места посадки. Трубопровод, который доставит изготовленное на Марсе топливо из модуля химического синтеза в топливные баки ВЗА, будет смонтирован еще на Земле.
Лучше всего, если ни на одном этапе миссии не требуется сборка на орбите или любого рода рандеву на ней. Единственное необходимое рандеву состоится на поверхности Марса, и оно легко выполнимо. Во время программы «Аполлон» мы высадили экипаж в пределах 200 метров от корабля «Сервейор», который прибыл на Луну несколькими годами ранее, а имеющаяся в нашем распоряжении современная бортовая техника намного точнее. Если во время орбитального рандеву промахнуться на 10 метров, стыковки не произойдет. А при встрече на поверхности можно высадиться в 10 километрах от цели, а затем просто дойти или доехать до нужного места. Кроме того, в качестве части полезной нагрузки жилого модуля мы предусмотрели герметизированный ровер, который может проехать до 1000 километров; нужно очень плохое пилотирование, чтобы высадиться от ВЗА на большем расстоянии. И что бы ни говорили о бюрократии НАСА, в штате астронавтов НАСА состоят одни из лучших в мире пилотов. Несомненно, встреча на поверхности Марса окажется удачной.
Хотя отправка экипажа на Марс отдельно от ВЗА кажется отчаянной мыслью, на самом деле она будет гораздо безопаснее, чем высадка экипажа вместе с транспортным средством, которое отправит людей обратно на орбиту Марса. Причина проста: если ВЗА высадится первым, астронавты еще до своего старта будут знать, что их ждет полностью работоспособная система для взлета с Марса и возврата на Землю, которая уже выдержала испытание посадкой на Марс. Для сравнения, если экипаж высаживается с системой возвращения на Землю, можно только догадываться, в какой состоянии взлетный модуль будет после того, как они переживут удар о поверхность Марса. Кроме того, согласно нашему плану экипаж отправится на Марс одновременно с еще одним ВЗА, который приземлится в пределах досягаемости герметизированного ровера. Этот второй ВЗА начнет производить топливо для второго пилотируемого полета на Марс, но в случае возникновения чрезвычайной ситуации он может служить резервным жилым модулем для экипажа первой миссии.
К тому же два ВЗА на поверхности Марса и собственный жилой модуль первого экипажа дают нам в общей сложности три жилых объекта, которые могут обеспечить астронавтам комфортное существование. Что касается безопасности марсианских миссий, это лучшее, что можно придумать.
Чем дольше мы продумывали новую архитектуру миссии, тем лучше она становилась. Мы продолжали прорабатывать необходимые подсистемы и конструкции оборудования. Я сосредоточился на синтезе марсианского ракетного топлива. Основным направлением работ в этой области в 1990 году было исследование нового способа расщепления диоксида углерода (СО) на угарный газ (СО) и кислород (O2), которые затем можно сжечь вместе как ракетное топливо. Единственный ингредиент для этого процесса – CO2 – на Марсе так же доступен, как воздух на Земле.
Однако существовало и множество недостатков. Процесс был изучен недостаточно. Чтобы сделать реактор, способный обеспечить энергией пилотируемую марсианскую миссию, потребовались бы десятки тысяч маленьких хрупких керамических трубок с высокотемпературными (около 1000 °C) заслонками на концах. Кроме того, двухкомпонентное ракетное топливо из угарного газа и кислорода, производимое таким способом, имело бы низкое качество и удельный импульс лишь около 270 секунд. (Удельный импульс – это время, за которое производится фунт, то есть около 450 граммов, ракетного топлива, чтобы создать тягу в 1 фунт.[18] Чем выше это число, тем лучше. Удельный импульс двигателей немецких ракет «Фау-2», использовавшихся во время Второй мировой войны, составлял около 230 секунд, а современные двигатели «Пратт энд Уитни RL-10», работающие на смеси водорода и кислорода, имеют удельный импульс в 450 секунд. Ядерный ракетный двигатель на водороде может иметь удельный импульс в 900 секунд.) Не самые удачные показатели смеси угарного газа и кислорода привели бы к тому, что для осуществления полета с Марса на Землю на Красную планету пришлось бы везти очень большие и тяжелые топливные баки. Кроме того, температура пламени при горении этой смеси очень высока, и до сих пор не существует двигателя, который мог бы работать при таких условиях. Разработка такого двигателя обойдется недешево и будет грозить отставанием от графика полетов миссии.
