В ПОИСКАХ ОТВЕТА "ЕСТЬ ЛИ ЖИЗНЬ НА МАРСЕ?"

Вячеслав Федорович Рахманин, НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко, к.т.н.

(Продолжение. Начало в № 4 - 2010)

Какова же степень сегодняшней готовности ракетно-космической техники для осуществления пилотируемого полёта на Марс? Рассмотрим некоторые положения марсианских проектов, разработанных по состоянию на середину 2010 г.

Предполагаемое в большинстве ранее разрабатываемых проектов использование в качестве маршевых ядернореактивных или элетрореактивных двигателей потребной мощности невозможно по причине их отсутствия, не будет их и в ближайшее десятилетие. Но даже при их наличии для вывода фрагментов собираемого на околоземной орбите марсианского комплекса потребуются мощные жидкостные ракеты-носители (РН), т.к. запуск ЯРД с наземной стартовой установки недопустим из-за радиационного воздействия выхлопной струи газов на внешнюю среду. Находящиеся в эксплуатации РН "Протон" (Россия) и "Арион-5" (Франция) способны выводить на околоземную орбиту грузы массой до 22 и 21 т соответственно, а американские "Дельта-4" и "Атлас-5" - 22 и 25 т. Во втором десятилетии XXI века следует ожидать введение в эксплуатацию РН "Ангара-5" (Россия), грузоподъёмностью до 26 т. Более мощные РН "Сатурн-5" (США) и "Энергия" (СССР), имеющие грузоподъёмность более 125 т и 100 т, давно не изготовляются и возобновление их производства маловероятно.

Успешная сборка на околоземной орбите крупных космических станций типа "Мир" и МКС подтвердила возможность выполнения таких операций, но в то же время показала сложность обеспечения требуемого качества таких работ.

Положительный опыт выполнения американцами программы посещения Луны указывает на возможность реализации подобной схемы полёта и для экспедиции на Марс.

Отработанный способ "мягкой" посадки пилотируемых возвращаемых аппаратов на Землю, а также автоматических КА на Луну, Марс, Венеру может быть использован при десантировании пилотируемого модуля на поверхность Марса.

Опыт долговременного нахождения человека на орбитальной станции показал возможность сохранения работоспособности человеческого организма при непрерывном нахождении в невесомости в течение длительного времени, хотя физические кондиции и работоспособность существенно снижаются.

Так что же, космическая техника готова к пилотируемому полёту на Марс? Исходя из данных, приводимых в различных проектах марсианской экспедиции, масса межпланетного пилотируемого комплекса, предназначенного для посещения людьми Марса с последующим возвращением на Землю, зависит от вида маршевого реактивного двигателя и составляет в случае использования:

- ЖРД на топливе кислород-водород - от 1300 до 2000 т;
- ядерного реактивного двигателя (ЯРД) - 800 т;
- элетрореактивного двигателя с ядерным реактором (ЭЯРД) - 450...500 т.

Поскольку ЯРД и ЭЯРД в настоящее время нет и в ближайшие 10-15 лет вряд ли следует ожидать появления таких двигателей необходимой мощности, рассмотрим создание марсианского комплекса с применением ЖРД на примере одного из последних проектов, разработанных в 2004 г. в Европейском космическим агентством (ЕКА), при этом ограничимся только технической стороной организации работ, финансовая составляющая не затрагивается, т.к. зависит от многих субъективных факторов.

Напомним, что по этому проекту начальная масса марсианского комплекса, собираемого на околоземной орбите, составляет 1350 т, основная часть - примерно 1000…1100 т - от общей массы приходится на кислородно-водородное топливо. Оставшиеся 250…350 т - на металлоконструкцию межпланетного, марсианского посадочно-взлётного и возвращающегося на Землю кораблей с двигателями и топливом для них, на приборы, средства жизнеобеспечения (воздух, пища, вода, тренажёры), радиационную и метеоритную защиту и собственно на экипаж. Кажется, что заявленной массы маловато, но согласимся с авторами проекта.

