Примерен план на пилотиран полет до Марс

[SAlexandrov]

Защо трябва да отидем на Марс

От гледна точка на биологията – ако на Марс има примитивни форми на живот, това може да даде нови познания за еволюционната теория. Условията на Марс са много различни от тези на Земята и ако там намерим живот, той със сигурност ще е еволюирал по начин, по който ние надали можем да си представим.

От гледна точка на геологията - марсоходът Опортюнити откри разнообразие от минерали през 2003 г. Как са се образували те? През кой период са се образували? Има ли връзка между начините, по който се образуват минералите на Марс със начините, по който те се образуват на Земята?

От гледна точка на метеорологията - наблюдавайки поведението на праховите бури, формирането на облаци, сублимацията на сух лед, кръговрата на водата ще ни помогне да правим по-точни предсказания за времето на нашата собствена планета и как климатът на Земята може да се измени в бъдеще.

От технологична гледна точка - ще се подпомогнат високите технологии. На Марс ще бъде тествана най-различна роботизирана техника.

От гледна точка на космонавтиката - опитът, натрупан на Марс ще ни помогне при отправянето ни към Юпитер, Сатурн и техните спътници, а някой ден - защо не и към звездите? Ще бъдат тествани нови двигатели, нови системи за навигация, в процеса на разработване на мисията до Марс ще овладеем до съвършенство скачването между отделните модули.

От гледна точка на енергетиката - ще се научим как да добиваме електричество по-ефективно използвайки слънчева енергия или ядрени реактори. На Марс може да има запаси от гориво, които трудно се добиват на Земята. Ако открием начин ефективно и евтино да ги транспортираме от Марс на Земята ще се справим със редица енергийни проблеми.

От астрономическа гледна точка - сравнителната планетология може само да спечели от една бъдеща мисия до Марс.

Трудности и рискове

Нека да не се заблуждаваме - една мисия до Марс ще бъде на ръба на технологичните ни възможности. Има куп трудности, с които трябва да се справим преди да се отправим към Марс, и куп рискове, които могат да застрашат живота на астронавтите. Те трябва да бъдат много добре потготвени и тренирани да се справят във всяка една ситуация. Със сигурност ще трябва и добра психическа потготовка. Няма да има никаква възможност да бъде предприета спешна спасителна мисия поради разстоянието и техническите ограничения, така че хората от екипажа трябва да имат трезва преценка за всеки един проблем, който възникне, от каквото и да е естество.

Една друга реалност - от всички безпилотни полети до Марс две трети са се проваляли. За една пилотирана мисия подобно нещо е недопустимо. Първо, всички стартове на отделните компоненти ( казвам стартове, а не старт, защото мисия до Марс само с едно изстрелване е невъзможна ) трябва да са успешни. Всички скачвания между отделните модули трябва да са успешни. Системите за кацане трябва да работят абсолютно безотказно. Системите за навлизане в орбитата и регулиране на орбитата трябва да са безгрешни. Системите за излитане от повърхността на Марс също трябва да бъдат изпипани перфектно. Ако едно от тези критични неща за мисията откаже да работи, да не си правим илюзии, че последствията ще бъдат поправими. Напротив - евентуален отказ на една от тези системи означава сигурна смърт за астронавтите.

Дългият престой в Космоса крие рискове. Как дългото време, прекарано в Космоса, ще повлияе върху крехкия човешки организъм? Експериментите на МКС ( Международната космическа станция ) показват, че вследствие на нулевата гравитация настъпват промени в мускулите, костите, нервната система, които може да са фатални. Важен проблем е и космическата радиация. Корабът Марс Одисей измери нивото на радиация около Марс и показа, че тя е около 5 пъти по висока от тази на борда на МКС. Бяха инсталирани системи за защита първоначално на Мир, впоследствие и на МКС, но те не работеха достатъчно ефективно. Ясно е, че обвиването на кораба в олово е практически неприложимо.

