Притяжение Марса

Юрий Зайцев, действительный академический советник Академии инженерных наук РФ, для РИА Новости.

Часть I

В том, что полет человека на Марс состоится, сомнений нет. Доподлинно известна и его продолжительность - по наиболее оптимальной траектории 350 суток туда, столько же обратно, плюс 20-30 суток пребывания космонавтов на марсианской поверхности. Но когда это случится, определенно сказать трудно.

Глава Департамента оборонно-промышленного комплекса Минпромэнерго Юрий Коптев считает: "лететь можно хоть завтра - технические возможности позволяют. Концепция такой экспедиции в нашей стране прорабатывается с 1960 г., и многое уже сделано", - подчеркивает он. Экс-президент РКК "Энергия" Николай Севастьянов полагает, что марсианский проект может быть реализован после 2025 г. в три этапа: отработка межпланетного экспедиционного комплекса в полете вокруг  Луны, затем - пилотируемая экспедиция с облетом Марса и, наконец, пилотируемая миссия  с посадкой  экипажа на марсианскую поверхность.

Руководитель Роскосмоса Анатолий Перминов заявил: "полет на Марс  мы планируем после 2035 г.". Точку, очевидно, поставит руководство страны: до конца года правительство должно  утвердить "Программу развития космической отрасли до 2040 г.". Тем не менее, работы "в марсианском направлении" уже ведутся и выполняются они в рамках действующей Федеральной космической программы.

Надо заметить, что в последние годы "марсостремительные" настроения овладели многими странами. Американцы хотят начать полет на Марс, стартуя с Луны. По энергомассовым показателям это более затратный вариант: нужно сначала доставить элементы марсианского экспедиционного комплекса к Луне с мягкой посадкой на ее поверхность, собрать их там, а затем стартовать, преодолевая лунное тяготение. Российский вариант предусматривает старт к Марсу с околоземной орбиты. Сроки реализации обоих проектов совпадают - после 2035 г. Первый же европеец намерен прогуляться по Красной планете уже в 2024 г., что представляется маловероятным. Едва запустив в 2003 г. первого тайконавта, заявил о марсианских амбициях и Китай.

В 2005 г. российские специалисты подготовили проект "Пилотируемая экспедиция на Марс". Как считает один из разработчиков проекта, главный конструктор Центра Келдыша Виталий Семенов, работы по межпланетному экспедиционному комплексу выявили важное обстоятельство: сроки и затраты на реализацию марсианской миссии определяются, в основном, типом двигательной установки.

Удельная тяга, то есть отношение силы тяги к секундному расходу топлива, - важнейшая характеристика любого ракетного двигателя. Чем выше скорость истечения газов, тем большая реализуется тяга при одинаковом расходе топлива, соответственно, растет и экономичность двигателя. Несмотря на доведенную до совершенства технологию существующих химических ракетных двигателей, невысокий предел скорости истечения продуктов горения в них становится той стеной, которую нельзя пробить... Но можно «объехать».

Чем же предлагается заменить обычные ракетные двигатели? Например, нагреть до высокой температуры сверхлегкие газы (водород, гелий, метан) и заставить их течь через сопло в два - два с половиной раза более высокими, чем у химических ракетных двигателей, скоростями. Это можно сделать с помощью либо компактного ядерного реактора, либо нагревательного элемента, работающего от солнечных батарей. Ядерные ракетные двигатели для пилотируемых экспедиций на Марс активно разрабатывались и в СССР, и в США еще в 1960-1970 годы, однако работы были остановлены на фазе наземных испытаний.

Еще более экономичны и "быстры" плазменные и ионные электрореактивные двигатели. В них поток заряженных частиц разгоняется до высоких скоростей с помощью электромагнитного поля, почти как в ускорителе заряженных частиц. Определяющим их тягу параметром также оказывается мощность энергоустановки, создающей это поле и разгоняющей частицы.

Россия располагает уникальным опытом создания и эксплуатации реакторных энергоустановок в космосе. В период с 1970 по 1988 г. состоялись запуски в общей сложности 32 космических аппаратов с ядерными энергоустановками и термоэлектрическим преобразователем мощностью 3 и 5 кВт. Большинство этих аппаратов выполняло разведывательные функции и находилось в активированном состоянии на низких околоземных орбитах по нескольку месяцев. Для сравнения: единственный американский аппарат с атомным реактором SNAP 10А и термоэлектрическим преобразователем мощностью около 0,5 кВт был запущен США в 1965 г. Но он проработал только 43 дня, хотя до сих пор находится на орбите уже в качестве космического мусора. Затем работы по ядерной энергетике в космосе в Америке перешли в теоретическую плоскость и были возобновлены лишь в 2002 г.

