Дорога на Марс: С Голубой планеты на Красную

Как NASA собирается достичь красной планеты? Мнение второго человека на луне, астронавта Apollo База Олдрина.

В 1961 году в NASA обдумывали два плана экспедиции, которая могла бы доставить человека на Луну. В то время как официальные лица NASA отстаивали преимущества проекта со стыковкой на околоземной орбите в сравнении с проектом прямого межпланетного перелета, Джон К. Хуболт, мало кому известный инженер в исследовательском центре Лэнгли в Хэмптоне, штат Виргиния, выдвинул смелую и экстравагантную альтернативу — стыковку на лунной орбите (LOR). Проект предполагал, что два независимых космических аппарата должны найти друг друга и состыковаться в 400 000 км от Земли. Подобные фантазии представлялись широким кругам публики (да и мне тоже) пугающе сложными и даже просто эксцентричными. Однако Хуболт упрямо проталкивал свой план, и наконец элегантная логика проекта LOR возобладала над сомнениями скептиков. 20 июля 1969 года благодаря упорству Хуболта мы с Армстронгом уже прогуливались по Луне.

Прошло больше 30 лет, и теперь, когда NASA обсуждает, как отправить людей на Марс, пришло время возродить авантюрный дух Джона Хуболта. Последние идеи NASA касательно пилотируемой экспедиции на Марс по сути представляют собой ту же программу Apollo, только переписанную в более крупном масштабе — массивный космический корабль одноразового использования, который в начале пути от Земли разгоняется до межпланетной скорости, а затем тормозится до скорости, подходящей для спуска на Марс. При таком плане предполагаются грандиозные энергорасходы, которые непосредственно перельются в размеры аппарата, его сложность и дороговизну. Каждая экспедиция окажется таким бременем для бюджета, что, скорее всего, отработка программы будет вестись в стиле «наши следы и наш флаг на чужой планете», а ведь именно такое мышление, не обремененное долгосрочными перспективами, и погубило в свое время всю программу Apollo.

На этот раз мы должны быть умнее. Мой проект пилотируемой экспедиции к Марсу, которая базируется на многоразовом корабле Cycler, курсирующем по постоянным орбитам между Землей и Марсом, в долгосрочной перспективе требует значительно меньше энергии. Будучи однажды построена, такая система может сделать путешествие на Марс и постоянное человеческое присутствие на Красной планете совершенно обычным делом. А долгосрочные экономические преимущества системы делают ее менее зависимой от политических решений.

Движение вперед

Ключевое преимущество постоянно находящегося на орбите аппарата состоит в том, что его придется разгонять всего один раз. После того как в самом начале его выведут на околосолнечную орбиту, проходящую через орбиты как Земли, так и Марса, — Cycler будет нестись сквозь космическое пространство по инерции, и лишь изредка потребуются небольшие корректирующие толчки, чтобы удержать его на выбранной траектории. Этот путь радикально снижает общие энергозапросы всей марсианской экспедиции. Поскольку ракеты на традиционном химическом горючем исключительно прожорливы (так, в массе корабля Apollo 11, доставившего нас к Луне, в момент запуска топливо составляло более 90%), каждый сэкономленный килограмм возвращался грандиозными дивидендами в виде экономии горючего, облегчения и удешевления разгонных ступеней.

Воцарившись на своей орбите со всеми системами жизнеобеспечения, с радиационным щитом и механизмом искусственной силы тяжести, необходимым для длительного космического путешествия, Cycler будет проноситься мимо Земли и Марса в соответствии со строго предсказуемым расписанием. Астронавты, пилотирующие «космическое такси» наподобие планируемого к постройке аппарата CEV (пилотируемый исследовательский корабль), выходят на орбиту межпланетного корабля Cycler и стыкуются с ним, используя при этом только объем горючего, необходимый для разгона относительно небольшого «разъездного» аппарата. Когда Cycler, следуя своей орбите, приблизится к Марсу, такси отчалит от него и перейдет на орбиту вокруг Марса — примерно так мы сходим на перрон с электрички. Тем временем Cycler пронесется мимо Марса и зайдет на следующий круг мимо Земли, снова готовый к тому, чтобы принять следующую партию пассажиров.

Идея челнока Марс-Земля носилась в воздухе еще с 1960-х. В одном из первых сценариев обитаемые аппараты, названные Castle («Замок»), облетали Солнце по эксцентрическим орбитам, пролегающим в непосредственной близости от Земли и Марса. Впрочем, Cycler при использовании такой орбиты смог бы полностью завершать весь цикл полета между двумя планетами за семь с половиной лет, а встречи с планетами были бы нерегулярны. Сколько-нибудь приемлемый план подобной экспедиции должен был бы включать в себя до шести подобных кораблей на разных расположенных в определенном порядке орбитах.

Мне казалось, что должен обнаружиться какой-нибудь более эффективный порядок. Используя наработки в космической механике, которыми я занимался в Массачусетском технологическом еще во время работы над докторской диссертацией, а также опыт очевидца и участника, обретенный во время полетов на Gemini 12 и Apollo 11, Я высчитал, что время полета можно существенно сократить, если забросить Cycler на более удобную орбиту, использовав для этого гравитационное поле самой Земли.

«Гравитационный маневр» — это многократно проверенный прием в межпланетных перелетах. Его традиционно используют при запуске беспилотных зондов — таких как Voyager 1, Voyager 2, Cassini-Huygens или Galileo. Если космический аппарат пролетает достаточно близко к какой-либо планете, его траектория будет искривлена под влиянием гравитационного поля этой планеты. Этот процесс можно наглядно представить себе, если вообразить, как мячик (космический аппарат) отскакивает от стены (планета). Если стена движется по направлению к мячику, скорость отскока будет выше, чем скорость мячика до столкновения. Аналогичным образом, если стена расположена под углом, мячик изменит направление полета. В любом случае мы получаем возможность добавить космическому аппарату изрядную долю кинетической энергии, не затратив для этого ни грамма дополнительного горючего.

Воспользовавшись «гравитационным маневром» в поле тяготения Земли и в меньшей степени в поле тяготения Марса, я получил возможность спроектировать орбиту Cycler с периодом полного обращения всего 26 месяцев. В этом случае Cycler покроет расстояние от Земли до Марса всего за пять месяцев, что сравнимо с самыми скоростными вариантами экспедиции, которые сейчас рассматривает NASA.

Оборотная сторона идеи с гравитационным маневром состоит в том, что наш аппарат пролетит мимо Марса на весьма высокой скорости — более 40 000 километров в час. Эта скорость не так уж и страшна в конце перегона Земля-Марс, поскольку «космическое такси» сможет притормозить, используя для этого сопротивление марсианской атмосферы и не тратя лишнего горючего. Хуже дело будет обстоять при отправке с Марса и выходе на перегон Марс-Земля. Здесь для того, чтобы догнать стремительно несущийся Cycler, потребуются очень большие запасы топлива.

Чтобы обойти эту проблему, для обратного перегона я полагаю использовать гибридный аппарат, который можно было бы назвать Semi-Cycler. Так же, как и сам Cycler, Semi-Cycler будет курсировать между Землей и Марсом по орбите с помощью гравитационных маневров, однако при подходе к Марсу он будет пользоваться его атмосферой как воздушным тормозом, снизит скорость, сойдет с первоначальной орбиты и послоняется четыре месяца вокруг Марса ленивыми широкими кругами, дожидаясь, когда на него вернется очередное, направляющееся к Земле «космическое такси». Имея"