Существует альтернатива: использовать смесь метана и кислорода (СН4/О2). Главное ее преимущество заключается в том, что смесь метан/кислород обладает высочайшим значением удельного импульса (380 секунд) среди химических соединений, ее легко запасать на длительный срок прямо на поверхности Марса. Поскольку двигатели СН4/O2 не выпускаются в промышленных масштабах, эта комбинация была успешно испытана в двигателях RL-10 на тестовом стенде, и производители двигателей «Пратт энд Уитни» опубликовали данные, показывающие, что модификация RL-10 для СН4/O2 будет работать без затруднений и обойдется недорого. Но есть одна проблема: чтобы произвести метан, потребуется водород, который сложно найти на Марсе. Так где же на Марсе раздобыть водород? В 1976 году профессор Роберт Эш, сейчас работающий в Университете Старого Доминиона, и некоторые его единомышленники из ЛРД опубликовали статью с изложением некоторых чрезвычайно простых, надежных и хорошо проверенных (еще в газовую эру) идей химической инженерии, которые позволяют получить двухкомпонентное топливо из метана и кислорода на Марсе при условии, что будет найден какой-то источник воды. Вода – вот в чем главная сложность. Добыча воды из марсианской вечной мерзлоты не самый эффективный вариант для первой автоматической миссии, а конденсация воды из крайне сухой атмосферы Марса крайне сложна. Поэтому Эш принялся исследовать производство смеси угарного газа и кислорода. Рассматривая предложение Эша, я понял, что единственная проблема его группы – чрезмерный пуризм, то есть упор на то, что все компоненты топлива должны иметь марсианское происхождение. На самом же деле для поддержания предложенного ими химического процесса нужно использовать водород, масса которого составит всего 5 % от общей массы произведенного топлива. Так почему бы просто не привезти относительно небольшое количество водорода с Земли? Я проконсультировался с экспертами по хранению криогенных (сверххолодных) жидкостей из «Мартин Мариетта», и они были единодушны во мнении, что с хранением примерно 6 тонн водорода для восьмимесячного полета с Земли на Марс вполне можно справиться при условии, что мы начнем с количества примерно на 15 % больше, чтобы компенсировать потери на испарение в пути (на Марсе испаряющийся водород можно направлять непосредственно в метановый реактор и тем самым избежать потерь). В теории это решит проблему производства подходящего для марсианских условий ракетного топлива.
Тем временем, благодаря помощи Сида Эрли, аналитика траекторий космических аппаратов из «Мартин Мариетта», Бейкер переработал «Шаттл Зет» в «Арес», ракету-носитель, способную не только поднимать полезную нагрузку на низкую околоземную орбиту, но и отправлять непосредственно в межпланетное пространство (рис. 3.1). Бейкер также выдвинул предложение использовать отработавшую верхнюю ступень «Ареса» как противовес на конце вращающегося троса для создания искусственной гравитации в жилом модуле экипажа во время полета на Марс. Идея создать искусственную гравитацию с помощью троса не была принципиально новой, но наш план выглядел гораздо более надежным, чем другие, поскольку объект на конце троса не имел большой важности для миссии. В более традиционных миссиях из-за огромной массы корабля, стартующего с Земли, сила тяжести создавалась следующим образом: содержимое корабля делилось на две части, и необходимые для миссии компоненты, такие как ступени с химическими реактивными двигателями, без которых нельзя вернуться на Землю, перемещались на дальний конец троса. Если такой трос порвется, когда придет время смотать его, миссия будет провалена. А в нашей схеме трос вообще не нужно сматывать. Скорей всего, его просто выпустят или перережут пироболтом, когда обитаемый модуль достигнет Марса. Это можно назвать ключевым преимуществом нашей архитектуры для снижения рисков миссии.
