Пилотируемая экспедиция на Марс

Марс-грунт

Доставка марсианского грунта

   Для доставки образцов грунта и породы с Марса предлагается целевой комплекс следующего состава:
      - спускаемый аппарат (СА);
      - агрегатный отсек с блоком ориентации;
      - орбитальный аппарат.
   Спускаемый аппарат содержит теплозащитный силовой экран, посадочную платформу, взлётный модуль, марсоход с устройством для отбора образцов, возвращаемый контейнер.
   Агрегатный отсек обеспечивает ориентацию комплекса и коррекции его траектории на пути к Марсу, а также ориентацию СА перед входом в атмосферу.
   Орбитальный аппарат оснащён ЭРДУ, аппаратурой поиска возвращаемого контейнера и механизмом его захвата.
   Схема перелёта состоит из нескольких этапов:

• РН «Ангара 5-УКВБ» выводит к ОС комплекс массой до 27 т.
• УКВБ заправляется, стартует и разгоняет аппарат, обеспечивая характеристическую скорость около 3800 м/с, что достаточно для выведения на траекторию к Марсу даже при не самом благоприятном расположении планет.
• С помощью агрегатного отсека проводятся коррекции траектории, обеспечивающие подлёт к Марсу с заданными траекторными параметрами.
• Комплекс по гиперболической траектории входит в атмосферу и тормозится, теряя ~650-700 м/с скорости, после чего оказывается на высокоэллиптической орбите.
• Происходит отделение орбитального аппарата, который разворачивает СБ и с помощью небольшого импульса в апоцентре переводится на устойчивую орбиту.
• Спускаемый аппарат входит в атмосферу и совершает мягкую посадку. В ходе спуска отбрасывается теплозащитный экран и вводится в действие парашютная система, заключительный этап обеспечивают реактивные двигатели мягкой посадки.
• Марсоход покидает СА, отбирает образцы породы и укладывает их в контейнер.
• Взлётный модуль с возвращаемым контейнером стартует и выходит на высокоэллиптическую орбиту или (с небольшой скоростью) - на отлётную траекторию.
• Орбитальный аппарат находит взлётный модуль, сближается с ним, извлекает контейнер с образцами и транспортирует его к Земле с использованием ЭРДУ.
• Орбитальный аппарат сближается с Землёй и выходит на высокую круговую орбиту.

После завершения всех этапов задачу можно считать выполненной. Однако, образцы породы не доставлены на Землю. Как это будет сделано, зависит от требований биологической безопасности. Возможна посылка специального аппарата-перехватчика, либо контейнер будет осторожно переведён на высокоэллиптическую орбиту, которая атмосферным торможением со временем преобразуется в круговую, и уже на ней будет подхвачен. Именно соображения биологической безопасности и определили тип двигательной установки орбитального аппарата – ЭРДУ, хотя с задачей возвращения вполне могла бы справиться установка на жидких химических компонентах. При этом миссия может быть успешной и без орбитального аппарата, особенно при двухступенчатой конструкции взлётного модуля.
Массовый расклад составляющих комплекса будет сильно зависеть от массового совершенства взлётного модуля. Так, при стартовой массе 10 т (что посильно) и отношении массы конструкции с остатками компонентов к массе используемого топлива 1:10 масса заполненного контейнера составит 800 кг, при 1:6 – менее 250 кг (характеристическая скорость – 6500 м/с). При худшем совершенстве имеет смысл рассмотреть двухступенчатый вариант.

в начало

Пилотируемая экспедиция на Марс

Чтобы с помощью ЖРД отправить на Марс и вернуть обратно полноценную экспедицию из 6 человек, потребуется собрать на низкой околоземной орбите марсианский корабль с начальной массой от 800 до 1200 т. Сопутствующее столь большой массе грандиозное орбитальное строительство может вылиться в чрезмерные расходы, поэтому все марсианские проекты последнего времени основаны на перспективных технологиях. Основные из них – производство компонентов топлива из местного сырья и высокоэффективные ДУ малой тяги. Их применение позволяет сократить начальную массу корабля в 2-2,5 раза, и, пока они не отработаны, об окончательном выборе способа перелёта говорить преждевременно. В этой связи важнейшее значение имеет миссия «Фобос-грунт», которая могла бы оценить запасы пыли спутника и ответить на вопрос: возможно ли получение на месте из фобосианского грунта кислорода и других компонентов топлива.
Система СВ, имеющая предлагаемую нами структуру, будет полезна для марсианской экспедиции независимо от того, будут ли применены перспективные технологии или нет. При её использовании сценарий марсианской экспедиции будет выглядеть так:

