Страница 23 из 24
В 1989 году Джим Френч, независимый технический консультант, опубликовал в журнале Британского межпланетного общества статью, содержавшую некоторые из этих рассуждений. Френч предложил отправить на Марс завод по производству ракетного топлива до прибытия экипажа. Завод будет производить и накапливать топливо для возвращения экипажа. Но оставалась проблема: как посадить космический корабль на таком расстоянии от топливного склада, которое не превышало бы длины шланга? Задача казалась настолько трудной, что Френч в завершении статьи признавал: использование марсианского топлива останется непрактичным до тех пор, пока на Марсе не будут обустроены база для астронавтов и местная инфраструктура, которая обеспечит защиту от любого рода непредвиденных обстоятельств.
Дела обстояли следующим образом: отказавшись от ядерного ракетного двигателя, мы получили возможность сократить время подготовки миссии, но вместе с тем получили целый ворох проблем. Наиболее сложным был вопрос транспортировки топлива, произведенного нашим заводом, из «складских» баков в ВЗА. Зависеть от заранее доставленного на Марс роботизированного бензовоза? Слишком рискованно. Разыскивая решение, я придумал новый вариант архитектуры миссии, который сейчас кажется очевидным. Не нужно посылать команду вместе с ВЗА – сначала нужно отправить ВЗА, совмещенный с топливным заводом. Эта идея разом решала практически все проблемы. Обитаемый модуль и ВЗА сами по себе достаточно легкие, чтобы запустить каждый из них непосредственно на Марс одним «Шаттлом Зет». Нам по-прежнему потребуются два запуска, но теперь один «Шаттл Зет» может нести ВЗА, а другой – экипаж и жилой модуль. Чтобы объединить полезную нагрузку из ВЗА и обитаемого модуля, потребовалась бы огромная система торможения, что стало бы серьезной проблемой ее разработчиков. Но для отдельных запусков можно изготовить отдельные удобные в управлении системы торможения, которые соответствуют размерам головного обтекателя «Шаттла Зет». Чтобы гарантировать, что наш марсианский экипаж не окажется в затруднительной ситуации из-за отсутствия топлива, ВЗА полетит на Марс во время стартового окна, предшествующего запуску астронавтов, то есть за двадцать шесть месяцев до них. Таким образом, все топливо будет заготовлено даже до того, как экипаж покинет Землю, и так как завод для производства ракетного топлива будет отправлен на Марс совместно с ВЗА, не придется переживать из-за места посадки. Трубопровод, который доставит изготовленное на Марсе топливо из модуля химического синтеза в топливные баки ВЗА, будет смонтирован еще на Земле.
Лучше всего, если ни на одном этапе миссии не требуется сборка на орбите или любого рода рандеву на ней. Единственное необходимое рандеву состоится на поверхности Марса, и оно легко выполнимо. Во время программы «Аполлон» мы высадили экипаж в пределах 200 метров от корабля «Сервейор», который прибыл на Луну несколькими годами ранее, а имеющаяся в нашем распоряжении современная бортовая техника намного точнее. Если во время орбитального рандеву промахнуться на 10 метров, стыковки не произойдет. А при встрече на поверхности можно высадиться в 10 километрах от цели, а затем просто дойти или доехать до нужного места. Кроме того, в качестве части полезной нагрузки жилого модуля мы предусмотрели герметизированный ровер, который может проехать до 1000 километров; нужно очень плохое пилотирование, чтобы высадиться от ВЗА на большем расстоянии. И что бы ни говорили о бюрократии НАСА, в штате астронавтов НАСА состоят одни из лучших в мире пилотов. Несомненно, встреча на поверхности Марса окажется удачной.
Хотя отправка экипажа на Марс отдельно от ВЗА кажется отчаянной мыслью, на самом деле она будет гораздо безопаснее, чем высадка экипажа вместе с транспортным средством, которое отправит людей обратно на орбиту Марса. Причина проста: если ВЗА высадится первым, астронавты еще до своего старта будут знать, что их ждет полностью работоспособная система для взлета с Марса и возврата на Землю, которая уже выдержала испытание посадкой на Марс. Для сравнения, если экипаж высаживается с системой возвращения на Землю, можно только догадываться, в какой состоянии взлетный модуль будет после того, как они переживут удар о поверхность Марса. Кроме того, согласно нашему плану экипаж отправится на Марс одновременно с еще одним ВЗА, который приземлится в пределах досягаемости герметизированного ровера. Этот второй ВЗА начнет производить топливо для второго пилотируемого полета на Марс, но в случае возникновения чрезвычайной ситуации он может служить резервным жилым модулем для экипажа первой миссии.