Умеют в России делать и так называемые "стационарные плазменные двигатели" (СПД), имеющие на порядок большую удельную тягу, чем традиционные химические. Первые испытания в космосе СПД прошли  в 1972 г. на российском метеорологическом спутнике "Метеор", а штатная эксплуатация серийных образов была начата в 1982 г. на геостационарных спутниках для коррекции их орбиты.

В настоящее время практически все страны, включая ведущие космические державы, активно используют на своих аппаратах российские электрореактивные двигатели разного типа. Мощность этих двигателей такова, что они могут корректировать орбиту как по долготе, так и по наклонению. Более того, способны обеспечивать межорбитальные перелеты по энергетически оптимальным многовитковым траекториям, например с низкой орбиты на геостационарную, а также служить средством межпланетной транспортировки.

В ходе подготовки проекта "Пилотируемая экспедиция на Марс" разработчики рассмотрели жидкостные ракетные двигатели на кислороде и водороде; ядерные ракетные двигатели с жидким водородом в качестве рабочего тела; ядерную (ЯЭУ) и солнечную (СЭУ) энергоустановки для питания электрореактивных двигателей. В качестве базовой выбрана СЭУ с тонкопленочными элементами на основе аморфного кремния.

В перспективе рассматривается и применение по мере готовности ЯЭУ. Основная проблема в их использовании - обеспечение ядерной и радиационной безопасности на всех этапах эксплуатации, включая аварийные ситуации, что требует проведения дальнейших исследований.

При этом  как-то забывается, что, помимо создания самого межпланетного корабля и двигательных установок для осуществления дальнего космического перелета существуют еще множество других проблем, в том числе физиологического и психологического свойства, которые предстоит разрешить, прежде чем человек отправится в межпланетный полет. Но это уже тема отдельного разговора.

Часть II

С технической точки зрения полет человека на Марс представляется на нынешнем этапе развития космонавтики не более сложным мероприятием, чем в свое время экспедиция на Луну. Специалисты считают, что сама техника практически готова к организации первой межпланетной экспедиции. Но прежде чем марсианская пилотируемая миссия состоится, ученым предстоит решить многочисленные медико-биологические проблемы. Более того, сегодня уже очевидно, в разработке стратегии марсианского проекта человеческий фактор будет главным приоритетом, а человек - наиболее уязвимым звеном миссии, в значительной степени определяющим саму возможность ее реализации.

Медико-биологическое обеспечение марсианской пилотируемой экспедиции является новой задачей для ученых. Использование многих хорошо себя зарекомендовавших принципов, методов и средств медико-биологического обеспечения орбитальных пилотируемых полетов для марсианской миссии неприемлемо. Среди особенностей межпланетного полета - в частности, иные условия коммуникации с Землей, чередование гравитационных воздействий и ограниченный период адаптации к гравитации перед началом деятельности на поверхности Марса, повышенная радиация, отсутствие магнитного поля.

Выполненный еще в конце прошлого века 438-суточный орбитальный полет на станции "Мир" врача-космонавта Валерия Полякова показал отсутствие принципиальных медико-биологических ограничений для длительных космических миссий. В настоящее время не выявлено существенных изменений в организме человека, которые могли бы препятствовать дальнейшему планомерному увеличению продолжительности космических полетов и выполнению марсианской экспедиции, - подчеркивает директор Института  медико-биологических проблем академик Анатолий Григорьев.

Иное дело проблема защиты космонавтов от галактического и солнечного космического излучения, которые значительно возрастут за пределами земной магнитосферы. За два года полета суммарная доза радиации может в два раза превысить допустимую. Поэтому предстоит разработать специальную противорадиационную защиту. В настоящее время разработчики склонны отдать приоритет конструкционной защите: баки с топливом, водой и другими запасами располагаются вокруг жилого отсека. При этом обеспечивается защита примерно в 80-100 г/см2.

