Почему нога человека до сих пор не ступила на Марс
«Марсианское лето» 2020 года закончилось: к Красной планете только что улетел американский ровер «Персеверанс», чуть раньше состоялись пуски китайского «Тяньвэня-1» и арабского «Аль-Амаля». Прошло полвека с высадки человека на Луну, а на Марс все еще летают только роботы. При этом детальные проекты пилотируемых полетов туда были уже в середине ХХ века. Почему они до сих пор не воплотились?
В 2010 году Рэй Брэдбери сетовал, что человечество предпочло покорению космоса потребление: айфоны, сериалы и костюмы для собак.
Некоторые скажут, что на момент интервью писатель находился уже в том самом возрасте, когда людям просто свойственно брюзжать: на соседей по подъезду, «химию» в еде, молодежь и эпоху. Легендарному фантасту, однако, вторят многие: Washington Post обвиняет NASA в недостатке амбиций, неэффективности и отсутствии прогресса, журнал Air & Space считает, что по сравнению с шестидесятыми годами космические агентства разучились рисковать и из новаторов превратились в бюрократов.
Развитие пилотируемой космонавтики будто и правда сбавило темп, а местами и вовсе откатилось назад. «Роскосмос» дальше орбиты людей не запускает. Американцы вовсе все начинают с начала: с недавним запуском Crew Dragon на МКС они просто вернулись туда же, где были 60 лет назад. И собираются теперь на Луну — но Армстронг и Олдрин были там полвека назад, о каком прогрессе вообще речь?
Еще в конце 40-х годов XX века Вернер фон Браун описал пилотируемый полет на Марс и предложил техническую концепцию корабля в книге Das Marsprojekt. Надо сказать, что в ту эпоху, задолго до первого спутника, сама идея космических полетов воспринималась обществом скорее как научная фантастика. В 1952 году фон Браун совместно с редакцией журнала Collier’s издает серию материалов на тему космических исследований. В секции вопросов и ответов ключевым был «Действительно ли возможны межпланетные путешествия?». Там же была опубликована серия красочных иллюстраций: флот гигантских кораблей на фоне Красной планеты и люди на ее поверхности. Вскоре после этого фон Браун консультирует устроителей тематической выставки «Страна будущего» в Диснейленде: в центре парка устанавливают макет ракеты. Отец американской лунной программы занимается популяризацией.
Но помимо обогащения популярной культуры 50-х мечтой о колонизации Марса, фон Браун занимался и изучением технической составляющей этой самой мечты. В книге «Исследование Марса» он
полет на Марс на двух кораблях массой 1800 тонн каждый, которые собирали десятки рабочих на орбитальной станции.
Если представить реализацию такого проекта сейчас, то только для поднятия на орбиту материалов для кораблей потребовалось бы 180 рейсов Falcon 9 — в два раза больше, чем их было запущено за всю историю. Оценить трудоемкость и стоимость постройки такой станции и вовсе невозможно, но и не нужно — фон Браун и коллеги рассчитывали, что человечество достигнет подобного развития «лет через сто», а на момент публикации даже Гагарин еще не произнес свое «поехали!».
На иллюстрациях тех лет можно заметить большие крылья у марсианских посадочных аппаратов. Согласно проекту, посадочные модули садились в марсианской пустыне подобно самолетам, после чего экипаж демонтировал крылья, и аппарат превращался в ракету. Сейчас мы точно знаем, что совершить аэродинамическую посадку на Марс невозможно из-за его чрезвычайно разреженной атмосферы, но фон Браун ни о чем подобном и не подозревал.
Ранний проект фон Брауна не реализуем технически, и никогда этого исполнения в буквальном виде не подразумевал. Однако он был ярким и поражал воображение, а аудитория одного только Collier’s, с которым сотрудничал немецкий инженер, оценивалась в 15 миллионов человек, не говоря о многочисленных книгах и телепередачах. Возможно, именно эта мечта отложилась в памяти у Рэя Брэдбери, создав впечатление, что все было готово «еще тогда».
Эскизы, которые делал фон Браун в качестве частного лица и публициста, а также труд многих других энтузиастов, впрочем, сделали свое дело. В 50-60-х годах значительная часть человечества начала по-настоящему жить космосом — почти так же, как последнее десятилетие современный мир следил за новинками робототехники и искусственного интеллекта. Джон Кеннеди в своей знаменитой речи назвал космос величайшим вызовом в человеческой истории, на который Америка, если она хочет быть мировым лидером, обязана ответить. А коль скоро это вызов, то от эскизов и художественных проектов необходимо было перейти к чертежам.