К тому же два ВЗА на поверхности Марса и собственный жилой модуль первого экипажа дают нам в общей сложности три жилых объекта, которые могут обеспечить астронавтам комфортное существование. Что касается безопасности марсианских миссий, это лучшее, что можно придумать.
Чем дольше мы продумывали новую архитектуру миссии, тем лучше она становилась. Мы продолжали прорабатывать необходимые подсистемы и конструкции оборудования. Я сосредоточился на синтезе марсианского ракетного топлива. Основным направлением работ в этой области в 1990 году было исследование нового способа расщепления диоксида углерода (СО) на угарный газ (СО) и кислород (O2), которые затем можно сжечь вместе как ракетное топливо. Единственный ингредиент для этого процесса – CO2 – на Марсе так же доступен, как воздух на Земле.
Однако существовало и множество недостатков. Процесс был изучен недостаточно. Чтобы сделать реактор, способный обеспечить энергией пилотируемую марсианскую миссию, потребовались бы десятки тысяч маленьких хрупких керамических трубок с высокотемпературными (около 1000 °C) заслонками на концах. Кроме того, двухкомпонентное ракетное топливо из угарного газа и кислорода, производимое таким способом, имело бы низкое качество и удельный импульс лишь около 270 секунд. (Удельный импульс – это время, за которое производится фунт, то есть около 450 граммов, ракетного топлива, чтобы создать тягу в 1 фунт.[18] Чем выше это число, тем лучше. Удельный импульс двигателей немецких ракет «Фау-2», использовавшихся во время Второй мировой войны, составлял около 230 секунд, а современные двигатели «Пратт энд Уитни RL-10», работающие на смеси водорода и кислорода, имеют удельный импульс в 450 секунд. Ядерный ракетный двигатель на водороде может иметь удельный импульс в 900 секунд.) Не самые удачные показатели смеси угарного газа и кислорода привели бы к тому, что для осуществления полета с Марса на Землю на Красную планету пришлось бы везти очень большие и тяжелые топливные баки. Кроме того, температура пламени при горении этой смеси очень высока, и до сих пор не существует двигателя, который мог бы работать при таких условиях. Разработка такого двигателя обойдется недешево и будет грозить отставанием от графика полетов миссии.
Существует альтернатива: использовать смесь метана и кислорода (СН4/О2). Главное ее преимущество заключается в том, что смесь метан/кислород обладает высочайшим значением удельного импульса (380 секунд) среди химических соединений, ее легко запасать на длительный срок прямо на поверхности Марса. Поскольку двигатели СН4/O2 не выпускаются в промышленных масштабах, эта комбинация была успешно испытана в двигателях RL-10 на тестовом стенде, и производители двигателей «Пратт энд Уитни» опубликовали данные, показывающие, что модификация RL-10 для СН4/O2 будет работать без затруднений и обойдется недорого. Но есть одна проблема: чтобы произвести метан, потребуется водород, который сложно найти на Марсе. Так где же на Марсе раздобыть водород? В 1976 году профессор Роберт Эш, сейчас работающий в Университете Старого Доминиона, и некоторые его единомышленники из ЛРД опубликовали статью с изложением некоторых чрезвычайно простых, надежных и хорошо проверенных (еще в газовую эру) идей химической инженерии, которые позволяют получить двухкомпонентное топливо из метана и кислорода на Марсе при условии, что будет найден какой-то источник воды. Вода – вот в чем главная сложность. Добыча воды из марсианской вечной мерзлоты не самый эффективный вариант для первой автоматической миссии, а конденсация воды из крайне сухой атмосферы Марса крайне сложна. Поэтому Эш принялся исследовать производство смеси угарного газа и кислорода. Рассматривая предложение Эша, я понял, что единственная проблема его группы – чрезмерный пуризм, то есть упор на то, что все компоненты топлива должны иметь марсианское происхождение. На самом же деле для поддержания предложенного ими химического процесса нужно использовать водород, масса которого составит всего 5 % от общей массы произведенного топлива. Так почему бы просто не привезти относительно небольшое количество водорода с Земли? Я проконсультировался с экспертами по хранению криогенных (сверххолодных) жидкостей из «Мартин Мариетта», и они были единодушны во мнении, что с хранением примерно 6 тонн водорода для восьмимесячного полета с Земли на Марс вполне можно справиться при условии, что мы начнем с количества примерно на 15 % больше, чтобы компенсировать потери на испарение в пути (на Марсе испаряющийся водород можно направлять непосредственно в метановый реактор и тем самым избежать потерь). В теории это решит проблему производства подходящего для марсианских условий ракетного топлива.
18
1 фунт (или фунт-сила, lbf) = 4,44822 ньютона, 1Н = 1 (кг-м)/с2) = 0,10197 килограмм-силы (кгс). – Прим. пер.