Создание марсианской орбитальной базы

   Заблаговременная доставка на марсианскую орбиту тех грузов, которые не требуются на марсианском корабле на пути к Марсу, позволит избежать излишнего перенапряжения при старте экспедиции и увеличит её надёжность. Орбитальная база (ОБ) может собираться постепенно, в течение 10 и более лет, а находящиеся на ней грузы должны быть долгохранимыми. Это могут быть, прежде всего, компоненты топлива, вода, некоторые пищевые продукты, различные инструменты и приспособления. Разумно разместить на базе и резервные энергетические мощности. Завершённая база должна также выполнять роль убежища экипажа.
   Если использовать РН «Ангара 5 – УКВБ», то с дозаправкой на ОЗК в одном пуске к Марсу обеспечивается выведение блока массой до 27 т. За вычетом средств выхода на марсианскую орбиту (тормозная ДУ, теплозащитный экран), его полезная масса должна составить около 20 т. Всего нужно отправить не менее 7-8 блоков, сборка предварительной конфигурации ОБ предполагается в автоматическом режиме. Если марсианский корабль будет содержать ЭРДУ, то, по крайней мере, несколько блоков также следует оснастить ЭРДУ, технологически унифицированными с корабельной. Последняя, скорее всего, будет наборной, состоящей из нескольких десятков элементарных двигателей. Тогда будет нетрудно составить маломощную установку для блоков, чтобы испытать и получить опыт её эксплуатации в реальных условиях, а затем иметь на ОБ источник запчастей для основной ЭРДУ. Электрическая мощность блока с ЭРДУ должна составить не менее 40-50 кВт.
   Есть возможность увеличить массу блока ОБ без потери эффективности доставки, если догрузить его на ОЗК компонентами топлива (жидкий кислород и жидкий метан) или водой. Тогда ПГ, доставляемый на ОЗК, должен содержать некоторое число ускорителей, а также баки. На ОЗК баки заполняются компонентами топлива или водой, а ускорители устанавливаются на УКВБ и в дальнейшем участвуют в разгоне блока на начальном этапе выведения. Массовая раскладка такого комплекса может быть следующей:

Масса ускорителей 22 т;

в том числе – топлива 20 т.

Удельный импульс 3200 Н·с/м.

Масса ПГ 39 т;

в том числе – залитых жидких грузов 30 т.

По-видимому, получить большее от такого способа не удастся.

Марсианский корабль

Марсианский корабль собирается на предельно высокой орбите, точнее, на сильновозмущённой траектории недалеко от границы сферы действия Земли. Переход на такую траекторию должен требовать минимального импульса в апогее эллиптической орбиты, а предотвращение ухода из сферы действия Земли - небольших затрат характеристической скорости. Необходимость сборки корабля вдали от Земли вызвана двумя причинами:

Она позволит избежать расходов, сопутствующих низкоорбитальному полёту: на навигацию, связь, компенсацию торможения атмосферой, а также частых температурных перепадов на внешней поверхности, что при длительном процессе сборки МК существенно.
Выведение с низкой орбиты потребует создания огромного ракетного блока, заменить который множеством последних ступеней РН не получится. Придётся также решать проблему длительного хранения большого объёма криогенного топлива.

Сборка корабля на удалённой орбите будет проводиться в условиях незащищённости от галактического космического излучения, поэтому операции с участием человека должны быть сведены к минимуму. Основной этап сборки предполагается провести без присутствия экипажа на борту. Такое требование будет трудно выполнить, если корабль оснащается мощной ЭРДУ, использующей энергию солнечных батарей. Разворачивание последних будет трудно осуществить без работы космонавтов в открытом космосе. По-видимому, в рассматриваемом случае ЭРДУ придётся полностью собрать на низкой орбите, а затем своим ходом перегнать к месту сборки.

Начало экспедиции

Начало экспедиции зависит от типа основной ДУ и может быть одним из двух вариантов:

Импульсом в несколько десятков м/с корабль сталкивается на крутую эллиптическую орбиту, в перигее которой, на высоте 300-400 км ему сообщается разгонный импульс 500-700 (минимум – 400) м/с, достаточный для выведения на траекторию к Марсу. Экипаж доставляется на корабль заблаговременно.
С помощью двигателей малой тяги корабль выводится на гелиоцентрическую орбиту, затем, набрав некоторую скорость, проходит мимо Земли по гиперболической траектории. При необходимости, в перигее траектории кораблю сообщается разгонный импульс, в этом случае перигей выбирается низким. Так как период времени от начала полёта до прохождения Земли не напрягает силы экспедиции, имеется возможность разогнать корабль до достаточной скорости с помощью относительно маломощных двигателей. Подсадка экипажа осуществляется на траектории "перехвата", позволяющей догнать корабль при приближении к Земле. На период начального разгона на корабле может находиться временный экипаж, который покидает его перед прохождением Земли и совершает посадку.