Престоят на Марс също носи своите рискове. Планетата е непозната и негостоприемна. Гравитацията е ниска - една трета от земната. Слънчевата радиация на повърхността е по-ниска от тази в Космоса, но нивото й не е безопасно.

Траектории и дължина на полета

Д-р Дейвид Уилямс от НАСА е работил по въпроса и е установил три възможни начина, по които можем да стигнем до Марс.

Мисия с къс престой

Графика на полета:

Излитаме и след 224 дена сме на Марс. Там прекарваме 30 дена. След това излитаме от повърхността на Марс и се отправяме по траектория за облитане на Венера. Целта на това облитане е да намалим скоростта на обратно навлизане. Проблемът на този план е, че при облитането на Венера ние се приближаваме към Слънцето и ще поемем доста високи дози слънчева радиация. Така - за 545 дена сме си свършили работата и сме на Земята обратно. Много хубава възможност, но и много енергоемка.

Мисия с дълъг престой

Графика на полета:

Излитаме и след 224 дена сме на Марс. Там обаче стоим цели 458 дена! После, излитайки ще се върнем по удобна траектория за 237 дена. Общото време на мисията е 919 дена. Така обаче ще сме изложени много дълго време на космическата радиация и дългият престой в Космоса може да доведе до необратими промени в костите, мускулите и нервната система.

Дълъг престой и бързо връщане

Графика на полета:

На тази графика виждате, че престоят на Марс е по-дълъг, но при завръщането се използва голямо количество енергия за напускане на околомарсианска орбита и ние минаваме по най-кратката възможна траектория.

Забележка: Продължителността на полета е валидна само за годините, които са отбелязани на графиките. До 2015 година почти сигурно няма да сме готови за Марс. Посочената продължителност е само примерен план, който обаче ще бъде ПОДОБЕН на плана, който ще изработим при провеждането на истински полет. Така че отклоненията няма да са много големи.

Как може да бъде проведена мисията използвайки ракетите Ares 1 и Ares 5.

Със сигурност ще има няколко последователни старта на ракети, които ще поемат по някой от гореописаните пътища. Превдижда се ракетите, които пренасят товар, да пътуват по траекторията за мисия с дълъг престой, докато пилотираните ракети ще следват траекторията с къс престой. Не е ясно все още какъв ще бъде крайният дизайн на Ares 1 и Ares 5, но във сегашният вариант ето как ще стоят нещата от моята гледна точка. Ще има няколко последователни изстрелвания в рамките на две години.

1. Излита един Арес 5 със степен за напускане на околоземната орбита. Към степента ще бъде монтиран спускаем апарат. Той ще навлезе директно в атмосферата по подобен начин на Mars Exploration Rovers и ще достави обитаем модул със животоподдържащи системи. Спускаемият апарат заедно с модула трябва да бъдат под 65 тона, за да се съобразим с възможностите на ракетата. Модулът ще бъде достатъчен да поддържа двама астронавти живи в продължение на 30 дена. Той ще поеме по пътя с най-ниска енергия, съответстващ на втория профил, който е описал д-р Уилямс.

2. Излита втори Арес 5 със степен за напускане на околоземната орбита. Към степента ще бъде монтиран спускаем апарат, който ще пътува по пътя с най-ниска енергия, ще навлезе директно в атмосферата и ще кацне в близост до модула със живоподдържащите системи. Той ще достави храна, вода и кислород за 30 дена.

3. Излита трети Арес 5 със степен за напускане на околоземната орбита. Към нея също ще има спускаем апарат, пътуващ по пътя с най-ниска траектория. Спускаемият апарат ще съдържа възвръщаемата ракета, която ще трябва да може да изстреля астронавтите в околомарсианска орбита след като им е приключил престоя на повърхността.