Как туда долететь
Главный вопрос, который имеет значение при планировании миссий в дальний космос — до какой скорости сможет разогнаться корабль? В разговоре об орбитальной механике скорость имеет совсем другое значение, нежели при путешествии по Земле. Быстрый транспорт на планете позволяет преодолеть расстояние за меньшее время. Если же мы говорим об орбитальном движении, то скорость — это просто параметр орбиты, связанный с ее высотой.
Чтобы орбиту (1) превратить в орбиту (2), необходимо в нижней точке на картинке добавить аппарату скорость, и наоборот.
Поэтому основной параметр для космического аппарата, который собрался до Марса долететь — это то, какую дельту (прирост) скорости он сможет обеспечить. Константин Циолковский вывел формулу зависимости дельты скорости от массы топлива: Δv = I × ln(M1/M2), где Δv — изменение скорости, I — удельный импульс (эффективность) двигателя, M1 — масса аппарата с топливом, а M2 — без него.
Практический смысл этой формулы прост: если для перевода десятитонного корабля с земной орбиты на простейшую отлетную траекторию к Марсу (Δv ≈ 3 500 метров в секунду, в зависимости от орбиты) потребуется примерно 20 тонн топливной пары кислород-водород, то для совершения одного только обратного перехода с марсианской орбиты на траекторию отлета к Земле (7 000 м/с в сумме) без учета торможения, нам бы с самого начала пришлось бы запастись 70 тоннами горючего. Эффективность каждого следующего килограмма топлива падает (ведь вместе с ними растет и общая масса), для полета туда и обратно потребуется корабль с поистине колоссальным запасом горючего.
Удельный импульс
Удельный импульс — это характеристика эффективности реактивного двигателя. Представим, что в нашей ракете один килограмм топлива, а сама конструкция ничего не весит. Двигатель запрограммирован так, чтобы при работе поддерживать постоянное ускорение равное g, то есть 9,8 м/с2. Если заправить баки содовой шипучкой, то такое ускорение ракета сможет поддерживать совсем недолго, предположим, пару секунд, из чего следует, что удельный импульс шипучего двигателя — две секунды. Но если вместо нее залить ту же массу топливной пары водород-кислород, то полет продлится уже около 400 секунд, в зависимости от конструкции двигателя, и это близко к пределу возможностей химического топлива. У ионных или плазменных ракетных двигателей удельный импульс измеряется тысячами секунд, что означает, что с их помощью можно было бы долететь до Марса используя совсем немного топлива. Их минус — большое потребление электричества, около 40 киловатт на ньютон тяги у самых современных моделей.
Первые реалистичные проекты пилотируемых миссий на Марс были разработаны в 60-х годах в США (проект EMPIRE, Early Manned Planetary-Interplanetary Roundtrip Expeditions). Вариант проекта, предложенный компанией General Dynamics, предполагал использование корабля c массой около 800 тонн, который бы собирался на орбите за несколько запусков ракеты Saturn V.
По минимальным грубым расчетам, для старта с земной орбиты, перехода на марсианскую и возврата назад кораблю нужны не менее 10 000 м/с запаса дельты скорости. По формуле Циолковского, при использовании водород-кислородных двигателей, из 800 тонн массы корабля на полезную нагрузку пришлось бы всего 50 тонн. Все остальное — топливо.
Сразу хочется уточнить, что за фразой «собрать корабль на орбите» скрывается не работа отверткой и не LEGO, а колоссальная эпопея. Сборкой модульных станций на орбите занимался СССР, и это был, с одной стороны, инженерный подвиг, а с другой — сплошная головная боль. Советские «Салюты»
,
, не могли провести
, а про «смерть» «Салюта-7» и миссию по его «реанимации» сняли целый фильм. Первую многомодульную станцию, «Мир», запустили лишь в 80-х, а ее эксплуатация также не обошлась без существенных происшествий: однажды станцию даже
кораблем снабжения при стыковке.
Кроме того, корабль массой 50 тонн (с учетом посадочного модуля и вычетом топлива) едва ли бы смог довезти астронавтов до красной планеты. Станция «Мир» была первым космическим объектом, на котором люди находились более года. Масса рассчитанной на трех человек станции была чуть больше 120 тонн, и это при отсутствии серьезной защиты от радиации и полной зависимости от поставок продовольствия и запасных частей с Земли.
