В том, что полет человека на Марс состоится, не сомневается никто. 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, пока сказать трудно. Оптимисты полагают, что 2017-2018 годы – ближайшее наиболее благоприятное «баллистическое окно» для перелета от Земли к Марсу.
Пессимисты считают этот срок нереальным, прежде всего, с точки зрения готовности техники – предстоит создать сам корабль, двигатели для него, вывести на траекторию полета к Марсу огромную махину массой в сотни тонн.
К числу пессимистов, очевидно, следует отнести и Федеральное космическое агентство России, руководитель которого Анатолий Перминов заявил недавно, что «полет на Марс мы планируем после 2035 года». Тем не менее, работы в этом направлении продолжаются и выполняются они в рамках Федеральной космической программы. В 2005 году был подготовлен аванпроект «Пилотируемая экспедиция на Марс». Как считает один из разработчиков проекта экспедиции главный конструктор ФГУП «Центр Келдыша» Виталий Семенов, проектные работы по межпланетному экспедиционному комплексу выявили важное обстоятельство: сроки и затраты на реализацию марсианской миссии определяются, в основном, типом энергодвигательного комплекса.
Несмотря на доведенную до совершенства технологию существующих химических ракетных двигателей, невысокий предел скорости истечения продуктов горения становится той стеной, которую нельзя пробить… Но, как ни странно, можно объехать! Это позволяют сделать ракетные двигатели, в которых источник энергии и отбрасываемая масса разделены. Чем же можно заменить обычные ракетные двигатели? Например, нагреть до высокой температуры сверхлегкие газы (водород, гелий, метан) и заставить их течь через сопло со скоростями в 2-2,5 раза более высокими, чем у химических ракетных двигателей. 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 годах, однако 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 оказывается мощность энергоустановки, создающей поле и разгоняющей частицы.
В начале 1960-х годов американские специалисты экспериментировали с ядерными реакторами, оборудованными турбогенераторами, но столкнулись с проблемой низкой надежности и большими габаритами установки.
Россия располагает уникальным опытом создания и эксплуатации реакторных энергоустановок в космосе. В период с 1970 по 1988 год состоялись запуски в общей сложности 32 космических аппаратов с ядерными энергоустановками и термоэлектрическим преобразователем мощностью 3 и 5 кВт. Большинство из этих аппаратов выполняло разведывательные функции и находились в активированном состоянии на низких околоземных орбитах по несколько месяцев. Для сравнения: единственный американский аппарат с атомным реактором SNAP 10А и термоэлектрическим преобразователем мощностью около 0,5 кВт был запущен США в 1965 году. 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 году.
Умеют в России делать и так называемые «стационарные плазменные двигатели» (СПД), имеющие на порядок большую удельную тягу, чем традиционные химические.
Удельная тяга, то есть отношение силы тяги к секундному расходу топлива – важнейшая характеристика любого ракетного двигателя. Чем выше скорость истечения газов, тем выше тяга при одинаковом расходе топлива, а с ней и экономичность двигателя. Первые испытания в космосе СПД прошли в 1972 году на российском метеорологическом спутнике «Метеор», а штатная эксплуатация серийных образцов была начата в 1982 году на геостационарных спутниках для коррекции их орбиты. В настоящее время практически все страны, включая ведущие космические державы, активно используют российские электроракетные двигатели на своих аппаратах. Мощность этих двигателей такова, что они могут корректировать орбиту как по долготе, так и наклонению и, более того, обеспечивать межорбитальные перелеты по энергетически оптимальным многовитковым траекториям, например, с низкой орбиты на геостационарную, а также служить средством межпланетной транспортировки.
В ходе подготовки аванпроекта «Пилотируемая экспедиция на Марс» разработчиками были рассмотрены жидкостные ракетные двигатели на кислороде и водороде; ядерные ракетные двигатели с жидким водородом в качестве рабочего тела; ядерная (ЯЭУ) и солнечная (СЭУ) энерго- установки 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.
На первом этапе реализации проекта планируется проведение пяти экспедиций, с использованием одного и того же межпланетного орбитального корабля. В состав экспедиционного комплекса войдет и солнечный буксир многоразового использования. Цель этих экспедиций – выбор и подготовка места для создания марсианской базы. По мнению разработчиков проекта, дислокация базы должна отвечать прежде всего требованиям безопасности посадки и взлета. Немаловажно и использование рельефа местности для создания жилого комплекса, в частности для повышения его радиационной защищенности. Рельеф местности должен также отвечать требованиям мониторинга астероидно-кометной опасности для обитателей базы. Существенно и наличие жидкой воды с небольшими глубинами ее залегания. Наконец, анализ данных о геологическом строении Марса позволил выявить территории, где есть наибольшие шансы обнаружить следы жизни. Не исключено, что именно эти районы будут наиболее привлекательными для развертывания там первой внеземной базы.
Более того, при разработке стратегии и планировании пилотируемой экспедиции на Марс человеческий фактор становится главным приоритетом, а человек – наиболее уязвимым звеном миссии, в значительной степени определяющим возможность реализации проекта в целом. При этом 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. Выполненный еще в конце прошлого века 438-суточный орбитальный полет на орбитальной станции «Мир» врача-космонавта Валерия Полякова показал отсутствие принципиальных медико-биологических ограничений для длительных космических миссий. Иное дело – радиация. Ее воздействие на космонавтов резко усиливается при выходе корабля за пределы магнитосферы Земли. Поэтому предстоит разработать специальную противорадиационную защиту. Возможно, это будет радиационное убежище из поглощающего заряженные частицы материала или электромагнитное поле, искусственно созданное вокруг корабля.
Другая проблема – питание космонавтов. Казалось бы, практика отработана годами, и выдумывать ничего не надо. 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, предполагалось, перепелиными, 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 московского Института медико-биологических проблем сконструирован прототип «космического огорода». Он представляет собой цилиндр, в котором помещена связка особых 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, обеспечивая непрерывный цикл: пока на одних валиках зелень только прорастает, с других уже можно снимать урожай.
Помимо обеспечения едой, «космическое сельское хозяйство» поможет решить и проблему регенерации атмосферы на борту межпланетного корабля. Правда, остается открытым вопрос о последствиях воздействия космической радиации на растения. Институт медико-биологических проблем проводит эксперименты по выращиванию сельскохозяйственных культур в условиях космического полета начиная с 1990-х годов, и уже проведенные исследования показывают, что растения с «космического огорода» практически ничем не отличаются от обычных земных.
Далее, проблемы воды. Подсчитано, в сутки космонавту требуется 2,5 литра воды. Так что несколько ее тонн на борту должны 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 внештатных 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 миссии «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 нестандартной. Все результаты – от того, как складывались отношения в коллективе, до рациона питания – будут анализироваться специалистами. В эксперименте примут участие 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.
Испытатели проведут в полете четыре месяца. Европейское космическое агентство работает над своей концепцией экспедиции на Марс, правда, пока без человека. Намерены осваивать Марс и китайцы. Словом, опять космическая гонка. Вопрос только в том, зачем вообще нужно лететь на Марс? Большинство научных достижений в космической области связано с «автоматами», а не с пилотируемой космонавтикой, утверждает директор Института космических исследований РАН Лев Зеленый. Тем не менее, по его мнению, человек обязательно высадится на Марсе, даже если с рациональной точки зрения это будет совершенно бессмысленно. Ощущения человека, ступившего на поверхность другой планеты, стоят так дорого, что оценить их невозможно.