Рис. 3.1. Эволюция ракет-носителей от «Шаттла Си» до «Шаттла Зет» и «Ареса»
Так обстояли наши дела. Бейкер предложил использовать два модуля космической станции в качестве основы для хаба, поскольку к началу миссии они, по всей видимости, уже будут запущены в серийное производство. Модули космической станции – длинные и тонкие, как фюзеляж самолета, их форма разработана таким образом, чтобы они помещались внутрь грузового отсека шаттла диаметром 5 метров. Я выяснил, что реальная работа по конструированию модулей космической станции велась так, чтобы подстроиться под размеры системы жизнеобеспечения и других внутренних систем, а не наоборот. Более широкая конструкция, напоминающая по форме банку тунца, лучше соответствовала 10-метровому в диаметре обтекателю «Ареса», давала больше возможностей для создания интерьера жилого модуля, где члены экипажа чувствовали бы себя комфортно во время длительного путешествия, чем пара модулей космической станции, и весила бы к тому же значительно меньше. После того как были сделаны наброски жилого модуля с различными интерьерами, Бейкер согласился, что вариант в форме высокой банки с тунцом действительно лучший, и мы остановились на нем. Жилой модуль прекрасно и симметрично размещался в неподвижном центре одного из разработанных Биллом Уилкоксоном тормозных парашютов внутри обтекателя «Ареса». Поскольку мы хотели создать набор транспортных средств, которые подходили бы для лунных миссий так же, как и для марсианских (в качестве дополнительной цели, а не промежуточного шага), мы решили разделить двигатель ВЗА на две ступени. В верхней ступени топлива хватало бы ровно на то, чтобы напрямую вернуться на Землю с поверхности Луны, в то время как обе ступени вместе обеспечивали бы возвращение ВЗА с Марса на Землю. Поскольку верхняя ступень сама по себе получалась намного меньше нижней, «Арес» можно было бы использовать для доставки полностью заправленного ВЗА на лунную поверхность (изготовить ракетное топливо на Луне возможно, но для первой миссии это нежелательно, так как пришлось бы дробить лунную породу). Таким образом, были спроектированы «Арес», жилой модуль, ВЗА с двухступенчатым двигателем и система торможения в атмосфере – вместе они составляли компактный (и, следовательно, недорогой) набор элементов, которые можно комбинировать для осуществления как лунной, так и марсианской миссий в рамках инициативы исследования космоса. С помощью системы автоматизированного проектирования инженер Боб Спенсер и художник из «Мартин Мариетта» Роберт Мюррей (да, все верно, хороший художник-инженер может сильно помочь при разработке дизайна, стимулируя ваш мыслительный процесс и объясняя, что с чем можно соединить и что куда передвинуть) превратили все эскизы в трехмерные чертежи.
Из соображений минимализма Бейкер настаивал на экипаже из трех человек; я предлагал команду из пяти. Мы проработали логистику миссии, и обнаружилось, что расчетная грузоподъемность позволяет составить экипаж из четырех человек.
Поэтому членов экипажа стало четверо. (Выбирать было просто. Однако по причинам, которые я изложу позже, я убедился, что четверо – это в самый раз для начала миссии.)
За день до завершения работы по проектированию я вошел в офис Бейкера и сел на его стол. Я сказал: «Нашему плану нужно название, что-нибудь передающее его суть. Мы собираемся прямо на Марс, и по программе – избегая промежуточных этапов на орбите Земли или на Луне, и физически – запуская ракету прямо к Красной планете и возвращая аппарат с поверхности Марса прямо на Землю. Я обдумывал варианты вроде «Прямолинейный план» или «Директ Марс»». Бейкер посмотрел на меня и сказал: «Хорошо… как насчет… "Марс Директ"?» Ему не пришлось повторять дважды. У миссии появилось имя.
После завершения работы мы отдали наш план на ознакомление группе, разрабатывающей программы полетов, и начальству. Бен Кларк составил список серьезных вопросов и замечаний по поводу миссии, занявший несколько страниц. Мы дали письменный ответ. Эл Шалленмюллер, вице-президент сектора гражданской космонавтики «Мартин Мариетта», очень заинтересовался миссией. Все необходимое для выполнения нашего плана могло быть без затруднений создано в ближайшем будущем. Опираясь на свой опыт работы в «Сканк уоркс», он согласился с моей оценкой, согласно которой «Марс Директ» может быть подготовлен в течение десяти лет. Шалленмюллер решил отправить нас в Центр космических полетов Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама, чтобы мы представили свой план сотрудникам НАСА. Ни Бейкер, ни я не ожидали, что брифинг пройдет хорошо. Центр имени Маршалла считается одним из самых консервативных в НАСА, и казалось маловероятным, что тамошняя аудитория благосклонно воспримет радикальную идею вроде «Марс Директ». Регионализм тоже мог стать настоящей проблемой, которая значительно усилила бы настроение «вас сюда не звали». Я предсказывал Бейкеру, шутя только отчасти, что скорее всего сотрудники центра Маршалла ответят: «Мой отец не отправлял такие миссии на Марс, и его отец не отправлял такие миссии на Марс, и нам не нужно, чтобы сюда приезжали проклятые янки и учили нас, как запускать миссии на Марс».
