Сколько землянам осталось ждать первых селфи с Марса?

10.02.2018

 iber
iber

В ночь на 7 февраля компания SpaceX американского бизнесмена Илона Маска произвела первый запуск ракеты Falcon Heavy, согласно заявлениям разработчиков.

Сам Илон Маск неоднократно связывал проект создания Falcon Heavy с будущим путешествием на Луну и Марс. Не удивительно, что успех проекта многие трактовали как важный шаг в космической одиссее землян, сделавший жителей Земли ещё на шаг ближе к полёту к Красной планете.

Так ли это на самом деле, и каковы вообще перспективы человечества в этом смысле? Попытаемся разобраться.

Полёт над гнездом "Тяжёлого сокола"

Способна ли Falcon Heavy полететь на Марс? Безусловно, да. Станет ли она ракетой-носителем, с помощью которого люди совершат первую посадку на Марсе? Крайне маловероятно. Означает ли её запуск некую важную веху на пути к организации такого полёта? Скорее всего, нет.

Falcon Heavy действительно является наиболее мощной ракетой-носителем, используемой в настоящий момент. Она способна вывести на низкую опорную орбиту 63,8 тонны груза, что почти в 2,5 раза больше, чем другие "серийно" летающие в космос ракеты. Для сравнения, российская ракета-носитель тяжёлого класса "Протон-М" может вывести на низкую опорную орбиту лишь 23 тонны, столько же поднимает "младший брат" Falcon Heavy, Falcon 9. Американский "Атлас-5" имеет грузоподъёмность около 19 тонн, европейская "Ариан-5" - 20 тонн, китайская "Чжанчжен-5" - тоже порядка 20 тонн.

Однако вообще-то в человеческой истории бывали ракеты и помощнее. Например, американская Saturn-5 могла выводить на низкую орбиту 140 тонн, т.е. в 2,5 раза больше, чем Falcon Heavy. Запуски Saturn-5 осуществлялись с 1967 по 1973 – в рамках лунной программы США. Слетав на Луну шесть раз, американцы явно удовольствовались достигнутым. Программа "Аполлон" была закрыта, Saturn-5 больше не собирались.

Оно и понятно: стоимость одного запуска Saturn-5 в пересчёте на современные цены составляла около 1 миллиарда долларов США. Это означало,  что стоимость вывода на околоземную орбиту 1 тонны груза составляла 7 миллионов долларов.

Для сравнения, запуск российского "Протона-М" сегодня обходится примерно в 65 миллионов долларов, что с учётом его грузоподъёмности даёт стоимость вывода на орбиту одной тонны груза в 2,8 миллиона долларов. Примерно столько же составляет стоимость вывода на орбиту тонны груза для Falcon 9, запуск которого стоит около 60 миллионов.

Аналогичная судьба постигла советский проект сверхтяжёлой ракеты "Энергия", разрабатываемой для проекта "Буран" - аналога американского проекта Space Shuttle. "Энергия" могла выводить на орбиту до 100 тонн груза, а её так и не появившийся на свет старший брат "Вулкан" - до 200 тонн.

Иными словами, ничего принципиально нового в плане грузоподъёмности Falcon Heavy собой не представляет: бывало и больше.

Другое дело, что себестоимость запуска Falcon Heavy сравнительно невелика – по предварительным оценкам, около 90 миллионов долларов. Это, с учётом грузоподъёмности ракеты, делает её довольно выгодным "космическим грузовиком": стоимость доставки 1 тонны груза на низкую опорную орбиту составит порядка 1,4 миллиона долларов США – вдвое меньше, чем у российского "Прогресса-М" или Falcon 9.

Иными словами, Falcon Heavy сможет составить серьёзную конкуренцию тому же "Прогрессу" в плане основной "работы", которую сегодня выполняют ракеты – вывода на орбиту различных искусственных спутников Земли.

Правда, в России уже в 2018 году планируют запустить тяжёлую ракету "Ангара-А5", которая в теории сможет догнать, а то и обогнать Falcon Heavy по этому показателю. Считается, что запуск одной такой ракеты грузоподъёмностью в 38 тонн после "обкатки" производства будет стоить 50-55 миллионов долларов, что позволит достичь показателя в 1,3 миллиона долларов за тонну груза.

Правда, до этого, как говорится, ещё нужно дожить.