Обходные пути
Можно увеличить полезную нагрузку без использования дополнительного топлива, если поднять эффективность двигателя, то есть увеличить его удельный импульс. Он будет больше, если, например, не окислять водород, а нагревать его ядерным реактором до тысяч градусов. За всю историю космической техники лишь один ядерный ракетный двигатель был готов к установке на корабль — NERVA. С водородом в качестве рабочего тела, он обеспечивал удельный импульс около 850 секунд, что примерно вдвое выше чем у топливной пары водород-кислород.
Именно его предполагалось использовать на ракете Saturn S-N (nuclear) для марсианской миссии. Разработку отменили в 1970-м году по финансовым соображениям, но проблем с ней было полно и без денег. В первую очередь, ядерные двигатели весят десятки тонн, сжирая объем полезной нагрузки. Во-вторых, ядерный реактор — сложное устройство, которое невозможно включить и выключить нажатием кнопки, а управлять им могут только узкие специалисты. В-третьих, двукратного увеличения эффективности все равно недостаточно для отправки на Марс значительного груза без использования гигантских топливных баков.
С учетом всего этого цена любой миссии, подобной EMPIRE, становилась сопоставима с американскими затратами на Вторую мировую войну. В 90-х годах XX века конгрессмены и чиновники отказывались даже рассматривать марсианские мегапроекты и окрестили их «Звездный крейсер „Галактика“» — из-за огромных размеров и массы корабля.
Почти все проекты наших дней предлагают уменьшить массу корабля за счет использования местных ресурсов: не брать с собой то, что можно найти на месте. Едва ли людям удастся найти на Марсе провизию, зато там точно есть вода. А это не только питье, но и потенциальное сырье для топлива. Пропустив через подсоленную воду ток, можно получить водород и кислород — ту самую пару, которую используют многие ракетные двигатели.
В 90-е годы на этой идее был основан проект Mars Direct, а прямо сейчас аналогичный реализует Илон Маск. Он строит систему Starship-Superheavy, которая за счет дозаправок на низкой околоземной орбите позволит забрасывать на другие планеты около сотни тонн полезной нагрузки, без учета самого корабля и топлива. Несмотря на то, что проект непрерывно меняется, общее представление об идее можно прочитать в материале «Большая странная ракета». На данный момент прототипы еще взрываются на испытаниях, но Маск верит, что в 2022 году ему удастся отправить на Марс припасы и топливный завод, а в 2024 — астронавтов.
Масса корабля — не единственная преграда, которая стоит на пути человека к Марсу. Космос преподнес человечеству множество сюрпризов, но и без них техника 70-х годов едва ли была готова к межпланетным путешествиям.
Об уязвимости космических полетов той эпохи можно судить по полетам людей на Луну. У «Аполлона-13» взорвался бак с кислородом, повредив аккумуляторные батареи. Сам факт аварии можно оставить за скобками, поскольку происшествия случаются даже на таких привычных и отработанных видах транспорта как корабли и поезда, примечательно другое. При возвращении на Землю командир миссии вручную удерживал ориентацию корабля, наводя «мушку» в иллюминаторе корабля на терминатор Земли, а другой член экипажи по наручным часам отсчитывал секунды до включения двигателя. На ручное управление экипаж перешел для того, чтобы сэкономить энергию, так как «Аполлон» полагался на вращающиеся механические гироскопы, а его управляющий компьютер потреблял энергию, как современная видеокарта под нагрузкой. Механические гироскопы обладают и другим недостатком, помимо высокого энергопотребления: со временем они теряют выставленное изначально направление, а корабль с ними на борту не может совершать произвольные маневры во избежание складывания рамок — полной потери ориентации.
Были и другие проблемы. На «Аполлоне» не было радиационной защиты, и никто не знал, какой она должна быть, чтобы выдержать солнечную вспышку, поэтому полеты были возможны лишь во время спокойного Солнца. Двигатель посадочной ступени лунного модуля мог повторно включаться не позднее, чем через 50 часов после первого запуска, поскольку топливо в него подавалось вытесняющим газом, давление которого постоянно росло, и в конце концов вызывало разрыв предохранительной диафрагмы. Полеты к Луне были с самого начала спланированы так, чтобы учесть эти уязвимости, но у людей не было особенной свободы для маневра.
Попутчики
Пионеры космонавтики ни за что бы не поверили, что большой проблемой на орбите станет плесень (подробнее об этом — в нашем материале «Безбилетные пассажиры»). Замкнутая влажная атмосфера и отсутствие солнечного света являются идеальными условиями для грибков, к тому они, судя по всему, приспособились к радиации и оборачивают ее себе на пользу. Плесень была настоящим бичом станции Мир: вопреки мифам, она не стала причиной затопления станции, но космонавты регулярно жаловались на запах тухлых яблок и заросшие стены.