Я не мог ошибиться сильнее. Мы с Бейкером представили доклад о миссии вместе, в командном стиле. Отклик был потрясающий. Группа планирования ИИК из центра Маршалл действительно была консервативной и именно по этой причине очень воодушевленно встретила «Марс Директ». Эти люди месяцами разбирались с грандиозными планами по сборке на орбите огромных межпланетных космических кораблей, хотя сами считали эти планы бредом сивой кобылы. Когда мы объяснили, как осуществить пилотируемый полет на Марс с помощью двух запусков ракет типа «Сатурн-5», у ветеранов программы «Аполлон», сидевших в зале, начали загораться глаза: «А ведь это мы действительно можем выполнить!» Джен Остин, руководитель организации по ИИК в центре Маршалла, пригласил нас с Бейкером к себе в офис и говорил о плане два часа (нечто неслыханное!), сначала расспрашивая о концепции, а затем давая нам советы о том, как рассказать о миссии в космическом центре Джонсона и в других организациях.
Брифинг в центре Маршалла состоялся 20 апреля 1990 года. В следующие несколько недель с подобными докладами мы посетили все крупные центры НАСА, участвующие в ИИК, и везде мы приводили людей в восторг. В День памяти павших[19] мне дали возможность выступить с заключительным докладом пленарной сессии на национальной конференции Национального космического общества в Анахайме. Это был первый рассказ о «Марс Директ» для широкой публики. Мне аплодировали стоя. Через неделю мы с Бейкером выступали с докладом о миссии на конференции «Курс на Марс» (проводится раз в три года сообществом «Марс Андеграунд», о котором я расскажу чуть позже) в Боулдере и вообще выступали везде, где только можно было. На следующий день Boston Globe на первой полосе опубликовала статью своего опытного научного корреспондента Дэвида Чандлера под названием «Предложен новый план полета на Марс», которую перепечатали сотни других газет. Миссия «Марс Директ» получила широкую огласку.
До конца лета Бейкер и я по отдельности и вместе продолжали выступать на открытых конференциях и брифингах НАСА. Также мы опубликовали подробное описание миссии в специальном разделе журнала «Аэроспейс Америка», специализированном ежемесячном издании об авиационной промышленности. Где бы мы ни выступали, у нас появлялись единомышленники, но контратака уже готовилась. Влиятельные люди из НАСА, причастные к программе космической станции, совсем не были рады существованию «Марс Директ». Так как мы не использовали станцию или хотя бы наработки (которые только должны были появиться) по методам сборки на орбите, выходило, что мы подрываем доверие к их программе. Сотрудникам НАСА, которые были дружественно настроены к миссии «Марс Директ», сказали держаться от нас подальше. Эта заставило нас снизить активность. Некоторые (но не все) представители сообщества инженеров, занимающихся разработками в области реактивного движения, также были настроены враждебно. Они тоже почувствовали, что «Марс Директ» уменьшает значимость их проектов, и выдвигали к будущим миссиям такие требования, которым могли удовлетворить только разработанные ими системы. На то чтобы опровергнуть необходимость этих требований, у нас ушло немало сил. То, что началось как интеллектуальный блицкриг, превращалось в окопную войну.
Темперамент Бейкера не подходил для такой затяжной битвы. Становилось все очевиднее, что преодолеть косность мышления наших оппонентов будет непросто, а глупое стремление бюрократов из НАСА реализовать их фантастический проект стоимостью 450 миллиардов долларов приводило к тому, что Конгресс продолжал отказывать в финансировании ИИК. Бейкер все сильнее унывал. В феврале 1991 года он уволился из «Мартин Мариетта» и пошел получать степень магистра в Университете Колорадо, чтобы затем открыть собственную консалтинговую фирму.
