Проблемы марсианских экспедиций

Ожидается, что где-то в 2030-х годах человек впервые окажется среди марсианских песков. Это будет первая пилотируемая миссия, в ходе которой люди посетят другую планету Солнечной системы. Однако для того, чтобы это стало реальностью, нужно будет преодолеть множество препятствий …

Хотим на Марс!

В последние годы НАСА и SpaceX проявляют искренний интерес к осуществлению пилотируемых миссий к Красной планете. Все знают, что Марс – это самая большая мечта Илона Маска, генерального директора SpaceX. А он, впрочем, никогда и не скрывал, что главная цель его компании – максимально упростить и удешевить отправку людей на Красную планету. И для достижения этой цели его инженеры уже создают и испытывают специальный космический корабль – Starship. Который, как утверждается, сможет доставлять на Марс до 100 человек одновременно. Звучит как сюжет из научной фантастики, не правда ли? Но, тем не менее, все это может стать реальностью всего через несколько лет.

Но даже если техническая часть вопроса будет решена, это вовсе не означает, что все будет готово к отправке людей на Марс. Самая большая проблема, без сомнения, – это количество груза (и, следовательно, масса, которую нужно перевезти), необходимое для осуществления подобной экспедиции. То есть важен не только сам корабль и его экипаж. Еще нужно топливо, провизия, системы жизнеобеспечения. Очевидно, что все это просто необходимо для успешного завершения путешествия. Запуск миссии с Земли – эта одна из самых дорогих частей экспедиции. Но полезная нагрузка при этом – лишь самая маленькая часть общей массы, которую нужно вывести в космос.

Например, ракета Сатурн V, которая отправляла Аполлон-11 (и другие миссии) на Луну, весила более 3000 тонн! Однако полезная нагрузка при этом была всего 140 тонн (5% от начальной массы). Это при выводе на низкую околоземную орбиту. И только 50 тонн (менее 2% от начальной массы) при полете к Луне. Очевидно, что в случае с Марсом эти цифры окажутся еще большее пугающими. И эту проблему надо будет как-то решать. Например – не везти с собой все топливо сразу.

Заправка в пути

SpaceX, например, планирует что Starship сможет дозаправляться в космосе. Для этого будет использоваться топливный бак, запускаемый на орбиту независимо от космического корабля. Таким образом можно будет взять на борт гораздо больше полезной нагрузки. В случае беспилотной миссии фактор времени, необходимого для проведения подобных процедур, является относительно второстепенным аспектом. Для экономии топлива беспилотные корабли можно будет направлять по сложным траекториям, которые будут длиннее, но при этом энергетически более выгодны.

Используя гравитационные маневры можно сэкономить много топлива. Это позволит посетить такие места, как Юпитер или Сатурн. Да, на такие экспедиции уйдут годы. И для пилотируемой миссии это явно не подходит. Но выход можно найти. И Марс, и Земля имеют почти круговые орбиты вокруг Солнца. И самый экономичный способ путешествовать с одной планеты на другую – это маневр, известный как переход Хомана.

По сути, он состоит из однократного запуска двигателей корабля для создания эллиптической орбиты, которая перемещает его с одной планеты на другую. Переход Хомана между Землей и Марсом длится от 8 до 9 месяцев. Проводить его можно только раз в два года, когда планеты находятся на кратчайшем расстоянии друг от друга. Но можно путешествовать и быстрее, просто используя больше топлива. По оценкам SpaceX, с помощью Starship можно будет добраться до Красной планеты всего за шесть месяцев путешествия. Но это будет намного сложнее.

Посадка среди марсианских песков

Давайте представим, что наш героический экипаж успешно достиг орбиты вокруг Красной планеты. На их корабле есть все системы жизнеобеспечения, емкости для хранения продуктов, все необходимые инструменты и т. д. С психологической и физической точки зрения все космонавты в отличной форме. Однако есть много аспектов, которые нужно учитывать и хорошо проанализировать после того, когда миссия будет завершена. Например – космическая радиация. Или чувство сильной оторванности от дома. Сегодня мы допустим, что все эти проблемы успешно преодолены.

Следующая задача – высадить экипаж на Марс. В случае с Землей корабль может использовать атмосферу и вызываемое ею трение для замедления движения. Это обеспечит вполне безопасную посадку при условии, что он оснащен теплозащитным экраном и может выдержать подобное воздействие. На Марсе же атмосфера в сто раз слабее. Поэтому ее тормозная способность намного ниже. И приземление будет невозможно без использования каких-то дополнительных механизмов. В некоторых случаях для достижения поверхности Марса ранее использовались специальные подушки безопасности, а иногда двигатели (это означает, что нужно будет иметь для них запас топлива). Ясно, что посадить на Марс корабль с 100 членами экипажа – задача, решение которой еще предстоит найти.

Но, предположим, эту проблему решили. Ура! Мы на Марсе! Итак, что же ждет нас в этом чудном мире? Сутки на Марсе длятся 24 часа 37 минут. Это здорово. Но это единственное сходство с нашей планетой, которое экипаж найдет на Марсе. Атмосфера здесь настолько слаба, что температура может резко меняться в зависимости от времени суток. Максимально она может достигать 30ºC (летом в южном полушарии), а может и резко падать: до -140ºC. Средняя температура планеты -63ºC. Для сравнения: зимой средняя температура на Южном полюсе Земли составляет около -49ºC. Так что тут холодно. Очень холодно! Хорошо лишь одно – для хранения марсианских грибов не нужен будет холодильник.😁

Жизнь и возвращение на Землю

Важно понять, как защитить экипаж от таких резких перепадов температур. С другой стороны, гравитация на Марсе составляет всего 38% гравитации на Земле. Поэтому на Марсе нам будет легче бегать по утрам и подтягиваться на турнике.🏃 Атмосфера планеты состоит в основном из двуокиси углерода с небольшой долей кислорода. Человек не сможет ей дышать, поэтому для нормальной жизни на Марсе необходимо будет иметь подходящую среду обитания. Для этого перед отправкой человека SpaceX планирует осуществить несколько грузовых миссий, которые помогут впоследствии развернуть необходимую инфраструктуру. Она будет включать в себя теплицы, солнечные батареи и установку для производства топлива, необходимого для возвращения на Землю.

Достигнуть Марса и высадится на его поверхности в принципе, наверное, можно. И даже выжить на Красной планете. В последние годы было проведено множество симуляций, в которых люди жили в практически «марсианских» условиях. И результаты были получены удовлетворительные. Однако рано или поздно нам придется задуматься о возвращении на Землю… И это будет не самой простой частью экспедиции. Миссия «Аполлон-11», например, вошла в атмосферу нашей планеты на скорости около 40 000 км/ч. А скорость, с которой космический корабль прилетит с Марса, будет еще выше.

В зависимости от используемой орбиты ее значение будет составлять от 47 000 до 54 000 км/ч. Конечно, можно было бы затормозить на низкой околоземной орбите. До приемлемой скорости 28 800 км/ч. Но для этого потребовалось бы очень много топлива. Другой вариант – попасть в атмосферу и тормозить уже в ней. Но для этого при таких скоростях потребуется очень серьёзная тепловая защита. Которая, что очевидно, будет очень тяжелой…

И это лишь небольшая часть тех проблем, с которыми НАСА, SpaceX и другие агентства и космические компании столкнутся при осуществлении марсианских миссий…