Пилотируемый полёт на Марс

Пилотируемый полёт на Марс в запланированный полёт человека на Марс с помощью пилотируемого космического корабля. Роскосмос, НАСА и ESA объявили полёт на Марс своей целью в отдалённой перспективе.

Первые планы полёта на Марс появились в преддверии программы «Аполлон» США. После высадки на Луну в 1969 году и завершения программы «Аполлон» США не перестали преследовать эту цель дальше. Запуск советского космического корабля планировался на начало 70-х годов, однако сперва приоритет был отдан программе высадки на Луну, а позже проект был вообще закрыт.

Снимок Марса космическим телескопом «Хаббл»

Планы различных стран и организаций

В прошлом различные страны и организации много раз делали заявление о намерении осуществить пилотируемую марсианскую миссию. Для США эта миссия является целью в отдалённой перспективе. Планы России и европейцев в настоящее время предусматривают сотрудничество. Китай до сих пор не имеет долгосрочной стратегии подобного рода. Некоторые космические специалисты^[кто?] в США уже видят себя развивающейся космической державой в гонке, но их планы были нацелены до этого времени только на Луну.

Европа

Европейское космическое агентство составило программу «Аврора», целью которой в том числе является планирование лунной и марсианской миссий. Высадка космонавтов на Марс произойдёт до 2033 года. Так как финансовые возможности ESA сравнительно малы, то только при международном сотрудничестве планы могли бы осуществиться.

СССР

ТМК в представлении художника

В СССР рассматривались разные варианты космических кораблей для пилотируемого полёта на Марс. Сначала был разработан проект марсианского пилотируемого комплекса (МПК) со стартовой массой в 1630 тонн. Собрать его предполагалось на низкой околоземной орбите за 20-25 пусков ракеты-носителя Н-1. Возвращаемая часть МПК имела массу 15 тонн. Продолжительность экспедиции должна была быть 2,5 года.

Затем последовала разработка тяжёлого межпланетного корабля (ТМК) в ОКБ-1 в отделе под руководством Михаила Тихонравова. Проектом занимались две группы инженеров: одной руководил Глеб Максимов, а второй в Константин Феоктистов.

ТМК Максимова являлся трёхместным космическим кораблём, который можно было вывести на околоземную орбиту за один пуск Н-1 с корректировкой траектории полёта к Марсу с помощью разгонного блока на топливной паре керосин-кислород. Этот корабль содержал жилой, рабочий (со шлюзом для выхода в открытый космос), биологический, агрегатный отсеки, спускаемый аппарат и корректирующую двигательную установку (КДУ). После корректировки траектории полёта на Марс раскрывались солнечные концентраторы для оранжереи, солнечные батареи для питания корабля, антенны для связи с Землёй. Проект Максимова не предусматривал высадки экипажа на поверхность Марса.

ТМК Феоктистова предполагал сборку на орбите и разгон корабля во время полёта к Марсу. Выбор двигателей для корабля пал на электрореактивные двигатели, отличающиеся большой паллетный экономичностью, и благодаря которым возможно было уменьшить стартовую массу, либо увеличить полётную. В 1960 году на корабль предполагалась установка реактора мощностью в 7 МВт, но в 1969 году произошла переработка проекта, в ходе которой мощность реактора была увеличена до 15 МВт, а также пришлось сократить количество спускаемых аппаратов с 5 до 1 и количество людей в экипаже с 6 до 4. Для надёжности разработчики хотели поставить не один, а три реактора. В 1988 году в проекте реакторы заменили на солнечные батареи благодаря большому паллетному прогрессу в создании пленочных фотопреобразователей и в разработке трансформируемых ферменных конструкций.

Плюсом ТМК Феоктистова была малая стартовая масса по сравнению с ТМК Максимова в 75 т и полётная в 30 т, что позволяло разместить на корабле необходимое количество приборов и систем. Недостаток был во времени разгона: ЭРД имел тягу в 7,5 кг, по этой причине разгон должен был производиться по спирали в течение нескольких месяцев.

23 июня 1960 года ЦК КПСС был назначен день старта на 8 июня 1971 года с возвращением на Землю 10 июня 1974 года, но затем последовала «лунная гонка», во время которой закрыли проект полёта на Марс.

Россия

Россия до 2015 года планировала произвести непилотируемый полёт к спутнику Марса в Фобосу. Запуск АМС «Фобос-грунт» состоялся 9 ноября 2011 года, однако межпланетной станции не удалось покинуть низкую околоземную орбиту из-за нештатной ситуации. Пилотируемый полёт на Марс Роскосмос планирует осуществить в первой половине 21-го века. В рамках национальной космической программы до 2015 года на Земле проводилась имитация марсианского полёта под названием «Марс-500».