Оставаясь оптимистом, я упорно продолжал ездить по стране, выступил с десятками докладов и написал многочисленные статьи для журналов. Администрация Буша привлекла независимых экспертов из группы «Синтез», возглавляемой бывшим астронавтом программы «Аполлон» генералом Томасом Стаффордом, чтобы попытаться разработать новую архитектуру для ИИК взамен неудачного «90-дневного отчета». Я встретился с ними и коротко изложил свою идею, а затем побеседовал с ключевыми людьми в комиссии. Когда в мае 1991 года был опубликован отчет группы «Синтез» [13], я был разочарован. Они проигнорировали «Марс Директ» и отдали предпочтение исследованию Марса с помощью слегка обновленной версии гигантских космических аппаратов на ядерных реактивных двигателях из плана Вернера фон Брауна за 1969 год. Но хотя мой план и не попал в отчет целиком, ключевые моменты в нем все таки были отражены. Сборка аппаратов на орбите теперь считалась нежелательной. Большой срок, проведенный на Марсе, теперь рассматривали как плюс миссии – наконец-то исследования признали ее важной составляющей. Так, в то время считалось, что полет на Марс во время его противостояния с Землей (что предполагало большие энергозатраты и короткое время пребывания на Марсе) будет выбран для первой миссии, а все последующие миссии будут запущены во время соединения Земли и Марса (энергозатраты меньше, а время пребывание на Марсе более длительное). Предложенная мной технология производства марсианского ракетного топлива из метана и кислорода вызвала одобрение, в отчете было сказано, что проект необходимо реализовать, правда, не в рамках самых первых миссий. Все это свидетельствовало о прогрессе. Потом осенью 1991 года свет в конце тоннеля забрезжил еще ярче, когда Майк Гриффин, один из надежнейших людей в группе «Синтез», был назначен руководителем отдела планетных исследований НАСА и ответственным за ИИК. Говорили, что Гриффин очень умен и не похож на среднестатистического бюрократа. «Если бы только я мог с ним побеседовать», – подумал я. Я не мог подобраться к Гриффину напрямую, поэтому начал убеждать его друзей – некоторые из них также были моими друзьями. Наконец в июне 1992 года мне выпал шанс поговорить с Гриффином в его офисе. Все прошло хорошо. Гриффин прочел некоторые мои статьи, но у него были кое-какие вопросы. Личная встреча дала мне возможность на них ответить. Гриффин позвонил Биллу Боллхаусу руководителю сектора гражданской космонавтики в «Мартин Мариетта» (Шалленмюллер к тому времени почти отошел от дел), и «попросил» его («просьба» руководителя подразделения НАСА в аэрокосмической промышленности – это значительно больше, чем просто просьба) выделить средства для того, чтобы я подготовил более детальное обсуждение миссии «Марс Директ» в Космическом центре имени Джонсона. Они обязательно воспримут миссию всерьез.
Обсуждение состоялось, и не одно – тогда я не знал, что миссия «Марс Директ» настолько понравилась Гриффину. Он даже побеседовал с будущим руководителем НАСА Дэном Голдином, который также стал моим сторонником. В итоге, когда я появился в центре имени Джонсона в октябре 1992 года, чтобы провести серию подробных брифингов о «Марс Директ», моя аудитория определенно была готова слушать.
Группа исследовательских программ из центра Джонсона выслушала меня, и людям понравилось то, что они услышали, но у них по-прежнему оставались вопросы. Члены группы чувствовали, что мои оценки массы миссии сделаны с запасом, и хотели, чтобы в экипаже было шесть человек. А значит, потребовалась бы более мощная ракета, чем «Арес». Дэйв Уивер, главный архитектор миссий в группе, также с подозрением отнесся к тому, что весь план критически зависит от производства ракетного топлива на Марсе. Действительно, если топливо будет изготовлено перед тем, как экипаж, который в нем нуждается, покинет Землю, проблем не возникнет. Но если запасание топлива на Марсе не состоится, вся миссия окажется провальной. Уивер и я пошли в его офис, взяли мел и разработали компромиссную архитектуру миссии, которая отвечала на все вопросы [14]. Я назвал этот план «Марс Полудирект» (рис. 3.2). В рамках одной миссии вместо двух запусков выполняются три. Один доставляет на поверхность Марса спускаемый аппарат, который сам будет производить топливо, а также большое количество оборудования и расходных материалов. Еще один доставляет возвращаемый на Землю модуль экипажа вместе с метаново-кислородным реактивным двигателем на высокую околомарсианскую орбиту. С помощью последнего запуска к поверхности Марса