Путь на Марс

Но вернёмся к дальним космическим полётам: сверхдорогие ракеты монстры для них в прошлом веке создавали совершенно не зря.

Цифры грузоподъёмности, которые мы приводили выше, характерны лишь для вывода на низкую орбиту – самой первой ступеньки, которую нужно преодолеть космическому аппарату для полёта к Марсу. Для того чтобы попасть на поверхность Красной планеты, кораблю нужно совершить ещё множество эволюций.

Так, после выхода на орбиту, кораблю нужно набрать достаточную скорость, чтобы покинуть поле тяготения Земли: 11,2 километра в секунду. После этого, правда, двигатели можно выключать: большую часть пути к Марсу корабль пролетит по инерции. Однако с приближением к Марсу, у двигателей снова появится работа.

Дело в том, что корабль будет двигаться слишком быстро для того, чтобы выйти на орбиту Марса. Если ничего не предпринять, он просто пролетит его, став искусственным спутником Солнца (как им стал автомобиль Tesla, запущенный в космос Falcon Heavy). То есть, кораблю снова придется включать двигатели для того, чтобы затормозить до 5 километров в секунду, что позволит ему выйти на орбиту Марса.

Каждый из этих этапов требует значительных затрат топлива, которое корабль вынужден везти на "своём горбу". Проще говоря, в 63,8 тонны груза, которую может поднять с Земли Falcon Heavy, должен входить и вес этого топлива, а значит, реальная грузоподъёмность ракеты для марсианской миссии будет существенно ниже.

Так, по собственным расчётам SpaceX, Falcon Heavy способен доставить на орбиту Марса всего около 4 тонн груза, тогда как вес спускаемого аппарата, который будет приземляться на Марс, вряд ли можно будет сделать меньше 20 тонн.

А ведь выходом на орбиту дело не ограничится. Кораблю (или хотя бы его части) ещё надо будет каким-то образом приземлиться (снова-таки, потратив топливо на торможение). А после того, как космонавты закончат на Марсе свои дела, надо будет снова взлететь (опять топливо!), выйти на орбиту, а затем разогнаться для схода с неё и взять курс на Землю. Всё это – дополнительное топливо, а значит – дополнительный вес. Иными словами, для Falcon Heavy марсианская миссия является делом, увы, неподъёмным – в буквальном смысле слова.

Справедливости ради, в SpaceX на самом деле и не планировали использовать Falcon Heavy для пилотируемого полёта на Марс с посадкой и стартом с его поверхности. Рассматривался вариант лишь отправки к Марсу беспилотного космического корабля Red Dragon, который должен был доставить на Землю груз марсианского грунта. Однако даже от этого проекта в итоге вынуждены были отказаться из-за ряда трудностей.

Однако это не значит, что Илон Маск отказался от планов слетать на Марс. Просто планы эти реализуются в рамках другого проекта, не имеющего к Falcon Heavy прямого отношения.

Марсианский проект SpaceX

Планы пилотируемого полёта на Марс в SpaceX связывают с т.н. Межпланетной транспортной системой, Interplanet Transpot System, или ITC.

В сентябре 2017 года Илон Маск представил обновлённый проект реализации такой системы, в основе которой лежит космический корабль BFR – Big Falcon Rocket.

Big Falcon Rocket должна состоять из двух ступеней. Первая из них, ускоритель, позволит вывести корабль на орбиту Земли, а вторая будет отвечать за полёт к Марсу. Обе ступени предполагается сделать многоразовыми.

BFR (в составе двух ступеней) будет иметь такие же размеры, как и Saturn-5, и сможет поднимать на орбиту 150 тонн груза, т.е. лишь немногим больше, чем старая ракета. Преимуществом BFR будет существенно более низкая стоимость запуска.

К слову сказать, BFR по плану Маска должен вытеснить с рынка все другие космические аппараты, заменив в том числе Falcon 9 и Falcon Heavy.

В SpaceX предполагают, что, после вывода на околоземную орбиту, ускоритель BFR вернётся на землю, а вторая ступень проведёт на орбите какое-то время, пока другие аналогичные корабли, оборудованные под работу в качестве танкеров, заправят его доставленным с Земли топливом. Его – по расчётам – должно хватить для того, чтобы долететь до Марса и приземлиться там.

Однако на взлёт и обратный полёт этого топлива BFR уже не хватит. Поэтому в SpaceX предлагают предварительно отправить на Марс несколько кораблей без экипажа и пассажиров.