4. Излита четвърти Арес 5 със степен за напускане на околоземна орбита и малък сервизен модул с двигател за напускане на марсианската орбита след завършването на мисията. Защитен от мощен топлинен щит, той ще навлезе в тънката марсианска атмосфера посредством еъркепчър ( технология за навлизане в орбита, при която се използват силите на триене на атмосферата – по този начин се пести гориво ). Навлезе ли в орбита, той ще има достатъчно гориво от асиметричен диметилхидразин за завръщането на Земята. Сервизния модул трябва да има възможности за скачване с повече от един модул. Той ще притежава и слънчеви панели с цел да осигурява енергия. Този сервизен модул ще излезе доста функционален впоследствие според мойте планове.

Ако всичко е протекло нормално, след две години може да бъде предприета следващата серия от изстрелвания.

1. Излита един Арес 5 със степен за напускане на околоземната орбита. Той ще изведе товарен модул със система за еъркепчър, храна и вода за около 300 дена. Товарния модул се скачва със сервизния модул след еъркепчъра и навлизане в околомарсианска орбита.

2. Излита втори Арес 5. Той ще изведе степен за напускане на околоземната орбита, товарен модул подобен на първия, носещ гориво диметилхидразин, още кислород, храна и вода. Посредством еъркепчър навлиза в орбита около Марс и се скачва със сервизния модул.

3. Излита трети Арес 5. Той ще изведе степен за напускане на околоземна орбита и спускаем апарат за двама астронавти. Спускаемия апарат ще навлезе посредством еъркепчър в околомарсианска орбита. Топлинния щит за еъркепчър ще бъде използван и за самото кацане на Марс. Спускаемият апарат се скачва със сервизния модул.

4. Излита четвърти Арес 5. Той ще изведе степен за напускане на околоземната орбита и модул със храна, вода и кислород, но няма да поеме път към Марс веднага, а ще изчака излитането на Арес 1 – Орион.

5. Излита един Арес 1 със кораб Орион и четирима астронавти на борда.

Орион се скачва с четвъртия Арес 5, степента за напускане на околоземна орбита се запалва и астронавтите поемат към Марс.Пътуването ще отнеме около 224 дена ( въпреки че точната продължителност зависи от положението на планетите, когато полетът е предприет ). Малко преди навлизането в орбита около Марс Орион се освобождава от модула, който е осигурявал храна и вода през пътя, защото вече ресурсите му са изразходени и той не ни е необходим. Сам Орион навлиза в орбита около Марс посредством еъркепчър.След това той се стикова със сервизния модул. Ура! Към сервизния модул вече има стикован друг товарен модул с достатъчно храна и вода! Оттук нататък двама астронавти преминават в спускаемия апарат. Извършват меко кацане и в продължение на 30 дена си свършват работата. Както знаем, на Марс имат лагер и запаси от храна, вода и кислород, доставени предварително. След като изминат 30-тте дена се качват на борда на ракетата за завръщане, излитат и се стиковат със сервизния модул. Той има достатъчно гориво да ги ускорява до степен, до която ще могат да се завърнат по плана на мисия с къс престой. По пътя облитат Венера, за да използват гравитацията за убиване на скоростта и така по-късно да навлязат в атмосферата на Земята с безопасна скорост. По време на облитането провеждат наблюдения. Според този план завръщането на Земята ще стане със същият Орион, с който астронавтите са излетяли и извършили еъркепчър на Марс. Продължителност на полета - 545 дена. Напълно достатъчно и кратко за да не претърпи организма на астронавтите вредни изменения вследствие на радиацията и престоя в безтегловност.

А какво ще кажем за системите на кацане и обратно излитане?

До 2020 година НАСА ще е разработила спускаем апарат за Луната. За да бъде годен за Марс, спускаемият апарат трябва да претърпи редица модификации. Сред тях е добавянето на топлинен щит, аерощит и парашути. Спускаемият апарат няма да включва системите за обратно излитане, защото както казах, те ще бъдат докарани на Марс предварително. Спирачните ракетни двигатели ще бъдат, естествено, модифицирани.