Для доставки на околоземную орбиту фрагментов комплекса и жидкого топлива потребуется совершить 55 - 65 пусков находящихся в эксплуатации ракет-носителей тяжёлого класса, о которых уже упоминалось. При условии изготовления и пусков в год 12 - 15 таких ракет для выполнения намеченной программы потребуется 4-4,5 года (по проекту ЕКА на сборку марсианского комплекса потребуется 4,5 года). Обратим внимание на доставку компонентов топлива. Их транспортировка на орбиту может осуществляться в отдельных баках, вмещающих не более 25 т, при этом не будем акцентировать внимание на размерах водородных баков. Таким образом, у марсианского комплекса появляется "гирлянда" из 40 - 45 баков (!). Это количество баков необходимо будет на орбите надёжно и, главное, герметично объединить в две системы - окислителя и горючего. Выполнить в открытом космосе технологические операции по соединению в одну систему нескольких десятков баков с гарантированной герметичностью для хранения криогенных компонентов топлива в сжиженном состоянии в течение нескольких лет - задача для сегодняшней техники на грани возможного.

Такова объективная картина решения одного из технических вопросов - сборки марсианского комплекса на орбите. А нужно ещё добавить разработку и изготовление самого экспедиционного комплекса, не говоря о финансовой составляющей всех этих работ. Очевидно, что одному государству организация марсианской экспедиции не по силам. В то же время после нескольких конфликтных межгосударственных ситуаций при строительстве и эксплуатации МКС большого желания вступать в кооперативное осуществление крупного космического проекта не просматривается.

У читателя может возникнуть вопрос: "Почему космические аппараты летают на Марс уже около 50-ти лет, а пилотируемая экспедиция представляется такой сложной? Нет ли здесь искусственного нагнетания сложности?". Ответ содержится в первой части вопроса: разница является следствием отличий в решаемых задачах космическими аппаратами и пилотируемым комплексом.

В разрабатываемых проектах стартовая масса марсианского комплекса в тысячи раз превышает массу современных космических аппаратов. Наличие экипажа, его задача посещения Марса и возвращения на Землю, а также обеспечение жизнедеятельности и безопасности космонавтов в течение длительности экспедиции не менее двух лет приводит к существенному увеличению массы полезной нагрузки, что в свою очередь вызывает увеличение массы топлива и, соответственно, массы всего комплекса. В разрабатываемых проектах минимальная численность экипажа составляет 4 человека: два космонавта остаётся в возвращаемом корабле на орбите вокруг Марса, два десантируются на поверхность планеты и, выполнив программу исследований, взлетают на орбиту, стыкуются с возвращаемым на Землю кораблём и стартуют к Земле. Такая численность экипажа обусловлена необходимостью дублирования и страховки работы каждой части экипажа на случай возможной потери работоспособности одним в каждой паре космонавтов. Учитывая продолжительность экспедиции на Марс, такая страховка является минимально допустимой, оптимальной считается численность экипажа 6 человек, но это влечёт за собой соответствующее увеличение начальной массы комплекса.

Мы установили, что главным источником сложности создания марсианского комплекса является участие в полёте человека. А каковы условия его работы при проведении научных исследований на Марсе?

