Наука і життя // Ілюстрації

Наука і життя // Ілюстрації

Схема марсіанської експедиції.

Так влаштований електроракетні двигун.

Конструкція першого службового модуля Міжнародної космічний станції "Зірка" послужила основою для міжпланетного експедиційного комплексу.

Внутрішній устрій житлового модуля міжпланетного орбітального корабля.

Взаємодія елементів модуля сонячного буксира.

Ферменние конструкції складають основу рухової установки міжпланетного експедиційного комплексу.

Загальний вигляд міжпланетного експедиційного комплексу. На ажурних фермах встановлено панелі сонячних фотоперетворювачів і два пакети електрореактивних двигунів.

Схема роботи злітно-посадочного комплексу, що забезпечує доставку космонавтів-дослідників на поверхню Марса і повернення їх на орбітальний корабель.

<

>

Як виглядає політ людини на Марс

Переліт з орбіти Землі на орбіту Марса займе 2-2,5 року. Корабель, в якому весь цей час повинен жити і працювати екіпаж, має масу 500 тонн, і палива йому потрібно сотні тонн. Саме масштабність завдання відрізняє політ людини на Марс від польотів порівняно невеликих автоматичних апаратів. Загальна маса всього пілотованого комплексу стає значно більше, ніж можуть вивести на орбіту навіть найпотужніші ракети-носії. Тому створювати гігантську ракету для виведення з Землі всього міжпланетного комплексу не має сенсу. Простіше відправляти його на навколоземну орбіту по частинах, з цих частин і збирати там комплекс, використовуючи вже відпрацьовані технології складання на орбіті.

Політ відбудеться в такий спосіб. За кілька місяців комплекс зберуть, і міжпланетна експедиція по геліоцентричної орбіті перелетить в околиці Марса. Так як опускати весь міжпланетний корабель на поверхню Марса недоцільно, в складі комплексу буде злітно-посадковий модуль. Після виходу міжпланетного експедиційного комплексу на кругову орбіту навколо Марса в ньому екіпаж або його частина здійснить посадку на поверхню планети. Після закінчення роботи на поверхні космонавти повернуться на корабель. Міжпланетний експедиційний комплекс стартує з околомарсианской орбіти до Землі і вийде на орбіту, з якої стартував до Марсу. На кораблі повернення екіпаж спуститься на Землю.

Таким чином, міжпланетний експедиційний комплекс складається з чотирьох основних функціональних частин: корабля, в якому працює екіпаж і розміщується все основне обладнання; міжпланетного буксира, що забезпечує переліт по міжпланетної траєкторії; злітно-посадочного комплексу і корабля повернення на Землю.

Основна проблема організації польоту людини на Марс - забезпечити високу ймовірність благополучного повернення екіпажу. Рівень безпеки екіпажу повинен відповідати російським стандартам, тобто марсіанська експедиція повинна бути не небезпечніше, ніж, наприклад, політ на орбітальну станцію. Виконати цю вимогу надзвичайно складно.

Одним з принципових технічних рішень по міжпланетному комплексу став вибір буксира, по суті - великий ракети з багаторазовим включенням двигунів.

Сьогодні найнадійнішою ракетою, що виводить людину в космос, залишається ракета-носій "Союз", прекрасно працювала всю багаторічну історію пілотованих польотів. Але навіть і вона, хоч і рідко, відмовляє. На цей випадок передбачена система аварійного порятунку, коли при виході з ладу ракети-носія порохові двигуни відводять спусковий апарат з екіпажем від ракети і космонавти приземляються на поверхню Землі. Цю систему порятунку вже доводилося застосовувати при експлуатації орбітальних станцій.

Ракету "Союз" зберуть на Землі і випробують за участю багатьох фахівців, включаючи групи контролю якості робіт, а міжпланетну ракету зберуть і випробують на орбіті. І вона повинна мати значно більш високу надійність, ніж "Союз", так як неможливо створити систему аварійного порятунку екіпажу в разі відмови в процесі її виходу на геліоцентричну орбіту. Тому для забезпечення необхідної безпеки екіпажу потрібні принципово нові технічні рішення при виборі міжпланетного буксира.