Космонавты могут серьезно облучиться и когда будут находиться на поверхности Марса. Измерения, выполненные российским прибором ХЕНД, установленным на американском аппарате Mars Odyssey, показали, что во время солнечных вспышек интенсивность потока нейтронов, отраженных от поверхности планеты, может возрастать в несколько сотен раз и достигать смертельных для космонавтов доз. Следовательно, они могут высаживаться на марсианскую поверхность только в периоды солнечного "затишья".

Другая проблема - питание космонавтов. Казалось бы, практика отработана годами. Экипаж космического корабля ждут те же, что и сегодня, сублимированные (высушенные) продукты. Достаточно добавить воды, разогреть - и на стол. Однако, как бы ни были хороши и вкусны эти продукты, их необходимо разнообразить более привычной пищей. Идея завести на корабле птиц, чтобы космонавты питались яйцами, отпала. Как показали эксперименты, новорожденные птенцы так и не смогли адаптироваться к невесомости. Проще оказалось с рыбами и моллюсками, но они растут слишком медленно, и вряд ли космонавты смогут питаться свежей рыбой на пути к Марсу. Что можно сказать с полной уверенностью - на борту межпланетного корабля будет оранжерея. Правда, небольшая.

Специалистами Института медико-биологических проблем сконструирован прототип "космического огорода". Он представляет собой цилиндр, в котором помещена связка валиков, пропитанных удобрениями. Внутренняя его поверхность покрыта сотнями красных и синих диодов, играющих роль солнечных лучей. Валики поворачиваются по мере роста растений, приближая их верхушки к источнику света. Пока на одних валиках зелень только прорастает, с других уже можно снимать урожай. Опытный образец установки позволяет получать около 200 граммов зелени каждые четыре дня. С увеличением числа валиков и источников света производительность машины возрастает. Помимо обеспечения едой "космическое сельское хозяйство" поможет решить и проблему регенерации атмосферы на борту межпланетного корабля.

Далее, - проблемы воды. Подсчитано, что в сутки космонавту требуется 2,5 литра воды. Так что несколько ее тонн на борту должно быть. Часть воды с помощью систем регенерации будет возвращаться в оборот. Идеальный вариант - создание на корабле замкнутых физико-химических систем, с помощью которых достигается полный круговорот веществ. Но, по-видимому, это - дело достаточно отдаленного будущего.

Есть задачи и психологического характера. Из-за большого расстояния до Марса радиосигнал только в одну сторону будет распространяться 20-30 мин. Центру управления просто не хватит времени, чтобы вмешаться при возникновении нештатных ситуаций. Земля, в лучшем случае, станет консультантом, а основной процесс принятия решений переместится на борт корабля.

И, прежде чем стартует марсианская пилотируемая экспедиция, многие из этих проблем ученые попытаются разрешить в ходе российского эксперимента «Марс-500». Это будет не настоящий полет, но очень точная его имитация: экипаж из шести человек проведет 520 дней в наземном комплексе, состоящем из пяти герметичных, сообщающихся между собой модулей. Один из них будет имитировать поверхность Марса.

Модули напичканы аппаратурой, регистрирующей всевозможные параметры внутри них и отслеживающей медицинские показатели у испытателей. Для ученых важно будет понять, как действуют люди в команде в обстановке, приближенной к условиям марсианского полета. Все результаты - от того, как складывались отношения в коллективе, до рациона питания - будут анализироваться специалистами. Это позволит учесть максимум возможных ситуаций,  которые могут возникнуть в реальном полете, и способствовать их разрешению.

На сегодняшний день желающих участвовать в "наземном межпланетном полете" набралось уже достаточно много -  в основном мужчины. В какой-то степени это объяснимо: уже выяснилось, что у женщин по физиологическим и психологическим качествам гораздо меньше шансов, чем у мужчин, первыми ступить на Марс. В эксперименте будут участвовать шесть человек, хотя в реальном полете к планете в состав экспедиции войдут только четыре человека.

Примечательно, что вскоре, после того как в России было объявлено об эксперименте «Марс-500», в США также стали набирать добровольцев для имитационного полета. Правда, испытатели проведут в нем лишь четыре месяца.

РИА-Новости, 31 октября и 6 ноября 2007 года
http://www.rian.ru/analytics/20071106/86766445.html
http://www.rian.ru/analytics/20071031/86072856.html