ПРОЕКТ «ПОЛЁТ НА МАРС»: МЕЖПЛАНЕТНЫЙ ПЕРЕЛЁТ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ЗЕМЛЯ-МАРС

Данная статья посвящена изучению межпланетных траекторий космических аппаратов. Изучена история создания космических проектов полёта на Марс. Рассмотрен возможный перелет Земля-Марс для космической транспортной системы на базе ракеты-носителя. Приведены оценки рассматриваемого перелета. Предложена перспектива освоения планеты Марс.

Марс давно привлекает внимание астрономов — ведь его природные условия более чем у других планет, напоминают земные. Марс окружен атмосферой, на Марсе есть вода, проявляющая себя в виде белых пятен инея или льда у полюсов, а также в виде тонких облаков, состоящих из ледяных кристалликов, плавающих в атмосфере планеты. С распространением влаги связано периодическое потемнение обширных областей, сопровождающее таяние «полярных шапок» Марса. Большую часть поверхности Марса занимают оранжево-красные пространства, похожие на наши пустыни. Меньшую часть занимают темные области, получившие название «морей». (Рис. 1).

Раскрыть многие из загадок Марса мы сможем, вероятно, уже в ближайшие годы, когда к Марсу полетят автоматические ракеты, снабженные приборами для съемки и передачи изображений на далекие расстояния. Перелет на Марс может продолжаться различное время в зависимости от начальной скорости и траектории полета. После разгона ракеты с помощью двигателей и придания ей скорости определенной величины и направления ее двигатели, как известно, выключаются, и дальнейший полет происходит уже под действием сил притяжения Солнца и планет, или, как говорят астрономы, по законам небесной механики [1, с. 8].

Рисунок 1. Полярные шапки Марса

Наиболее выгодным, с точки зрения экономии горючего, будет перелет по полуэллипсу, касательному к орбитам Земли и Марса. В этом случае ракете нужно сообщить начальную скорость 11,59 км/сек — лишь на 0,23 км/сек больше, чем у первой советской космической ракеты. Это значит, что полет на Марс не требует значительного увеличения мощности двигателей по сравнению с теми мощностями, которые уже были достигнуты при пуске советских космических ракет. Перелет займет 259 суток, или восемь с половиной месяцев. При увеличении начальной скорости до 12 км/сек, и срок перелета сократится до 150 суток. Еще более быстрым и коротким был бы перелет с Земли на Марс по параболической траектории. Если сообщить ракете начальную скорость 16,7 км/сек, она достигнет поверхности Марса за 70 суток. Посадка на поверхность Марса представит серьезные трудности, так как скорость к моменту встречи с планетой достигнет 20,9 км/сек и ее торможение потребует значительного расхода горючего. Будущим космонавтам придется учитывать, что взаимное расположение Земли и Марса, движущихся по своим орбитам, непрерывно изменяется и вылет с Земли на Марс, а также с Марса на Землю возможен не в любой день, а в строго определенные моменты. Если космический корабль имеет возможность взлетать по параболической траектории, можно выбрать такое расположение обеих планет, чтобы пребывание на Марсе продолжалось всего 13 суток, а все путешествие туда и обратно заняло 5 месяцев (Рис. 2).

Рисунок 2. Траектория полёта к Марсу

Сила притяжения на Марсе почти в два с половиной раза меньше, чем на Земле, поэтому минимальная скорость взлета и посадки космического корабля здесь почти вдвое меньше, чем на нашей планете. Зато, хотя плотность атмосферы Марса у поверхности в 12 раз меньше, чем плотность атмосферы Земли, она убывает с высотой гораздо медленнее, чем у нас. На высоте 28 км плотности обеих атмосфер становятся равными, а еще выше марсианская атмосфера оказывается плотнее земной. Поэтому, например, метеоры там сгорают на больших высотах, чем в нашей атмосфере, а значит, и торможение космического корабля при подлете к Марсу начнется раньше, чем при подлете к Земле.