Роботи над концепцією польоту людини на Марс ведуться з 1960 року (див. "Наука і життя" № 6, 1994 г.). Перший вітчизняний проект корабля для посадки людини на поверхню Марса був виконаний в ОКБ-1, очолюваному Сергієм Павловичем Корольовим. Нині це Ракетно-космічна корпорація "Енергія" ім С. П. Корольова. У проекті 1960 року було прийнято принципово нове технічне рішення: використовувати для міжпланетної експедиції електроракетні двигуни (див. "Наука і життя" № 9, 1999 г. ). Це рішення РКК "Енергія" залишилося незмінним для всіх наступних модифікацій проекту польоту людини на Марс, і саме воно дозволило багато в чому вирішити проблему безпеки.

Принцип роботи електроракетних двигунів полягає в тому, що реактивна струмінь, що забезпечує тягу, створюється не внаслідок теплового розширення газу, як в рідинних ракетних двигунах (ЖРД), а за допомогою розгону іонізованого газу в електромагнітному полі, створюваному бортовий електростанцією. Паливом, а точніше, "робочим тілом" стане газ ксенон.

Як електростанції, яка живить електроракетні двигуни, в 1960 році збиралися використовувати ядерний реактор потужністю 7 МВт. Окремі частини корабля припускали доставляти на орбіту важкої ракетою-носієм (в цей час ще тільки починалися роботи по ракеті Н-1). Екіпаж планувався з шести чоловік. Після посадки на поверхню Марса обладнання зібрали б у вигляді "поїзда", який повинен був перетнути планету від одного її полюса до іншого.

У 1969 році цей проект був перероблений. Потужність реактора збільшена до 15 МВт. Для підвищення надійності рухової установки замість одного реактора запланували три. В ході переробки проекту довелося стримати "апетити": число посадкових апаратів з п'яти скоротили до одного, членів екіпажу стало четверо. Як ракети-носія вирішили використовувати модифікацію нової важкої ракети Н-1 (див. "Наука і життя" №№ 4, 5, 1994 г.).

У 1988 році внаслідок великого прогресу в створенні плівкових фотоперетворювачів і успіхів в розробці трансформованих ферменних конструкцій ядерний реактор замінили на сонячні батареї. Одним з мотивів цього рішення стало прагнення зробити міжпланетний експедиційний комплекс екологічно чистим. Основною перевагою такого рішення була можливість багаторазового дублювання рухової установки. Для судноплавства корабля на орбіту Землі передбачалося використовувати нову ракету-носій "Енергія".

Елементи експедиційного комплексу і стан їх розробки

Перший елемент міжнародного комплексу - корабель, в якому працює екіпаж. Він називається міжпланетним орбітальним кораблем. Орбітальним - тому, що його головна функція пов'язана з роботою на орбітах міжпланетного перельоту. Створення цього корабля в порівняно короткі терміни цілком реально. За своїм завданням він, по суті, - аналог російського модуля "Зірка" Міжнародної космічної станції, тільки трохи більший за розмірами. Справа в тому, що на космічну станцію необхідне обладнання можна доставити на кораблі "Прогрес" через два-три місяці, а у марсіанської експедиції такої можливості не буде два-два з половиною роки. Тому все, що може знадобитися протягом усього польоту, в тому числі при виникненні нештатних ситуацій, потрібно взяти з собою і розмістити на кораблі.

Основні системи міжпланетного корабля вже відпрацьовані на орбітальних станціях "Салют" і "Мир". Тому для його споруди планується використовувати готову документацію на багато конструктивних елементів, а головне - заводську оснастку і технології, наявні на заводі - виробнику корпусу модуля "Зірка" (завод Центру ім. Хрунічева).

Другий елемент міжпланетного експедиційного комплексу - сонячний буксир, що забезпечує переліт по міжпланетної траєкторії. Він складається з двох пакетів електроракетних двигунів з системами управління, баків з робочим тілом і великих панелей з плівковими сонячними фотоперетворювачах, постачальними енергією двигуни.