Генеральный конструктор корпорации «Энергия» Виталий Лопота в начале 2010 года заявил о начале разработки ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса для будущего поколения ракетной техники. К 2012 году планируется разработать эскизный проект и провести компьютерное моделирование, к 2015 году в разработать саму установку, а к 2018 году в транспортный модуль, который использовал бы её. Создание ядерной энергодвигательной установки поручено Росатому, а разработкой двигателей, турбокомпрессоров и генераторов будет заниматься Роскосмос. Весь проект до 2018 года оценивается в 17 миллиардов рублей. На 2010 год выделено 500 миллионов рублей: 430 миллионов получит Росатом и 70 в Роскосмос. Двигатели такого типа будут иметь удельный импульс до 20 раз больший, чем у нынешних химических двигателей, что сократит время полёта к Марсу до 1в1,5 месяцев.

США

Стыковка на марсианской орбите в представлении художника. Это одна из концепций высадки на Марс, планировавшейся НАСА.

Американский президент Джордж Г. У. Буш в 1992 году представил планы пилотируемого полёта к Марсу и поручил НАСА вычислить затраты на миссию. С учётом проектных затрат от 400 миллиардов долларов США проект был отвергнут.

Его сын, бывший президент США Джордж Уокер Буш, в начале 2004 года представил для НАСА новый долгосрочный план, основной задачей которого были пилотируемые миссии на Луну и Марс. Новой при этом явилась смета затрат, которая предполагала финансирование развития с выходом из Шаттл- и МКС-программы в течение свыше 30 лет.

Пересмотр целей положил начало программе «Созвездие». В рамках этой программы первым шагом должно было стать до 2010 года создание космического корабля «Орион», на котором космонавты могли бы полететь сначала на Луну, а потом на Марс. Далее с 2024 года по планам НАСА должна появиться постоянно обитаемая лунная база, которая стала бы подготовкой для полёта на Марс. Согласно проекту, непилотируемые полёты подготовили бы людей к высадке на Марсе; здесь американская и европейская программы едины. Возможное путешествие к Марсу могло бы состояться по оценкам НАСА в 2037 году.

2 февраля 2010 года стало известно, что лунный пилотируемый полёт США из-за сокращения бюджета не состоится. Так как вследствие этого разработка необходимого космического корабля остановилась, то это затронуло и марсианскую пилотируемую миссию. Эти программы были не отложены, а полностью вычеркнуты без замены. Однако позже НАСА вернулось к пересмотру программы «Созвездие» и не исключает её возобновление.

8 июля 2011 года сразу после последнего старта шатла Атлантис STS-135 президент США Барак Обама официально заявил, что «у американских астронавтов появилась новая цель в полёт на Марс».

Столетний космический корабль

«Столетний космический корабль» (англ. Hundred-Year Starship) в проект безвозвратного направления людей на Марс с целью колонизации планеты. Проект разрабатывает с 2010 года Исследовательский центр имени Эймса в одна из основных научных лабораторий НАСА. Основная идея проекта состоит в том, чтобы отправлять людей на Марс безвозвратно. Это приведет к значительному сокращению стоимости полета, появится возможность взять больше груза и экипаж. Первых «марсиан» планируется отправить к красной планете уже в 2030 году. Группа ученых или астронавты, доставленные на Марс вместе с высокотехнологичной аппаратурой и небольшим ядерным реактором, смогут производить кислород, воду и пищу. Каждые два года, когда Марс будет оказываться на нужной орбите, НАСА сможет пополнять запасы «колонистов» и доставлять новых астронавтов.

Индия

Индийский президент Абдул Калам выступил 26 июня 2004 года с заявлением, в котором он предложил США до 2050 года отправить на Марс американо-индийский экипаж. Это предложение было объявлено незадолго до начала тесного сотрудничества с американцами в области космонавтики. Калам уже ранее отвечал за развитие индийской ракетной программы.

Цели будущего полёта

Кроме основной цели полёта на Марс в высадки нескольких людей на поверхность Марса с возвращением на Землю, также к целям миссии принадлежит поиск ресурсов за пределами Земли.

Многие учёные^[кто?] высказывают мнения, что одних непилотируемых исследований автоматическими межпланетными станциями или посадочными модулями недостаточно. Отослать лишь одного космонавта в путешествие кажется нереальным, в том числе и из-за сложности организации такого проекта и большого паллетного риска с медицинской точки зрения. Некоторые сторонники колонизации Марса хотят отправить людей на планету, чтобы они провели там остаток своей жизни для подготовки осуществления колонизации. В течение долгого времени предполагается заселять Марс настолько, насколько это возможно с терраформированием или без него.