Они полетят в один конец, но зато доставят на Марс части автоматической установки по производству метана и жидкого кислорода из местной атмосферы – то есть, ракетного топлива. Им-то и заправится пилотируемый космический корабль, когда он через несколько лет прибудет на Марс. Таким образом, космонавты и смогут вернуться на Землю.

Отправить на Марс беспилотные корабли Илон Маск планирует уже в 2022 году, т.е. через 5 лет. А на 2024 год намечен старт к Марсу и пилотируемого корабля. Иными словами, по планам Маска, уже через 7-8 лет мы сможем увидеть первые селфи людей на поверхности Марса! Захватывающе, не правда ли?

Однако многие исследователи считают такой проект слишком сложным. В частности, они указывают на то, что производство ракетного топлива из атмосферы Марса хотя и возможно теоретически, будет связано с большим количеством технических проблем.

В частности, для этого потребуется каким-то образом доставить на Марс достаточно мощный источник энергии – по крайней мере, небольшой ядерный реактор, и существуют большие сомнения в том, что все компоненты системы удастся заставить согласованно работать без участия человека.

NASA приземляться не спешит

У NASA существует свой собственный марсианский проект, никак не связанный с впечатляющими, но не слишком реалистично выглядящими планами Илона Маска. Здесь покорение Марса связывают с проектом создания сверхтяжёлой ракеты-носителя SLS, которая будет использована для вывода в космос корабля "Орион" массой около 25 тонн.

"Орион" принципиально ничем не отличается от кораблей серии "Аполлон", однако построен с использованием куда более совершенных технологий, а потому должен быть мощнее, эффективнее и экономичнее.

Беспилотная версия "Ориона" впервые полетела в космос ещё 5 декабря 2014 года. Сборка пилотируемой версии началась в январе 2018. В 2019 году ожидается первый полёт "Ориона" вокруг Луны (без экипажа), в 2022 году – первый пилотируемый полёт (также вокруг Луны). Старт к Марсу запланирован на 2033 год (через 7 лет после того, как туда намерен попасть Илон Маск). Предполагается, что за это время на орбите Луны будут созданы запасы топлива и всего необходимого для марсианской миссии – лунная орбита станет, таким образом, своего рода "аэродромом подскока".

Однако вынужден разочаровать читателей: в планах проекта SLS-"Орион" посадки на Красную планету не предполагается. Это можно будет сделать ещё через несколько лет и пару-тройку миссий, в ходе которых на орбите Марса будет создана орбитальная станция – своего рода "космическая АЗС", которая обеспечит достаточным количеством топлива операцию по посадке "Ориона" на Марс и взлёту с него.

Иными словами, "сэлфи с Марса" в проекте НАСА ожидаются не раньше 2050 года.

Россия тоже хочет на Марс

У Российской Федерации имеются свои представления о способах попасть на Марс.

Первый из них в целом похож на проект НАСА, только российский корабль называется "Федерация", а первый пилотируемый полёт к Международной космической станции запланирован на 2024 год (тот самый год, в который Маск планирует отправить первую пилотируемую миссию на Марс). К 2033 году россияне планируют слетать на Луну (НАСА тогда уже должно готовиться к запуску "обзорной орбитальной экскурсии" к Марсу). И лишь когда-нибудь потом "Федерация" сможет слетать и на Марс, который, если верить Маску, к тому моменту будет уже основательно исследован и освоен.

Но в России активно разрабатывают другой, более амбициозный, проект. Для того чтобы понять, о чём идёт речь, нам придётся сделать небольшое, но очень важное отступление.

Шанс для прорыва в космос: электричество вместо химии

Как известно, космические ракеты приводятся в действие реактивной тягой. Принцип её работы прост: если мы отбрасываем что-то от себя, то нас отбрасывает в другую сторону с силой, пропорциональной массе и скорости отбрасываемого. С помощью этого принципа передвигаются многие водные организмы: например, морской гребешок, кальмары и т.п.

Тот же принцип используют реактивные самолёты и космические ракеты. Только в них используются более высокоэнергетичные процессы: в камере двигателя топливо соединяется с окислителем и воспламеняется. Выделяющаяся химическая энергия нагревает продукты горения до высокой температуры, в камере создаётся высокое давление, за счёт которого продукты горения выбрасываются наружу через сопло – с очень значительной скоростью.