Сонячний буксир також включає багато вже розроблених агрегатів, конструкцій і систем. Електроракетні двигуни широко використовують у космічній техніці, і для польоту на Марс потрібно тільки кілька удосконалити їх характеристики. Плівкові сонячні фотоперетворювачів виготовляють в Росії для наземних потреб. А для перевірки стійкості в умовах космічного простору їх зразки розміщували на зовнішній поверхні станції "Мир". Трансформовані конструкції, на яких повинні розміщуватися фотоперетворювачів, також відпрацьовували при польотах орбітальних станцій. У сонячному буксирі передбачається взяти за основу конструкцію ферми "Софора", встановленої на станції "Мир". Щоб з'єднання не мали люфтів, використовували так званий "ефект пам'яті форми", тобто здатність деяких матеріалів після нагрівання приймати форму і розміри, які були у відповідних деталей до спеціально проведеної деформації.

Третій елемент міжпланетного комплексу - злітно-посадковий комплекс, в якому частина екіпажу здійснює посадку на поверхню Марса і повертається назад в корабель. Злітно-посадковий комплекс на відміну від попередніх елементів - абсолютно нова розробка. Його аналогів в російських програмах ще не було. Однак подібні завдання в російській космонавтиці вирішувалися, і якихось серйозних проблем по його створенню не видно.

І, нарешті, четвертий елемент комплексу - корабель повернення до Землі. Він має реальний прототип - корабель "Зонд", який розробляли в СРСР для обльоту людиною Місяця з входом в щільні шари атмосфери з другою космічною швидкістю. "Зонд-4" - "Зонд-7" здійснили польоти в 1968-1969 роках з тваринами в кабіні екіпажу. Правда, від польотів людини в цих кораблях згодом відмовилися.

У чому ж особливість проекту РКК "Енергія"? Чому він видається цілком реальним? Перш за все, через вибору рухової установки міжпланетного перельоту. Електроракетні двигуни мають порівняно малу тягу, але високу швидкість витікання струменя, що істотно знижує необхідні запаси палива для міжпланетних перельотів. Але найголовніше полягає в тому, що на відміну від всіх інших двигунів вони дозволяють забезпечити багаторазове резервування. Що мається на увазі?

Для міжпланетного комплексу з початковою масою близько 1000 тонн потрібно приблизно 400 електроракетних двигунів тягою близько 80 гс (0,8 Н) кожен. Всі ці двигуни або групи двигунів працюють незалежно один від одного, кожна група має свою секцію баків з робочим тілом, свою систему управління, свою секцію сонячних батарей. І відмова навіть кількох груп двигунів не вплине на міжпланетний переліт. Така рухова установка практично не схильна до відмов. Це щось на зразок тієї зграї гусей, яка возила барона Мюнхаузена на Місяць: будь-гусак по дорозі мав право втомитися і зійти з дистанції без шкоди для всього польоту.

Сумарна тяга всіх двигунів становить 32 кгс, або 320 Н. У відкритому космосі корабель масою близько 1000 тонн під дією цієї сили набуває прискорення 32x10-5 м / с2. Цієї мізерної прискорення досить, щоб при тривалій роботі двигунів набрати необхідну для міжпланетного перельоту швидкість. Час руху корабля по спіральній траєкторії навколо Землі становить близько трьох місяців. На цій ділянці траєкторії двигуни не працюють безперервно, вони вимикаються при затіненні Сонця Землею. Після переходу корабля на геліоцентричну орбіту робота двигунів продовжиться.

У Росії вже пройдено великий шлях до організації першого польоту людини на Марс. На орбітальних станціях "Салют" і "Мир" перевірені багато елементів майбутнього міжпланетного комплексу, проведена величезна робота з відпрацювання систем і технологій забезпечення тривалих польотів людини в космос. У жодній країні не накопичено такого досвіду.

В даний час в Інституті медико-біологічних проблем готується експеримент "500 днів" з дослідження медичних аспектів майбутнього польоту людини на Марс. В якості основи макета марсіанського комплексу використовується конструкція, створена в 1960-х роках з ініціативи С. П. Корольова, на якій вже проводилися дослідження за програмою відпрацювання міжпланетних польотів.