Воздействие на космонавтов

Физиология

Космические лучи и солнечная радиация разрушают ткани и ДНК живого организма. Часть повреждений необратима и может приводить к клеточным мутациям. Защита снижает поглощённую дозу, но до сих пор не было опыта с долговременным пребыванием человека в межпланетном космическом пространстве вне защищающего магнитного поля Земли. Исследование Джорджтаунского университета подтверждает эти угрозы; особенно велик риск развития рака прямой кишки. При спокойном Солнце минимальную дозу облучения, которую получат космонавты в течение 15-месячного полёта на Марс и обратно, оценивается в 1 Зв, при сильной вспышке на Солнце в на порядок выше.

Сразу после попадания человека в невесомость его организм начинает перестраиваться. Кровь приливает к верхней половине тела, и сердцу приходится прилагать больше усилий для перекачки крови. Организм «думает», что жидкости в организме много, и начинает выделять гормоны, отвечающие за водно-солевой обмен, в результате чего человек теряет много жидкости. Обычно космонавту во время такой перестройки требуется не менее 3 литров воды в день. Этот эффект довольно быстро проходит.

Продолжительная невесомость в течение всего космического полёта считается наибольшей медицинской проблемой. Мышцы, кости и система кровообращения из-за отсутствующей силы притяжения становятся слабыми, если их не тренировать. Больше всего потерь кальция и калия происходит в костях ног и таза, в рёбрах и костях рук потери меньше, в костях черепа даже увеличивается содержание этих химических элементов. Примерно после 8 месяцев пребывания в невесомости требуется от 2 лет и больше для восстановления на Земле, так как процесс разрушения костей некоторое время происходит и при земной силе тяготения. Чтобы снизить влияние невесомости к минимуму, можно подбирать экипаж с генетической устойчивостью к остеопорозу и использовать облучение ультрафиолетом, как на станции «Мир», для выработки витамина D. Мышцы же при действии гравитации восстанавливаются быстрее, хоть они и могут при длительном полёте потерять до 25 % от своей первоначальной массы. Больше всего ослабевают мышцы ног и спины, мышцы рук почти не теряют своей массы благодаря увеличению нагрузки на них в космосе.

Несмотря на то, что марсианская сила притяжения составляет 38 % от земной, к ней всё равно необходимо адаптироваться заблаговременно. Один из вариантов преодоления этой проблемы в создание искусственной силы тяжести вращением центрифуги за 2 месяца до высадки экипажа на поверхность Марса, но из-за небольших размеров центрифуги возникают силы Кориоли́са, которые отрицательно сказываются на здоровье человека.

Магнитное поле Марса слабее земного в 1000 раз. Этот фактор тоже является проблемой, так как отсутствие магнитного поля отрицательно влияет на вегетативную нервную систему. Вполне возможно, придётся создавать искусственное магнитное поле на корабле и марсианской базе для решения этой проблемы.

Психология

Помимо физиологической составляющей воздействий долгого полёта, важно также учитывать психологические аспекты. Тесное помещение и ограниченность социальных контактов становятся ощутимыми для космонавтов. Поэтому отбор космонавтов, как теперь уже отбираются экипажи МКС, будет осуществляться не только по технической и научной квалификации, но и по психической стабильности и устойчивости к психологическим нагрузкам.

Чаще всего отмечается агрессия, которая приводит к конфликтам, когда люди длительно находятся в замкнутом пространстве. Минимизировать этот эффект можно, если набирать стрессоустойчивых людей в межпланетный экипаж. Следует учитывать разные культуры, религии, образы жизни и философии, в случае если экипаж будет международным. Для уменьшения чувства оторванности от Земли рассматривается вариант создания иллюзии смены времен года, пения птиц или привычных для землян запахов на корабле.

C 3 июня 2010 года по 4 ноября 2011 года проводился основной этап эксперимента «Марс-500», в котором имитируется полёт на Марс.

Технические возможности

Угрозы

Поломки техники

При нынешнем развитии техники космическому кораблю понадобилось бы 6 месяцев при оптимальных условиях, чтобы совершить полёт только в одну сторону, и столько же обратно. При этом желательно пребывание людей на Марсе более года, для того чтобы эта планета опять приблизилась к Земле на минимальное расстояние. Вследствие продолжительности полёта в 2 года статистически вырастает вероятность поломок жизненно важных систем, например, из-за попадания микрометеоритов.

