«Марсіанське літо» 2020 року закінчилося: до Червоної планети щойно полетів американський ровер «Персеверанс», трохи раніше відбулися пуски китайського «Тяньвеня-1» і арабського «Аль-Амаля». Минуло півстоліття з висадки людини на Місяць, а на Марс все ще літають тільки роботи. При цьому детальні проекти пілотованих польотів туди були вже в середині ХХ століття. Чому вони досі не втілилися?
У 2010 році Рей Бредбері нарікав, що людство віддало перевагу підкоренню космосу споживання: айфони, серіали і костюми для собак.
Деякі скажуть, що на момент інтерв'ю письменник перебував уже в тому самому віці, коли людям просто властиво брюзжати: на сусідів по під'їзду, «хімію» в їжі, молодь і епоху. Легендарному фантасту, однак, вторять багато хто: Washington Post звинувачує NASA в нестачі амбіцій, неефективності та відсутності прогресу, журнал Air & Space вважає, що порівняно з шістдесятими роками космічні агентства розучилися ризикувати і з новаторів перетворилися на бюрократів.
Розвиток пілотованої космонавтики ніби й справді зменшив темп, а подекуди й зовсім відкотився назад. «Роскосмос» далі орбіти людей не запускає. Американці зовсім все починають з початку: з недавнім запуском Crew Dragon на МКС вони просто повернулися туди ж, де були 60 років тому. І збираються тепер на Місяць - але Армстронг і Олдрін були там півстоліття тому, про який прогрес взагалі мова?
Виробництво Волта Діснея
Ще наприкінці 40-х років XX століття Вернер фон Браун описав пілотований політ на Марс і запропонував технічну концепцію корабля в книзі Das Marsprojekt. Треба сказати, що в ту епоху, задовго до першого супутника, сама ідея космічних польотів сприймалася суспільством швидше як наукова фантастика. У 1952 році фон Браун спільно з редакцією журналу Collier's видає серію матеріалів на тему космічних досліджень. У секції запитань і відповідей ключовим був «Чи дійсно можливі міжпланетні подорожі?». Там же була опублікована серія барвистих ілюстрацій: флот гігантських кораблів на тлі Червоної планети і люди на її поверхні. Незабаром після цього фон Браун консультує організаторів тематичної виставки «Країна майбутнього» в Діснейленді: у центрі парку встановлюють макет ракети. Батько американської місячної програми займається популяризацією.
Але крім збагачення популярної культури 50-х мрією про колонізацію Марса, фон Браун займався і вивченням технічної складової цієї самої мрії. У книзі «Дослідження Марса» він описує політ на Марс на двох кораблях масою 1800 тонн кожен, які збирали десятки робітників на орбітальній станції.
Якщо уявити реалізацію такого проекту зараз, то тільки для підняття на орбіту матеріалів для кораблів знадобилося б 180 рейсів Falcon 9 - удвічі більше, ніж їх було запущено за всю історію. Оцінити трудомісткість і вартість будівництва такої станції взагалі неможливо, але й не потрібно - фон Браун і колеги розраховували, що людство досягне подібного розвитку «років через сто», а на момент публікації навіть Гагарін ще не виголосив своє «поїхали!».
На ілюстраціях тих років можна помітити великі крила у марсіанських посадкових апаратів. Згідно з проектом, посадкові модулі сідали в марсіанській пустелі подібно літакам, після чого екіпаж демонтував крила, і апарат перетворювався на ракету. Зараз ми точно знаємо, що здійснити аеродинамічну посадку на Марс неможливо через його надзвичайно розріджену атмосферу, але фон Браун ні про що подібне і не підозрював.
Ранній проект фон Брауна не реалізуємо технічно, і ніколи цього виконання в буквальному вигляді не мав на увазі. Однак він був яскравим і вражав уяву, а аудиторія одного тільки Collier's, з яким співпрацював німецький інженер, оцінювалася в 15 мільйонів осіб, не кажучи про численні книги і телепередачі. Можливо, саме ця мрія відклалася в пам'яті у Рея Бредбері, створивши враження, що все було готове «ще тоді».
Зоряний крейсер Галактика
Ескізи, які робив фон Браун як приватна особа і публіцист, а також праця багатьох інших ентузіастів, втім, зробили свою справу. У 50-60-х роках значна частина людства почала по-справжньому жити космосом - майже так само, як останнє десятиліття сучасний світ стежив за новинками робототехніки і штучного інтелекту. Джон Кеннеді у своїй знаменитій промові назвав космос найбільшим викликом у людській історії, на який Америка, якщо вона хоче бути світовим лідером, зобов'язана відповісти. А коли скоро це виклик, то від ескізів і мистецьких проектів необхідно було перейти до креслень.
Як туди долетіти
Головне питання, яке має значення при плануванні місій у дальній космос - до якої швидкості зможе розігнатися корабель? У розмові про орбітальну механіку швидкість має зовсім інше значення, ніж при подорожі по Землі. Швидкий транспорт на планеті дозволяє подолати відстань за менший час. Якщо ж ми говоримо про орбітальний рух, то швидкість - це просто параметр орбіти, пов'язаний з її висотою.