Чем больше эта скорость и чем больше интенсивность истечения выбрасываемых продуктов горения – тем быстрее летит ракета или космический корабль. К примеру, в первой ступени двигателя ракеты "Протон-М" за 121 секунду работы сгорает более 400 тонн топлива и окислителя. То есть за одну секунду из сопел двигателя выбрасывается более трёх тонн вещества.

Но проблема в том, что, как мы уже писали выше, топливо космической ракете приходится везти "на своём горбу". В результате значительная часть мощности двигателя тратится на разгон запасов топлива, которые придётся сжечь на последующих этапах полёта. В случае с Falcon Heavy полезный груз при выходе на низкую орбиту составляет лишь 4% от стартовой массы ракеты, а при полёте к орбите Марса – около 1%.

Именно с этим и связаны все трудности дальних космических полётов, о которых мы рассуждали выше.

Проблему можно было бы решить, если бы удалось существенно увеличить скорость истечения продуктов сгорания из сопла: тогда меньшая масса топлива позволила бы разогнаться до большей скорости. Однако эта скорость, к сожалению, сильно ограничена скоростью протекания химических реакций, и существенно увеличить её уже не удастся.

Однако увеличить скорость реактивной струи всё-таки можно, если использовать для работы двигателя не химические реакции, а иные процессы – например, разгоняя заряженные частицы в электромагнитном поле.

Скорость, до которой можно разогнать такие частицы, практически не ограничена: например, в ускорителях их разгоняют до скоростей, близких к световым. А значит, такой двигатель будет требовать для своей работы намного (в десятки и сотни раз!) меньше "топлива".

В химическом ракетном двигателе используется энергия, выделяющаяся непосредственно за счёт сгорания топлива. В случае с электрическим (ионным, плазменным) двигателем её нужно "внести со стороны": электромагнитное поле для разгона частиц "само" не возникнет. Иными словами, кораблю с электрическим ракетным двигателем нужен некий источник питания – и притом достаточно мощный: например, ядерный реактор.

Вторым недостатком такого двигателя будет относительно малая мощность: да, он будет расходовать "топливо" (правильнее будет говорить – рабочее тело) куда эффективнее, но при этом делать это очень медленно. Поэтому использовать электрические ракетные двигатели на Земле невозможно: их тяга будет недостаточно сильна для того, чтобы оторвать ракету от Земли.

В космосе, где сила гравитации значительно меньше – другое дело. В теории такой двигатель, установленный на борту космического корабля, может разогнать его до скорости, достаточной для полёта к Марсу, использовав в десятки раз меньше топлива, чем классический ракетный двигатель.

Именно такие корабли – на электрической, а не химической ракетной тяге – позволят человечеству достигнуть не только Марса, но и других планет Солнечной системы. И главная новость заключается в том, что работа над такими двигателями уже ведётся.

Так, в России с 2009 года разрабатывают так называемый транспортно-энергетический модуль (ТЭМ). Разработчиками проекта выступают совместно корпорации "Роскосмос" и "Росатом". Космический корабль будет снабжён компактным ядерным реактором мощностью в 1 мегаватт, который будет создавать энергию для питания 30-киловаттных плазменных двигателей. Работы над реактором планируют закончить к 2019 году, а первый рабочий образец устройства планируют запустить в 2025 году.

Работают над электрическими ракетными двигателями и в США: "Ad Astra Rocket Company" разрабатывает подобное устройство по заказу НАСА, и уже испытала несколько стендовых образцов с использованием сверхпроводящих магнитов. По некоторым оценкам, в своей работе разработчики Vasimr продвинулись дальше российских коллег. Что же касается реактора, то в октябре 2017 года НАСА представили систему Kilopower, преобразующую тепло ядерного реактора в электроэнергию с помощью двигателя Стирлинга.

В настоящий момент предполагается, что первые образцы ядерно-электрических установок будут использованы для создание "космических буксиров", предназначенных для доставки грузов с земной на лунную орбиту. Однако не исключено, что для таких "рабочих лошадок" полёт к Марсу окажется вполне подъёмной задачей. А даже если нет, то с ней легко справится следующее поколение подобных кораблей, вслед за чем перед человечеством откроется перспектива покорить и более удалённые планеты Солнечной системы.

Иными словами, освоение технологии ядерно-электрического двигателя для космических кораблей может открыть в истории освоения космоса действительно новую главу.