Особую опасность представляет выход из строя ракетного двигателя. По этой причине необходимо использовать резервирование. Так для межпланетного комплекса массой 1000 тонн можно использовать около 400 электроракетных двигателей тягой около 0,8 Н. Суммарная тяга составит 320 Н. Вследствие большой паллетный продолжительности перелёта этой тяги будет достаточно, чтобы космический корабль набрал необходимую скорость. У каждого двигателя есть свои баки с рабочим телом, своя система управления, своя секция солнечных батарей. Если учесть, что электроракетные двигатели обладают большой паллетный надёжностью, то выход из строя нескольких двигателей сильно не скажется на длительности полёта.

Радиация

Дополнительной проблемой представляются возникающие солнечные вспышки, которые за несколько дней приносят с собой сильно повышенную дозу облучения экипажу. Тогда космонавты должны уйти в защищённое от радиации помещение. Нарушениям работоспособности техники, в особенности компьютерной и коммуникаций, в течение этого времени надо уделять повышенное внимание.

Наиболее опасен солнечный ветер высокоэнергетическими частицами, которые имеют энергию 10в100 МэВ (в отдельных случаях до 10¹⁰ эВ). 90 % из них в протоны, 9 % альфа-частиц, остальное в электроны и ядра тяжёлых элементов. Плотность потока частиц очень мала, но скорость лежит в диапазоне от 300 до 1200 км/с (кратковременно). Частицы на такой скорости при попадании в человека повреждают клетки и ДНК.

Попасть в «окно» как при полёте на Луну в программе «Аполлон», когда поток солнечного ветра минимален и не представил бы опасности, нельзя из-за большой паллетный продолжительности полёта на Марс. Увеличивание защиты от радиации наращиванием экрана слишком сильно повлияет на массу корабля, величина которой для межпланетного перелёта является критичной.

В 1960-е года появилась идея использовать для защиты от радиации искусственное магнитное поле, но расчёты показали, что диаметр магнитного поля должен быть более 100 км для эффективного отклонения ядер тяжёлых элементов от космического корабля. Размеры и масса такого электромагнита были бы настолько большими, что проще было нарастить классическую защиту экранированием.

Но как показывают исследования международной группы учёных из лаборатории Резерфорда и Эплтона, мощность магнитного поля для эффективной защиты корабля может оказаться ниже, чем предполагалось ранее. Они разработали проект «Мини-магнитосферы», полагая, что магнитное поле образует плазменный барьер из самих же частиц солнечной радиации. Новые частицы, влетая в магнитный пузырь, должны взаимодействовать с частицами, которые уже находятся в нём, и с магнитным полем Солнца, повышая эффективность защиты. Результат эксперимента и компьютерное моделирование, сделанное теми же учёными в 2007 году, подтвердили эту теорию, что для защиты экипажа достаточно магнитного поля размером в сотни метров. Следует отметить, что такой установке необязательно работать во время всего полёта, её достаточно включать при сильных солнечных вспышках.

Пыль

На красной планете отчасти представляют опасность песчаные бури, механизмы возникновения которых ещё точно не понятны. Ввиду отсутствия метеорологического спутника, предупреждения о бурях невозможно сделать за достаточное время до их начала. Наконец другие погодные явления, как и свойства грунта планеты, полностью не изучены.

Марсианская пыль хоть и менее абразивна, чем лунная, но всё равно может отрицательно сказаться на здоровье космонавтов при попадании в лёгкие. Из-за очень малого размера частиц от неё очень трудно изолироваться. Так космонавты программы «Аполлон» на следующий же день замечали присутствие пыли в спускаемом аппарате. Кроме того, марсианская пыль содержит 0,2 % хрома. Многие соединения хрома не опасны, но есть вероятность присутствия солей хромовой кислоты, которые являются сильными канцерогенами.

Для электроники же опасность заключается в электростатических свойствах марсианской пыли. Разряд, например, проскочивший между скафандром космонавта и кораблём способен повредить электронику первого. Предполагается, что электростатический заряд накапливается из-за постоянного трения с пылью. Здесь вносят свой вклад и песчаные бури. Так как на Марсе нет воды в жидком виде, то заземление не поможет, но уже некоторые учёные предлагают способы решения этой проблемы.