Щоб перетворити орбіту (1) на орбіту (2), потрібно додати швидкість у нижній точці на картинці, а також навпаки.
Тому основний параметр для космічного апарату, який зібрався до Марса долетіти - це те, яку дельту (приріст) швидкості він зможе забезпечити. Костянтин Ціолковський вивів формулу залежності дельти швидкості від маси палива: ^ v = I ст.1ln (M1/M2), де ^ v - зміна швидкості, I - питомий імпульс (ефективність) двигуна, M1 - маса апарату з паливом, а M2 - без нього.
Практичний сенс цієї формули простий: якщо для переведення десятитонного корабля з земної орбіти на найпростішу відльотну траєкторію до Марса ('V'3 500 метрів на секунду, залежно від орбіти) буде потрібно приблизно 20 тонн паливної пари кисень-водень, то для здійснення одного тільки зворотного переходу з марсіанської орбіти на траєкторію відльоту до Землі (7 000 м/с в сумі) без урахування гальмування, нам би з самого початку довелося б запастися 70 тоннами пального. Ефективність кожного наступного кілограма палива падає (адже разом з ними зростає і загальна маса), для польоту туди і назад буде потрібно корабель з воістину колосальним запасом пального.
Питома імпульса
Питомий імпульс - це характеристика ефективності реактивного двигуна. Уявімо, що в нашій ракеті один кілограм палива, а сама конструкція нічого не важить. Двигун запрограмований так, щоб при роботі підтримувати постійне прискорення рівне g, тобто 9,8 м/с2. Якщо заправити баки содовою шипучкою, то таке прискорення ракета зможе підтримувати зовсім недовго, припустимо, пару секунд, з чого випливає, що питомий імпульс шипучого двигуна - дві секунди. Але якщо замість неї залити ту ж масу паливної пари водень-кисень, то політ триватиме вже близько 400 секунд, залежно від конструкції двигуна, і це близько до межі можливостей хімічного палива. У іонних або плазмових ракетних двигунів питомий імпульс вимірюється тисячами секунд, що означає, що з їх допомогою можна було б долетіти до Марса використовуючи зовсім небагато палива. Їх мінус - велике споживання електрики, близько 40 кіловат на ньютон тяги у найсучасніших моделей.
Перші реалістичні проекти пілотованих місій на Марс були розроблені в 60-х роках у США (проект EMPIRE, Early Manned Planetary-Interplanetary Roundtrip Expeditions). Варіант проекту, запропонований компанією General Dynamics, передбачав використання корабля з масою близько 800 тонн, який би збирався на орбіті за кілька запусків ракети Saturn V.
За мінімальними грубими розрахунками, для старту з земної орбіти, переходу на марсіанську і повернення назад кораблю потрібні не менше 10 000 м/с запасу дельти швидкості. За формулою Ціолковського, при використанні водень-кисневих двигунів, з 800 тонн маси корабля на корисне навантаження довелося б всього 50 тонн. Все інше - паливо.
Відразу хочеться уточнити, що за фразою «зібрати корабель на орбіті» ховається не робота викруткою і не LEGO, а колосальна епопея. Збіркою модульних станцій на орбіті займався СРСР, і це був, з одного боку, інженерний подвиг, а з іншого - суцільний головний біль. Радянські «Салюти» горіли, розгерметизувалися, не могли провести стикування, а про «смерть» «Салюта-7» і місію з його «реанімації» зняли цілий фільм. Першу багатомодульну станцію, «Мир», запустили лише в 80-х, а її експлуатація також не обійшлася без істотних пригод: одного разу станцію навіть протаранили кораблем постачання при стикуванні.
Крім того, корабель масою 50 тонн (з урахуванням посадкового модуля і вирахуванням палива) навряд чи б зміг довезти астронавтів до червоної планети. Станція «Мир» була першим космічним об'єктом, на якому люди перебували понад рік. Маса розрахованої на трьох осіб станції була трохи більше 120 тонн, і це при відсутності серйозного захисту від радіації і повної залежності від поставок продовольства і запасних частин з Землі.
Обхідні шляхи
Можна збільшити корисне навантаження без використання додаткового палива, якщо підняти ефективність двигуна, тобто збільшити його питомий імпульс. Він буде більшим, якщо, наприклад, не окисляти водень, а нагрівати його ядерним реактором до тисяч градусів. За всю історію космічної техніки лише один ядерний ракетний двигун був готовий до установки на корабель - NERVA. З воднем в якості робочого тіла, він забезпечував питомий імпульс близько 850 секунд, що приблизно вдвічі вище ніж у паливної пари водень-кисень.