Назва експерименту пов'язано з тим, що, хоча час польоту людини на Марс становить 700-900 діб в залежності від року проведення експедиції, перший експериментальний "політ" на Землі триватиме 500 днів. Перший екіпаж наземного "польоту" складе шість чоловік, і буде він міжнародним, з представників різних країн.

Звісно ж, що американці остаточно ще не визначилися з концепцією польоту людини на Марс. Але, судячи з публікацій, доповідей на міжнародних конференціях, вони схиляються до використання ядерних двигунів. Російські фахівці не поділяють цього підходу з багатьох причин. По-перше, випробування таких двигунів на Землі пов'язані із закінченням потужної радіоактивної струменя. Незважаючи на те що існують технічні способи захисту від неї земної атмосфери, стенди відпрацювання таких двигунів все-таки представляють певну небезпеку для навколишнього території. Але найголовніше полягає в тому, що для ядерних двигунів недосяжний такий рівень надійності, який можна досягти, застосовуючи багаторазово резервуються електроракетні двигуни. Крім того, використання для міжпланетного перельоту екологічно чистих двигунів дозволяє зробити міжпланетний корабель багаторазовим. Багаторазовість дуже приваблива, коли мова йде не про єдиному польоті, а про програму освоєння Марса.

Етап посадки на поверхню Марса найбільш критичний з точки зору забезпечення безпеки екіпажу. На відміну від сонячного буксира і міжпланетного орбітального корабля злітно-посадковий комплекс має набагато менше можливостей використовувати резервні комплекти обладнання: процеси йдуть швидко, і підключити дублюючі обладнання не завжди можливо. Тому головним фактором забезпечення необхідної надійності злітно-посадочного комплексу стає його ретельне відпрацювання, в тому числі в безпілотному режимі в реальних марсіанських умовах. Ніхто не наважиться послати на Марс людини до того, як злітно-посадочний комплекс не здійснить посадку і зліт з планети в автоматичному режимі. Тому перші польоти людини до Марсу будуть без посадки екіпажу на його поверхню.

При перших польотах до Марсу екіпаж залишиться на околомарсианской орбіті, на поверхню спуститься тільки телекерований автоматичний апарат. Слід особливо звернути увагу на цей етап дослідження Марса людиною. По суті, на поверхню "спускаються" очі і руки космонавта. У цьому польоті добре поєднуються і безпеку екіпажу, і використання в повній мірі досвіду і інтуїції вченого-планетолога, який буде проводити дослідження з борту міжпланетного орбітального корабля. Виходить повне віртуальне присутність людини на реальній поверхні Марса. Із Землі це зробити неможливо через велику відстань і запізнювання сигналу на кілька десятків хвилин.

Важко найти різніцю з точки зору ефектівності роботи, чи присутній чоловік на поверхні фізично або віртуально. Хіба тільки не залишається на грунті сліду підошви черевиків космонавта. При віртуальної посадці на Марс космонавт веде спостереження не через ілюмінатор скафандра, а через досить досконалі видеосредства. Працює не руками в рукавичках скафандра, а за допомогою більш тонких інструментів. З огляду на, що одна з цілей експедицій на Марс - підготовка до його колонізації, політ з віртуальної посадкою екіпажу стане тільки першим етапом в цьому процесі.

Таким чином, російський проект польоту людини на Марс володіє дуже важливими особливостями. По-перше, технічні рішення, закладені в проект, і наявність великого доробку роблять політ на Марс найдешевшим з усіх відомих варіантів експедицій; по-друге, безпеку екіпажу в цьому польоті дуже висока.

Навіщо летіти на Марс?

І тут постає запитання: а чи потрібен взагалі політ людини на Марс? З одного боку, здавалося б, все ясно: політ людини на Марс коштує дорого. Якихось більш-менш помітних благ для землян він не обіцяє. А на самій Землі є багато проблем, на вирішення яких потрібні кошти. Навіть просто забезпечення земного населення їжею видається більш пріоритетним завданням, ніж політ людини на Марс.