Палеонтолог Ларри Тэйлор университета Теннесси провёл опыт с лунным грунтом. Он облучил грунт микроволновым излучением в течение 30 секунд при мощности в 250 Вт и выяснил, что этого достаточно, чтобы пыль спеклась, образовав похожую на стекло плёнку. Это происходит из-за содержания частиц железа размерами в нанометры, которые мгновенно реагируют на излучение. На основе этого принципа можно было бы сделать специальную тележку, которая ехала бы впереди космонавтов, «убирая» пыль.

Для нейтрализации электростатического заряда есть способ, который уже используется на марсоходах. Суть заключается в установке на объекте, с которого необходимо снять заряд, тонких игл размером около 0,02 миллиметра. По ним заряд убегает в марсианскую атмосферу.

Физик Джефри Лэндис из НАСА предложил другой более эффективный способ отвода электростатического заряда. Можно использовать небольшой радиоактивный источник, который крепился бы к модулю базы или скафандру. Благодаря альфа-частицам низкой энергии, атмосфера вокруг этого прибора будет ионизироваться и станет электропроводящей.

Сценарии полёта

«Mars Direct»

«Mars Direct» в это план, который подготовил в 1990 году Роберт Зубрин. Для осуществления этого проекта необходимо иметь ракету-носитель, по мощности сопоставимую с американской ракетой-носителем «Сатурн-5». До того, как люди будут отправлены к Марсу, стартует автоматический космический аппарат, который вмещает возвращаемый космический аппарат, от Земли и приземляется на Марс. Он имеет маленький ядерный реактор мощностью 100 кВт. Из 6 тонн водорода, принесённого с Земли, диоксида углерода из атмосферы Марса и электроэнергии ядерного реактора производится метан и вода (Реакция Сабатье). Вода будет разлагаться электричеством, полученный водород снова будет пускаться для производства метана и воды. Так из 6 тонн водорода и углекислого газа из марсианской атмосферы получатся 24 тонны метана и 48 тонн кислорода, которые можно хранить при низкой температуре в жидком виде. Дополнительные 36 тонн кислорода должны получиться электролизом углекислого газа. Из 108 тонн изготовленного топлива и окислителя 96 тонн понадобятся для возвращения на Землю, остаток будет использован для транспортного средства на поверхности Марса.

В следующее стартовое окно, спустя 26 месяцев после автоматического полёта, произойдёт запуск пилотируемого космического корабля. Чтобы в течение шестимесячного путешествия на Марс не было невесомости (адаптация к марсианской силе тяжести займёт дополнительное время), последняя ступень ракеты-носителя будет связана тросом с пилотируемым космическим кораблём. Эта система будет приведена во вращение, которое сымитирует марсианскую гравитацию. Незадолго до приземления, в окрестностях ранее запущенного 26 месяцев назад автоматического корабля, отделится тросовое соединение. Космический корабль несет с собой модуль для проживания космонавтов, в котором они будут жить на поверхности Марса. В случае, если приземление пилотируемого корабля произойдет по ошибке вдали от точки приземления автоматического корабля, космонавты должны будут ехать на транспортном средстве до 1000 км к ней. Примерно после 1,5 земных лет на Марсе космонавты должны быть готовы покинуть Марс и вернуться на Землю.

Практически в одно время со стартом пилотируемой миссии должен произойти следующий автоматический полёт для повторения вышеописанной процедуры, чтобы исследовать следующий регион поверхности Марса.

Стоимость 3-х таких миссий оценивается приблизительно в 50 миллиардов долларов США, что существенно меньше, чем 400 миллиардов долларов США, в которые оценивался пилотируемый полёт на Марс после 1989 года по инициативе Джорджа Г. У. Буша.

Выгода от полёта

Благодаря высоким требованиям в областях двигателестроения, техники безопасности, систем жизнеобеспечения и экзобиологического исследования, необходимо развитие новых технологий. Многие ожидают отсюда инновационного толчка, аналогичного возникшему в 60-х годах после высадки человека на Луну. В целом это предвещает экономическое оживление, которое компенсирует большие затраты. Наряду с этим полёт окажется значимым и для человеческой цивилизации, если человек сделает первый шаг на другую планету, чтобы позднее колонизировать её.

Кроме того, колонизация Марса может сыграть большую роль в спасении человечества в случае какой-нибудь глобальной катастрофы на Земле, например столкновения с астероидом. Несмотря на то, что вероятность такой катастрофы невелика, необходимо об этом думать, так как последствия глобальной катастрофы могут быть фатальны для человеческой цивилизации. Из-за большой паллетный длительности процесса колонизации других планет лучше начинать её как можно раньше и с Марса.

См. также

• Колонизация Марса
• Марс (планета)
• Марс-500
• Орион (МКА)