С запахом и испорченным внешним видом еще можно было бы смириться, но на этом проблемы от плесени не заканчиваются. В 1997 году на «Мире» вышло из строя устройство для связи с Землей. У космонавтов имелось резервное, и потому это событие нельзя считать аварией, но анализ показал, что причина поломки — плесень, которая съела пластиковую изоляцию. Несколькими годами позже, уже на МКС, вышел из строя датчик дыма — тоже из-за грибка. Плесень распространяется по воздуху при помощи спор, и фильтры против них почти не помогают. На данный момент самый действенный способ борьбы с ними — прокачивать воздух через прибор с электрическим полем, которое разрушает попавшие в него клетки.
Кроме хорошо знакомых землянам заплесневелых стен, невесомость создает новые типы проблем. Например, на том же «Мире» космонавты обнаружили сферу воды за панелью. Оказалось, что в этом месте из-за потока холодного воздуха из кондиционера выпадал конденсат, который не мог вытечь или высохнуть, и просто копился. Все перечисленные выше события познавательны и интересны, но только потому, что их обнаружили недалеко от Земли. В случае атаки плесени на пути к Марсу неизвестно, справились ли бы с ней астронавты без изучения опыта околоземных космических станций.
Передача и хранение данных
Нельзя точно сказать, будет ли толк на Марсе от костюма для собак, но без айфона пришлось бы тяжело. Еще десять лет назад здесь было бы уместным пространное описание того, как нашу жизнь меняет мобильная техника, сейчас же неуместна даже такая постановка вопроса. Вместо этого можно представить, с какими бы тривиальными, на наш взгляд, трудностями столкнулись бы астронавты.
Взять самый простой вопрос — ведение лабораторных записей. До появления компьютера они велись от руки, а значит, чтобы поделиться ими с Землей их необходимо было бы надиктовывать по радио или посылать по факсу. И тот и другой способы очень медленны, особенно если учесть огромное расстояние между планетами, которое затрудняет радиосвязь, не говоря уже о том, что ответа на самый простой вопрос придется ждать от трех до двадцати минут.
Куда хуже трудностей при связи с ЦУПом — скудный набор знаний, который можно увезти с собой в бумажном виде. Любая исследовательская работа требует сверки с соответствующей литературой, причем чем менее знакомой темы касается ученый, тем больше он вынужден читать. А поскольку до посадок автоматических аппаратов на Марс люди вообще не знали, чего там можно ожидать, то в экспедицию пришлось бы взять с собой целую библиотеку весом в несколько тонн — по физике, химии, геологии, медицине, инженерии и так далее — все то, что сейчас помещается в устройство размером с ладонь.
Люди достигли Южного полюса Земли в 1911 году, не имея никакой особенной цели, помимо самого достижения. При этом экспедиция Скотта погибла на обратном пути, а группа Амундсена буквально кормила собак собаками — явно не штатный метод путешествовать в высоких широтах. Почти полвека на Южном полюсе больше никто не бывал, пока в 1956 году там не высадился инженерный корпус ВМФ США и не построил постоянную базу. Трудно выделить какую-то конкретную технологию, которая это им позволила: от развития авиатранспорта до появления консервных банок, которые не трескаются на морозе.
Запуск человека в космос был безусловным прорывом для середины XX века. Однако сам орбитальный полет — лишь первая, и самая простая ступенька на пути к освоению Солнечной системы, а полеты «Аполлонов» к Луне — пятая. И если Луна это Южный полюс, куда люди слетали ради рекорда в 1969, а теперь возвращаются спустя 50 лет, то Марс — существенно более трудная цель.
Скорее всего, если бы в 60-80-х годах какая-то из сверхдержав решила отправить людей на Марс любой ценой, то полетел крохотный кораблик, без какого-либо исследовательского оборудования и жилым пространством размером с ванную комнату. Причем если говорить о технической возможности отправки такой миссии еще можно, то шансов у ее пилотов долететь до места назначения живыми и уж тем более вернуться назад было бы примерно столько же, как у человека на надувном матрасе совершить кругосветное плавание.
Путешествия зачастую сравнивают с «Одиссеей», античным эпосом о долгом пути изобретательного грека на родную Итаку после взятия Трои. Но в случае с Марсом до одиссеи еще далеко, и сцена куда больше напоминает «Илиаду». Долгая осада, невозможность сдвинуться с мертвой точки и поиск нестандартных путей. Штурм еще впереди, и на деревянном коне в марсианский город точно не въехать.
Василий Зайцев