Представим, что все сложности создания марсианского комплекса, трудности и риск многомесячного межпланетного перелёта преодолены, человек достиг окрестностей Марса и опустился на его поверхность. Учитывая уже известные нам природные условия этой планеты: низкие температуры, неприемлемые для человека состав и давление атмосферы, жёсткое галактическое излучение и солнечная радиация, высокая вероятность пылевых бурь с ураганной скоростью ветра 30…40 м/с - человек будет вынужден работать на Марсе либо в тяжёлом неповоротливом скафандре, либо, что предпочтительнее, в защищенной кабине марсохода . Не будем заострять внимание на физическом состоянии и продуктивности деятельности участника десанта после многомесячного пребывания в невесомости. В любом случае он будет вынужден получать информацию от дистанционно расположенных приборов, а затем транслировать её на Землю. Но такие работы успешно выполняются современными космическими аппаратами. В чём же тогда необходимость присутствия человека, в чём преимущество его участия в исследованиях? Нужно чётко представлять, что же не способен выполнить космический аппарат и только человек может это сделать. В отличие от безлюдных марсоходов, человек может более целенаправленно вести исследования, провести рекогносцировку местности, рационально расставить приборы в интересующих его местах, взять образцы грунта и провести их предварительную селекцию, а также, при необходимости, скорректировать дальнейшую программу исследований… Можно привести ещё несколько примеров столь же незначительного участия человека в исследовательских работах на Марсе. Трудно человеку конкурировать с возможностями современных космических аппаратов. Так что дополнительная информация, получаемая с участием человека не будет иметь принципиальных отличий от поставляемой космическими аппаратами. В то же время значение этой "добавки" несоизмеримо мало в сравнении с затратами и трудностями, которые пришлось бы преодолевать при организации и выполнении марсианской экспедиции. Постоянно находиться в кабине марсохода или скафандре человек не сможет в течение нескольких недель или месяца, а именно такой срок отводится ему для пребывания на Марсе в большинстве проектов. Для его обитания нужно будет построить герметичное бытовое помещение с приемлемыми для жизни человека условиями: атмосферой, температурой, запасами пищи, воды, источником тепловой и электрической энергии и т.д. Целиком такую "бытовку" на Марс не доставишь, её нужно собирать из фрагментов, а человек в тяжёлом скафандре ограничен в качественном выполнении сборочных работ. Энергообеспечение пребывания и деятельности человека на Марсе тоже большой вопрос. Напрашивается вывод, что для исследовательских работ человека на Марс посылать совсем не обязательно. Цель не оправдывает средства. Думается, что в течение 20-25 лет, по истечению которых предполагается старт марсианской экспедиции, космические аппараты так исследуют природные условия Марса, что человечество придёт к однозначному выводу о нецелесообразности полётов на Марс с целью проведения исследовательских работ.

Итак, для исследования человек на Марсе не нужен. А для освоения Марса? И нужно ли его осваивать? Иначе, зачем же нужны все эти исследования? На этот вопрос можно будет уверенно ответить после завершения исследований космическими аппаратами с учётом постоянно повышающегося уровня возможностей космической техники и выявления научной и хозяйственной задач, которые можно будет решать посредством экспансии человечества на Марс. Пока же добывать на Марсе нечего, да и возить на Землю далеко и очень дорого.

Не согласный с моими выводами читатель может возразить: "А как же марсианская программа Королёва? Это же покушение на планы основателя практической космонавтики!". Я хорошо понимаю разницу между мною и С.П. Королёвым. И, тем не менее, считаю возможным критически рассматривать и оценивать деятельность и планы не только Королёва, но и других наших Великих создателей отечественной ракетной техники. С тех пор прошло около 50 лет, изменилось отношение к космическим полётам и решаемым ими задачам, изменилась наша страна, как внутреннее, так и её место в мировом сообществе. Космонавтика из сферы рекордных научно-технических достижений и политических аргументов преимущества социально-политического строя превратилась в отрасль удовлетворения потребностей человеческого общества. А начало 60-х годов ХХ века было временем романтического увлечения космическими полётами. Каждый пуск космической ракеты являлся новым достижением. Наша страна демонстрировала последовательный ряд успехов в космосе нарастающей значимости. Вслед за запуском первого спутника, полётом Лайки, фотографированием обратной стороны Луны начались пилотируемые полёты: Ю.А. Гагарин, В.В. Терешкова, выход в открытый космос А.А. Леонова, совместный полёт трех космонавтов - всё это создавало эйфорию от успехов во всех слоях общества. В эфире звучали шлягеры от "невозможное станет возможным" до "и на Марсе будут яблони цвести". Я понимаю, что " цветущие на Марсе яблони" - это поэтический образ, но он отражает представление людей о сходстве природных условий на Марсе и на Земле и ожидания скорого полёта на Марс для его колонизации. И на волне успехов нашей космонавтики и общественного настроения, которое находит поддержку среди учёных и политического руководства страны, рождаются грандиозные планы исследования и освоения всего околосолнечного пространства. Авторитет С.П. Королёва был настолько высок, что его персональное видение перспектив развития ракетно-космической отрасли практически не подвергалось ревизии, его конкуренты, а, точнее, параллельно работающие партнёры по созданию космической техники - М.К. Янгель и В.Н. Челомей - тоже были в плену идеи освоения ближайшего небесного тела - Луны.