Для перевода корабля на траекторию полёта к Марсу без нырка в гравитационный колодец потребуется прирост характеристической скорости ~3 км/с, однако при использовании двигателей малой тяги такой нырок не приведёт к её существенному сокращению. Тем не менее, глубокий нырок к Земле предпочтителен по сравнению с дальним перелётом экипажа на корабль. В первую очередь, это позволит уменьшить радиационную опасность, так как МК будет значительно лучше защищён, чем транспортное средство, на котором экипаж достигнет корабля. Следует учесть и то, что прогнозы солнечной активности на 10-15 дней, требующихся для перелёта, даже если будут возможны, никак не помогут по причине невозможности переноса даты старта более чем на двое-трое суток. Во-вторую - перелёт на МК может быть совершён с помощью простого и отработанного транспортного средства, на нём же может быть возвращён на Землю дежурный экипаж. При такой схеме доставки экипажа все составляющие МК будут заранее собраны в комплекс и пртестированы, а неполадки выявлены и устранены. При недостижении экипажем корабля сохраняется возможность подсадки экипажа дублёров "вдогонку".

Экспедиция с использованием ЖРД

Далее рассмотрим корабль, использующий ЖРД в условиях благоприятного расположения планет. Предполагаемая масса корабля составит около 360 т, что достаточно при наличии марсианской ОБ. Для его сборки потребуется до 13 пусков РН «Ангара 5 – УКВБ» или до 16 пусков РН А4-УКВБ с многоразовыми боковыми модулями, а также ещё 2 пуска РН с кислородно-метановыми блоками, обладающими следующими характеристиками:

Масса блока 55,75 т;

масса топлива 50,68 т;

масса ПГ (РН – «Ангара 5») 24,1 т;

удельный импульс 3620 Н·с/м.

   Собранный корабль будет включать два метановых блока с топливом, которое доставляется отдельно. При доставке топлива тем же способом, который предложен выше для марсианской ОБ, один УКВБ способен вывести к месту сборки до 50 т ПГ, содержащего до 45 т топлива. Один из блоков используется дважды – в самом начале экспедиции сталкивает корабль с дальней круговой околоземной орбиты на эллиптическую, а затем разгоняет его вблизи Земли и выводит на траекторию полёта к Марсу, обеспечивая характеристическую скорость не менее 500 м/с. После выведения блок не отбрасывается, сохраняясь в резерве. Второй блок используется для торможения и вывода корабля на марсианскую орбиту. Позже один из блоков заправляется на ОБ и выводит корабль на траекторию возвращения.
   Для обеспечения сборки корабля потребуется доставить на ОЗК и переработать не менее 750 т воды. Это – 100 рейсов МКТ с грузоподъёмностью 7,5 т (или более 200 рейсов МКТ с грузоподъёмностью 3,5 т) и 0,5 МВт электрической мощности в течение двух лет. Такая мощность СБ довольно велика, кроме того, может возникнуть ситуация, в которой после запуска марсианского корабля электрические мощности ОЗК не будут востребованы. Поэтому имеет смысл использовать для наращивания мощности ОЗК энергоустановку марсианского корабля.
   Если стоимость пуска РН «Ангара 5 – УКВБ» составит $80 млн., а стоимость килограмма кислородно-водородного топлива на ОЗК будет вдвое меньше стоимости выведения килограмма ПГ, то стоимость обеспечения выведения корабля на марсианскую орбиту средствами выведения составит около $3 млрд.
   Схема остальной части марсианской экспедиции не содержит ничего нового и может быть заимствована из других проектов. Новизна может появиться, если на марсианских спутниках будет обнаружена пригодная к добыче вода, что маловероятно. Тогда имеет смысл рассмотреть возможность производства кислородно-водородного топлива на корабле и использование УКВБ.

Несмотря на то, что марсианский корабль при старте содержит более 100 т кислородно-метанового топлива и ещё имеется запас на марсианской ОБ, основную энергетику экспедиции обеспечивают УКВБ, использующие высокоэффективное кислородно-водородное топливо. Немалый вклад в энергетику внесут и электрические мощности ОЗК, от которых потребуется 1 ГВт·год энергии только в обеспечение самого МК.
Выбор кислородно-метанового топлива объясняется, с одной стороны, его приемлемыми физическими и энергетическими характеристиками, и, с другой стороны, его дешевизной на орбите и готовностью инфраструктуры его использования (ОЗК). При условии надёжного экранирования от Солнца оно может длительно храниться на всех этапах экспедиции: на орбите сборки корабля, на межпланетной трассе и на высокоэллиптической марсианской орбите, в то время, как хранить жидкий водород (температура кипения – 22°К) в многомесячном автономном полёте накладно и рискованно. В перспективе метановое горючее будет несложно производить в космосе при наличии сырья. Если потребуются регулярные полёты, а энергетические свойства метана окажутся недостаточны, то имеется возможность их наращивания путём применения добавок. Так, использование вместо метана метан-диборановой смеси позволит увеличить УИ до 4000 Н·с/м, но такое топливо встретит экологические препятствия при отработке и потребует усложнения схемы двигателя. Фактически, потребуется трёхкомпонентный ЖРД, третий компонент которого будет обеспечивать работу газогенератора. Им может быть чистый метан или перекись водорода.