Але, на щастя, хоча життя населення Землі в усі часи не була благополучною, людство ніколи не керувалося очевидним на перший погляд принципом "миттєвого прибутку". Саме тому ми сьогодні не сидимо в звіриних шкурах біля багаття біля печери. Дослідження околиць власного "вдома", від Світового океану до космічного простору, завжди було і залишається одним з елементів розвитку цивілізації.

Але чи існує якась прагматична мотивація польоту на Марс? Перша очевидна завдання експедиції - вивчення нашої сусідньої планети. Дослідження Марса допоможуть в значній мірі прогнозувати розвиток Землі, просунутися в розумінні проблеми походження життя і багато іншого. Вони знаходяться в одному ряду з вивченням зірок, галактик, навколишньої Всесвіту, проникненням в суть матерії, вивченням структури мікросвіту, будови атомного ядра ... Все це безпосередньої вигоди найближчим часом не обіцяє.

Ми всі живемо на одній планеті, і вона схильна до різних глобальним небезпекам, які можуть знищити все людство. Наприклад, зіткнення з астероїдом досить великої маси, безумовно, буде означати кінець історії Homo sapiens. Та й самі земляни становлять небезпеку для самих себе. "Яйця не повинні лежати в одному кошику", і організація поселень на інших планетах Сонячної Системи, і в першу чергу на Марсі, служить виходом з цієї ситуації. Незважаючи на те що ймовірність глобальної катастрофи невелика, ціна, яку може заплатити людство за безпечність, максимальна з усього, що тільки можна уявити. Процес освоєння планет тривалий, але відкладати його початок нерозумно, враховуючи цю ціну. Здавалося б, цілком прагматична мета. Проте багато хто вважає ймовірність глобальної катастрофи занадто низькою, щоб визнати програму освоєння планет цілком обгрунтований ної для розгортання робіт по польоту людини на Марс. Але слід мати на увазі, що сукупність інтересів членів суспільства ніколи не відповідає інтересам всього суспільства в цілому.

Важливим є питання про мотивацію робіт по марсіанської програмі в Росії. Чи є практичні завдання, які вирішить Росія, взявшись за організацію польоту людини на Марс? Віявляється, є.

Незважаючи на те що динаміка розвитку економіки Росії позитивна, у неї існує дуже вразливе місце - ресурсна спрямованість (виробництво і експорт вуглеводнів, металургія і т. Д.), На що неодноразово звертав увагу президент Російської Федерації. Відновити промисловість Росії після кризи 1990-х років поки не вдалося. А яку промисловість треба відновлювати насамперед? Напевно, ту, яка використовує передові технології, затребувані на світовому ринку. І авіакосмічні технології відносяться саме до таких. За багатьма з них наша країна має безумовний пріоритет.

Відновлення промисловості має і соціальний аспект. У створенні орбітальних станцій "Салют", "Мир", російського сегменту Міжнародної космічної станції, наприклад, брали участь тисячі підприємств, що працюють в самих різних регіонах і містах країни. Для створення космічної техніки потрібні не тільки чисто "космічні" виробництва. Необхідні різні прилади і агрегати, матеріали та багато іншого. А це все робочі місця для фахівців, які використовують передові технології, що завжди дуже важливо для будь-якої країни.

Ми вже звикли до поняття "витік мізків". Витік мізків йде, але начебто нічого страшного не відбувається. Насправді це тільки так здається. Процес, коли найбільш цінні кадри залишають Росію, небезпечний для країни, загрожує самому її існуванню. Вчені залишають країну не тому, що за кордоном вони отримують більше грошей, а перш за все тому, що в нашій країні немає програм, в яких вони знайшли б собі застосування. Росії як повітря потрібні великі наукові програми. Зокрема, в програмі польоту людини на Марс будуть затребувані вчені найрізноманітніших спеціальностей - біологи, медики, матеріалознавці, фізики, програмісти, хіміки і багато, багато інших.

Можна по-різному ставитися до поняття престижу країни. Але авторитет держави - це поняття в тому числі і економічне. Згадаймо, як виріс авторитет США після програми "Аполлон". Політ людини на Марс, що б не говорили з цього приводу скептики, завжди хвилювало і хвилюватиме людство. Реалізація цієї мрії багатьох поколінь гранично престижна. Так що проект польоту людини на Марс для Росії має особливе значення.