Схемата е следната - спускаемият апарат навлиза в атмосферата. На определена височина се отваря малък парашут. Отделя се топлинния щит. След няколко секунди аерощита заедно с малкия парашут се отделя от модула за спускане, тъй като повече не ни е необходим. Главните парашути, прикрепени към модула за спускане се отварят. Малко преди кацането се задействат спирачните двигатели на модула за спускане и мекото кацане е извършено.

Всички спускаеми апарати трябва да притежават маневреност по време на спускането и да бъдат разработени по системата SMART Landing и pinpoint Landing. Това е наложително, за да могат да кацат в близост един до друг, но не и в такава близост, че да застрашат хардуера един на друг. Това все още не е постигнато досега при съвременните безпилотни мисии и трябва да се тества в земни условия и по време на полетите до Луната към 2020-та.

Относно системите за излитане от повърхността на Марс - доктор Уилямс смята, че едностепенна ракета със приблизително 26 тона гориво е напълно достатъчна да върне астронавтите на околомарсианска орбита! И това е повече от добре, защото съвпада отлично с плана ми - системите на обратно излитане могат да бъдат доставени от едно изстрелване на Арес 5!

След излитането на едностепенната ракета и успешно скачване със сервизния модул двамата астронавта ще приветстват другите двама, останали на Орион и ще могат да поемат към Марс обратно.

Колко пари ще струва една мисия по този план.

Слуховете, които се носят за Арес 5 са от порядъка на 4 милиарда долара на изстрелване в най-лошия случай. Да кажем, грубо, че изстрелването на един Арес 1 възлиза около 1 милиард долара. С моите предвидени 9 изстрелвания мисията възлиза към 33 милиарда долара. Множко. Като това са само пари само по поддръжката за изстрелване. Необходимите модификации на Орион, изработката на спускаем апарат, нов сервизен модул могат да направят мисията да стъпи на около 50 милиарда долара. Множко!

Явно за да се проведе такова начинание ще трябва международно сътрудничество. Русия примерно може да изработи системата за излитане от Марс и да помогне в разработката на сервизния модул около Марс, защото имат опит с дълговременни полети и поддръжка на модули. Част от модулите могат да бъдат изстрелвани от руска ракета Протон, а не от Арес 5- ще излезе доста по-евтино. ЕСА може да помогне с разработката на товарните модули - агенцията има опит с Жул Верн.

Струва ли си да се прави всичко за някакви си 30 дена престой?

Според мен - да. Мисията ще продължи и преди и след кацането на Марс в безпилотен режим. Животоподдържащата станция на Марс ще може да прави научни наблюдения дълго време. Евентуално самоходно устройство, което ще използват астронавтите за бързо придвижване също може да се направи да работи в безпилотен режим и ще служи вярно дълги години след пилотираната мисия.

И нека не забравяме, че за 30 дена астронавтите могат да свършат повече работа от всички безпилотни апарати, работили на Марс в течение на години.

Заключение

Никак не е ясно по каква схема и по какъв план ще протече първия пилотиран полет към Марс. Планове са се правили преди и продължават да се правят и днес. Със всяка изминала година ние ставаме все по зрели и по-готови да предприемем това предизвикателство. Но първо... трябва да сме сигурни, че можем да осъществим полета в рамките на минимално допустим риск. Трябва да предприемем серия от безпилотни кацания, които да затвърдят надежността на съвременните технологии. Най-сериозното начинание ще е изпращането на мисия, която ще донесе проби от Марс в безпилотен режим. Нещо повече - подобна успешно завършена безпилотна мисия ще е задължително условие, което човечеството трябва да изпълни, преди да бъдат изпратени хора на Червената планета! А дотогава - няма смисъл да се поема излишен риск. Не е ясно кога плановете за полет към Марс ще станат реалност- след 30, 50 години, или след време, когато ние няма да сме живи. Важното е, че ще станат, а това, което се изисква от нас, е да положим основата.

Copyrighted by Svetloslav Alexandrov ( Zvezdichko ). Олл райдс ризървд.