В 60-х годах ХХ века ОКБ Янгеля разрабатывало проект ракеты Р-56, способной доставить на Луну большую автоматическую станцию, а ОКБ Челомея - ракету-носитель УР-700, обеспечивающую прямую посадку пилотируемого космического корабля на поверхность Луны с последующим его возвращением на Землю. Однако проект Р-56 был закрыт на стадии разработки технической документации, а разработка УР-700 - на начальной стадии стендовой отработки в ОКБ Глушко модульного однокамерного двигателя тягой 640 тс. Все средства были брошены на разработку королёвской Н-1, предназначенной для полёта советских космонавтов на Луну, о чём уже упоминалось в этой статье. Однако в "Лунной гонке" успех сопутствовал нашим американским конкурентам. Получив 4 октября 1957 г. и 12 апреля 1961 г. два болезненных укола по престижу великой научно-технической державы, США сделали ставку на опережение СССР в высадке человека на поверхность Луны. И преуспели в решении этой задачи. 21 июля 2009 г. исполнилось 40 лет с момента, когда американский астронавт Нил Армстронг ступил на поверхность естественного спутника Земли. За этим полётом последовало ещё пять аналогичных полётов и в декабре 1972 г. американцы завершили свою Лунную программу, ставшую великим достижением учёных и инженеров США, включая главного конструктора "Лунного проекта" Вернера фон Брауна. Как мы гордимся запуском первого Спутника, полётом Ю.А. Гагарина, так и американцы по праву гордятся первым посещением Луны астронавтом Н. Армстронгом. Эта космическая операция показала, что человечество обладает техническими возможностями для достижения человеком Луны и кратковременного пребывания на ней. А вот сама Лунная программа оказалась в научном, в военном и в экономическом плане не нужной: 450 кг лунных камней, собранных и привезённых на Землю, не оказали практически никакого влияния на земную науку, ничего не добавили для познания человеком происхождения Луны, Земли и других планет.

Не сумев реализовать аналогичную Лунную программу, научно-техническое руководство космической отрасли СССР с целью поддержать у приученных к нашим космическим успехам сограждан веру в новые достижения, выдвинуло пропагандистский лозунг об особом пути советской космонавтики - изучение космического пространства, Луны и планет автоматическими космическими аппаратами. В подтверждение объявленной концепции разрабатывались различные космические аппараты и отправлялись на Марс, Венеру и Луну. В сентябре 1970 г. возвращаемым аппаратом "Луна-16" был доставлен лунный грунт, затем последовала долговременная работа на Луне управляемого аппарата "Луноход", о марсианских аппаратах уже рассказано. В такой обстановке было не до разработки марсианских пилотируемых комплексов.

В 1974 г. политическое руководство СССР приняло предложения В.П. Глушко о новых подходах к разработке космических ракет и дальнейшем развитии космической техники. В частности, предусматривалось создание долговременной обитаемой базы на Луне и полёты на Марс с использованием маршевой двигательной установки с ЭЯРД. Однако, в связи с изменением политико-экономического положения в стране, проекты не получили развития.

А что же американцы, как дальше они использовали имеющуюся у них сверхмощную ракету "Сатурн-5"? После завершения Лунной программы для этой ракеты места в космических планах США не нашлось, и её дальнейшее производство было прекращено. Видимо несоответствие затрат на Лунную программу и получения от нее только исторического факта посещения Луны американскими астронавтами и связанных с этим достижением политических дивидендов заставили "космических генералов" США пересмотреть и резко изменить вектор космических исследований. Дальнейшее развитие космической техники в США пошли по пути использования многоразовых средств выведения. Основанием к такому переходу явилась надежда на существенное уменьшение затрат на выведение в космос полезной нагрузки при многократном использовании челноков "Спейс-Шаттл". Однако, как показал опыт эксплуатации этих челноков, экономической выгоды не получилось. Тем не менее, "Спейс-Шаттл" находятся в эксплуатации с 1981 г., они вместе с российскими пилотируемыми "Союзами" и грузовыми "Прогрессами" обеспечивают транспортировку грузов и доставку астронавтов и космонавтов на МКС и обратно на Землю. Параллельно в США ведутся запуски космических аппаратов к Марсу, Венере, Юпитеру, Сатурну. Таким образом США, успешно выполнив рекордно-политические задачи Лунной программы, также перешли на изучение дальнего космоса автоматическими космическими аппаратами.

И так продолжалось до наступления XXI века.

(Окончание в следующем номере).