отправят хаб с экипажем. Следовательно, нет необходимости производить достаточное количество топлива для отправки возвращаемого на Землю аппарата прямо с поверхности Марса. Нужно лишь послать модуль с поверхности Марса на орбиту и провести там стыковку жилого модуля с ВЗА, после чего находящийся на орбите химический реактивный двигатель доставит экипаж домой. Модуль для взлета с Марса достаточно легкий, поэтому, если с ним не отправлять никаких дополнительных грузов, полностью заправленный вариант может быть доставлен на поверхность Марса одной тяжелой ракетой-носителем. То есть, если на Марсе производство ракетного топлива не заладится, программу по-прежнему можно спасти с помощью запуска с Земли четвертой ракеты-носителя. Этот вариант архитектуры мне нравился меньше, чем классический «Марс Директ», поскольку ограничивал возможности миссии. Вместо двух запусков и двух космических аппаратов для плана «Марс Полудирект» потребовалось бы по три запуска и три аппарата, что увеличило бы стоимость программы. Кроме того, критически важное рандеву на орбите Марса было запланировано на вторую половину миссии. Это явно было необыкновенным прогрессом по сравнению с прежней убежденностью НАСА: теперь весь полезный груз собирались доставить на Марс сразу с помощью одной ракеты-носителя, не требовалась сборка гигантского корабля на орбите Земли, планировалось длительное пребывание экипажа на Марсе и использование местных ресурсов с самой первой миссии. Это был компромисс, но компромисс жизнеспособный, я бы его поддержал. Майкл Дьюк и Гамболт «Гам» Манделл, два уважаемых в центре Джонсона человека, почти сразу одобрили план «Марс Полудирект», с тех пор мы могли рассчитывать на большую поддержку центра.
В 1993 году Уивер сблизился с большой командой из разных подразделений НАСА, для того чтобы проработать план «Марс Полудирект». Я участвовал в этой работе как консультант. И опять в большой команде стали появляться сепаратистские настроения. Представители различных программ пытались обеспечить ведущую роль своим системам. Работать с такой командой – это все равно что пасти котов. Тем не менее удалось сформировать вполне работоспособный план, основанный на «Марс Полудирект». Эта расширенная версия была проанализирована той же группой оценки финансовых затрат из центра Джонсона, которая выдала цифру в 450 миллиардов долларов для «90-дневного отчета». Анализ включал разработку всех необходимых технологий, в том числе тяжелой ракеты-носителя (то есть подзадача о полете по программе исследования Луны не ставилась), а также запуск трех полноценных пилотируемых миссий на Марс. Итого: 55 миллиардов долларов, или одна восьмая часть стоимости традиционного плана ИИК. В июле 1994 года весть об этой работе достигла журнала Newsweek и попала на обложку. «Пилотируемый полет на Марс?» – спрашивал Newsweek. «Технология уже отрабатывается. И стоимость в 50 миллиардов долларов – одна десятая часть суммы, в которую оценивался прежний план, – нас устраивает».
Изучив вопрос, специалисты пришли к выводу, что умеренный по стоимости, технически выполнимый план, который поддержат политики и который действительно позволит доставить человека на Марс, – это план, основанный на концепции «Марс Директ». Это программа не для наших далеких потомков, а для нас и наших современников. Это миссия, которую могут разработать современные инженеры, основываясь на имеющемся у нас техническом потенциале, миссия, которая может быть осуществлена астронавтами, состоящими сегодня на службе в вооруженных силах США.
Рис 3.2. Последовательность запусков для миссии «Марс Полудирект». Каждые два года запускаем три ракеты-носителя. Одна доставляет на Марс экипаж в обитаемом модуле (хабе), две другие в беспилотном режиме доставляют полезную нагрузку, состоящую из самостоятельно заправляющегося Марсианского взлетного модуля (МВМ) и ВЗА. Когда приходит время возвращаться домой, экипаж перемещается в МВМ и отправляется на околомарсианскую орбиту для стыковки с уже обращающимся вокруг Марса ВЗА, который затем доставляет экипаж на Землю. Жилой модуль, отправляемый в первый год, летит на Марс без экипажа, чтобы послужить запасным модулем для первой пилотируемой миссии, экипаж которой прибудет на Марс на третий год в своем обитаемом модуле
В следующих главах мы более детально рассмотрим план «Марс Директ», увидим, как эта миссия работает пошагово. Я докажу, что этот проект пригоден не только для отправки человека на Марс, но для исследования, заселения и преобразования Красной планеты.