в начало

Исследования дальних планет

Некоторые миссии к другим планетам требуют настолько большой характеристической скорости, что их осуществление по ранее применявшимся схемам с использованием ЖРД приведёт к неприемлемому росту стартовой массы аппарата. Поэтому разрабатываются проекты использования эффективных двигателей малой тяги. Отдельные образцы таких двигателей уже показали в полёте удельный импульс 30000 Н·с/м, а в перспективе смогут обеспечить до 60000 Н·с/м. В качестве источника энергии предполагаются солнечные батареи или ядерный реактор. Обратной стороной использования такого двигателя является малое ускорение, в результате чего на набор существенной скорости затрачиваются многие месяцы. Все известные проекты таких аппаратов предусматривают начало движения с низкой околоземной орбиты.
Несмотря на большой удельный импульс ДУ, такой способ передвижения имеет крупные недостатки.

Разгон в поле тяготения Земли начиная с низкой орбиты требует сравнительно большой характеристической скорости. При разгоне по многовитковой спирали она достигает 7,8 км/с против 3,2 км/с, необходимых для покидания Земли при импульсном разгоне. Она может быть немного уменьшена при реализации сложной спирали, для чего потребуется постоянное управление вектором тяги, либо введением пассивных участков разгона, что сильно увеличит время набора скорости. Последний способ неприемлем при «раскрутке» траектории с низкой орбиты, так как частое включение-выключение двигателей чревато их поломкой, то же можно сказать и о ядерной энергетической установке.
Аппарат длительное время находится в радиационных поясах Земли, что может повредить его аппаратуру. При реализации сложной спирали суммарное воздействие радиации – больше.
Неудобство низкой орбиты: при использовании СБ аппарат имеет высокую парусность, при использовании ядерного источника авария на низкой орбите может повлечь выпадение на Землю радиоактивных обломков и негативную реакцию мирового сообщества.

Эти недостатки легко устраняются, если сообщить аппарату начальный разгон 3-4 км/с. При использовании ОЗС и заправке последней ступени стоимость запуска увеличится в1,6-2 раза, что для подобных миссий не является существенным. Но, с другой стороны, значительно сократится время достижения цели и увеличится запас характеристической скорости, либо КА может быть догружен аппаратурой. Примером такого проекта является аппарат для изучения спутника Юпитера Европы (проект JUMО (NASA) и аналогичные проработки, выполненные рядом российских организаций. Проекты основаны на использовании ионных двигателей и бортовой ядерной энергетической установки. Ниже в таблице приведены данные по двум вариантам перелёта такого аппарата. Первый предполагает выведение аппарата на радиационно-безопасную орбиту высотой 800 км с помощью РН «Ангара 5» и дальнейший разгон с малой тягой (см. «Новости космонавтики», № 1, 2005 г.). Во втором аппарату придаётся начальный импульс 4,43 км/с, старт проводится с базовой орбиты ОЗК (Н=450 км). Стартовые массы аппаратов обоих вариантов равны (для удобства сопоставления возможностей), разгон во втором варианте может быть выполнен последней ступенью РН «Ангара 5», не использующей водорода.

	Использование только ЭРДУ	Дополнительный разгон с заправкой РБ на ОЗК
Мощность ЯЭУ, кВт	100	100
Тяга, гс	329	329
Удельная тяга, с	4500	4500
Начальная масса КА, кг	21450 (Н=800 км)	21450 (Н=450 км)
Характеристическая скорость в сфере действия Земли, км/с	7,0	4,43
Характеристическая скорость, достигаемая с помощью ЭРДУ, км/с	35,4	23,0
Конечная масса, кг	9622	12740
Время перелёта, сут./лет	2791/7,65	< 2000/5,5
Масса научной аппаратуры, кг	1272	4390
Дополнительный груз, кг	-	3118

Начальный разгон с низкой орбиты значительно сокращает время перелёта и время работы ЭРДУ, позволяет в разы увеличить массу доставляемой научной аппаратуры. Вполне вероятно, что только преимущество в сокращении времени перелёта перекроет ~10%-е увеличение стоимости проекта из-за использования возможностей ОЗК.

в начало