Тепер про ситуацію з міжнародним співробітництвом при організації польоту людини на Марс. Дуже часто можна чути, що цей політ можливий тільки в широкій міжнародній кооперації. Дійсно, освоєння Марса - тривалий процес, і в ньому на певних етапах стануть брати участь практично всі країни, що володіють відповідними технологія ми. У програмі польотів на Марс будуть затребувані найрізноманітніші кораблі, бази, засоби досліджень і будівництва. Національні програми різних країн будуть вирішувати окремі завдання освоєння Марса. І кожна країна пройде свою частину шляху до цієї програми.

Поки існують різні держави, неминуче наявність національних програм. Кожна країна зацікавлена ​​в розвитку своїх передових технологій, заснованих на власному досвіді і розробках. Особливо якщо ці технології затребувані на світовому ринку. Тому в космонавтиці завжди будуть сусідами і міжнародні та національні програми.

Сьогодні в США політ людини на Марс оголошений національною програмою. Американці, в принципі, можуть запросити брати участь в ній і інші країни, проте за їх власні кошти. Але власні кошти слід витрачати з максимальною вигодою для себе. Навряд чи доцільно робити за свої гроші якісь елементи американської програми. Вигідніше розробляти ключові технології при польоті людини на Марс, які дозволять розвивати національні програми і надалі. Наприклад, багаторазові сонячні буксири, які стали одним з елементів російської концепції польоту на Марс, дозволять вирішувати багато інших завдань, що стоять перед людством. Справа в тому, що ефективні космічні буксири в перспективі багато в чому визначать космічну стратегію, як колись ракети-носії. Іншими словами, Росія повинна мати власну програму розвитку, а не обслуговувати чужі інтереси. Це ні в якій мірі не заважає співпраці. Системи, створені в Росії, будуть важливі для забезпечення більш широких можливостей, в тому числі і американських польотів. І кооперація з різними країнами по створенню окремих елементів експедицій, безумовно, буде.

Співпраця з США в перший політ людини на Марс має і чисто технічні аспекти. Ми поважаємо кваліфікацію американських інженерів. Але прийнята американцями концепція може нас не влаштувати. Відомий ряд американських програм, які технічно неприйнятні для російських фахівців, в тому числі з точки зору забезпечення безпеки екіпажу.

Припустимо, що американці захочуть здійснити який-небудь грандіозний марсіанський ядерний проект на зразок "Фрідом" * і, хоча це малоймовірно, запропонують Росії брати участь в цьому проекті на паритетній основі. Ну і що нам робити? Брати участь? Або практично за ті ж гроші розробляти проект, заснований на російських технологіях, дешевший, менш амбітний і, як ми розраховуємо, більш результативний. Звісно ж, що другий шлях природний: інтелектуальний потенціал і досвід розробок пілотованих програм, особливо пов'язаних з тривалими польотами людини, у російських фахівців, у всякому разі, не менший, ніж у американців.

Робота над марсіанської експедицією в США і в Росії не буде якийсь "марсіанської гонкою". Кожна з країн стане розробляти свої ключові технології, які дозволять розвивати свою національну передову промисловість і науку. Наприклад, для організації дуже результативного пілотованого польоту на орбіту Марса з віртуальної посадкою екіпажу на марсіанську поверхню Росія вже має величезний технічний і технологічний заділ. І дуже важливо використовувати його у великій науково-технічній програмі.

Таким чином, в Росії є все для здійснення польоту людини на Марс: необхідний інтелектуальний потенціал, унікальний досвід робіт по пілотованим програмам, працездатна промислова кооперація, необхідність інвестицій в наукомістку промисловість з передовими технологіями. Є всі підстави розраховувати, що в найближчі десятиліття давня мрія землян про політ людини на Марс нарешті здійсниться!

Коментарі до статті

* "Фрідом" - нездійснений, дуже амбіційний американський проект величезної орбітальної станції. Багато інженерні розробки цього проекту були використані при створенні МКС.

Див. В номері на ту ж тему

Марсіанська експедиція на землі. Про експеримент "Марс-500".