Саме його передбачалося використовувати на ракеті Saturn S-N (nuclear) для марсіанської місії. Розробку скасували в 1970-му році з фінансових міркувань, але проблем з нею було повно і без грошей. В першу чергу, ядерні двигуни важать десятки тонн, стискаючи об'єм корисного навантаження. По-друге, ядерний реактор - складний пристрій, який неможливо включити і вимкнути натисканням кнопки, а керувати ним можуть тільки вузькі фахівці. По-третє, дворазового збільшення ефективності все одно недостатньо для відправки на Марс значного вантажу без використання гігантських паливних баків.
З урахуванням всього цього ціна будь-якої місії, подібної EMPIRE, ставала порівнянна з американськими витратами на Другу світову війну. У 90-х роках XX століття конгресмени і чиновники відмовлялися навіть розглядати марсіанські мегапроекти і охрестили їх «Зоряний крейсер» Галактика «» - через величезні розміри і маси корабля.
Майже всі проекти наших днів пропонують зменшити масу корабля за рахунок використання місцевих ресурсів: не брати з собою те, що можна знайти на місці. Навряд чи людям вдасться знайти на Марсі провізію, зате там точно є вода. А це не тільки пиття, а й потенційна сировина для палива. Пропустивши через підсолену воду струм, можна отримати водень і кисень - ту саму пару, яку використовують багато ракетних двигунів.
У 90-ті роки на цій ідеї був заснований проект Mars Direct, а прямо зараз аналогічний реалізує Ілон Маск. Він будує систему Starship-Superheavy, яка за рахунок дозаправок на низькій навколоземній орбіті дозволить закидати на інші планети близько сотні тонн корисного навантаження, без урахування самого корабля і палива. Незважаючи на те, що проект безперервно змінюється, загальне уявлення про ідею можна прочитати в матеріалі «Велика дивна ракета». На даний момент прототипи ще вибухають на випробуваннях, але Маск вірить, що в 2022 році йому вдасться відправити на Марс припаси і паливний завод, а в 2024 - астронавтів.
На захист айфонів
Маса корабля - не єдина перешкода, яка стоїть на шляху людини до Марса. Космос підніс людству безліч сюрпризів, але і без них техніка 70-х років навряд чи була готова до міжпланетних подорожей.
Про вразливість космічних польотів тієї епохи можна судити по польотах людей на Місяць. Біля «Аполлона-13» вибухнув бак з киснем, пошкодивши акумуляторні батареї. Сам факт аварії можна залишити за дужками, оскільки події трапляються навіть на таких звичних і відпрацьованих видах транспорту як кораблі і потяги, примітно інше. При поверненні на Землю командир місії вручну утримував орієнтацію корабля, наводячи «мушку» в ілюмінаторі корабля на термінатор Землі, а інший член екіпажі по наручному годиннику відраховував секунди до включення двигуна. На ручне управління екіпаж перейшов для того, щоб заощадити енергію, оскільки «Аполлон» покладався на механічні гіроскопи, що обертаються, а його керуючий комп'ютер споживав енергію, як сучасна відеокарта під навантаженням. Механічні гіроскопи володіють і іншим недоліком, крім високого енергоспоживання: з часом вони втрачають виставлений спочатку напрямок, а корабель з ними на борту не може здійснювати довільні маневри, щоб уникнути складання рамок - повної втрати орієнтації.
Були й інші проблеми. На «Аполлоні» не було радіаційного захисту, і ніхто не знав, яким він повинен бути, щоб витримати сонячний спалах, тому польоти були можливі лише під час спокійного Сонця. Двигун посадкової сходинки місячного модуля міг повторно включатися не пізніше, ніж через 50 годин після першого запуску, оскільки паливо в нього подавалося витісняючим газом, тиск якого постійно зростав, і зрештою викликало розрив запобіжної діафрагми. Польоти до Місяця були з самого початку сплановані так, щоб врахувати ці вразливості, але у людей не було особливої свободи для маневру.
Попутники
Піонери космонавтики ні за що не повірили, що великою проблемою на орбіті стане цвіль (докладніше про це - в нашому матеріалі «Безквиткові пасажири»). Замкнута волога атмосфера і відсутність сонячного світла є ідеальними умовами для грибків, до того вони, судячи з усього, пристосувалися до радіації і обертають її собі на користь. Цвіль була справжнім бичем станції Мир: всупереч міфам, вона не стала причиною затоплення станції, але космонавти регулярно скаржилися на запах тухлих яблук і зарослі стіни.
Із запахом і зіпсованим зовнішнім виглядом ще можна було б змиритися, але на цьому проблеми від цвілі не закінчуються. У 1997 році на «Світі» вийшов з ладу пристрій для зв'язку з Землею. У космонавтів була резервна, і тому цю подію не можна вважати аварією, але аналіз показав, що причина поломки - цвіль, яка з'їла пластикову ізоляцію. Кількома роками пізніше, вже на МКС, вийшов з ладу датчик диму - теж через гриб. Цвіль поширюється повітрям за допомогою суперечок, і фільтри проти них майже не допомагають. На даний момент найдієвіший спосіб бір