Для будущих космонавтов важно знать, можно ли дышать в атмосфере Марса или хотя бы добывать из нее кислород. На первый вопрос астрономические данные дают отрицательный ответ. На второй — окончательного ответа пока нет, так как кислород в атмосфере Марса пока не обнаружен. Но не исключена возможность, что его удастся получить химическим путем из марсианских минералов, красноватый цвет которых говорит о наличии в них окислов железа. Запасы воды путешественники найдут в полярных шапках Марса, состоящих, по-видимому, изо льда. Жить на Марсе придется первое время в ракете, а затем — в герметических жилищах с искусственным климатом, выходить придется в скафандрах.

Первые планы полёта на Марс появились в СССР в середине XX в. Сначала был разработан проект марсианского пилотируемого комплекса со стартовой массой в 1630 тонн. Собрать его предполагалось на низкой околоземной орбите за 20—25 пусков ракеты-носителя Н-1. Продолжительность экспедиции должна была быть 2,5 года. Затем последовала разработка тяжелого межпланетного корабля, полёт был назначен на 8 июня 1971 г. с возвращением на Землю 10 июня 1974 г., но затем последовала «лунная гонка», во время которой закрыли проект полёта на Марс.

Российская Федерация планирует осуществить пилотируемый полёт на Марс в первой половине XXI в. В рамках национальной космической программы до 2015 года, на Земле проводилась имитация марсианского полёта под названием «Марс-500». К 2015 году планируется разработать саму установку, а к 2018 году — транспортный модуль, который использовал бы её. Будут созданы ядерные энергодвигательные установки. Двигатели такого типа будут иметь удельный импульс до 20 раз больший, чем у химических двигателей, что сократит время полёта к Марсу до 1—1,5 месяцев.

Европейское космическое агентство составило программу «Аврора», целью которой в том числе является планирование лунной и марсианской миссий. Высадка космонавтов на Марс произойдёт до 2033 г.

В США с 2024 г. по планам НАСА должна появиться постоянно обитаемая лунная база, которая стала бы подготовкой для полёта на Марс. Согласно проекту, непилотируемые полёты подготовили бы людей к высадке на Марсе; здесь американская и европейская программы едины. Возможное путешествие к Марсу могло бы состояться по оценкам НАСА в 2037 г.

Проект «Столетний космический корабль» — проект безвозвратного направления людей на Марс с целью колонизации планеты. Это приведёт к значительному сокращению стоимости полёта, появится возможность взять больше груза и экипаж. Первых «марсиан» планируется отправить к красной планете уже в 2030 г. Группа учёных или астронавты, доставленные на Марс вместе с высокотехнологичной аппаратурой и небольшим ядерным реактором, смогут производить кислород, воду и пищу. Кроме основной цели полёта на Марс — высадки нескольких людей на поверхность Марса с возвращением на Землю, также к целям миссии принадлежит поиск ресурсов за пределами Земли.

Задача оптимизации траекторий космических аппаратов (КА), оснащенных электроракетными двигательными установками (ЭРДУ), несмотря на большое количество работ, посвященных этой теме, остается актуальной задачей и в настоящее время. Существует большое количество проблемных вопросов, требующих разрешения. Одним из них является вопрос о целесообразности использования гравитационного маневра у Луны при реализации межпланетных траекторий. В рамках данной работы предлагается методический подход для расчета межпланетных траекторий КА с ЭРДУ при использовании гравитационного маневра у Луны. Как пример применения, методики проанализирован перелет Земля-Марс с гравитационным маневром у Луны для космической транспортной системы на базе ракеты-носителя «Союз2-1б» и химического разгонного блока «Фрегат» [2, с. 435].

Экспедиция осуществляется при помощи одного космического аппарата (КА) и включает следующие этапы:

·     старт с Земли и выведение КА на траекторию полета к Марсу;

·     перелет Земля-Марс с проведением 2-х коррекций межпланетной траектории, десантирование малых станций (МС) с подлета, увод орбитального аппарата (ОА) на пролетную траекторию, обеспечивающую выход на выбранную орбиту ИСМ;

·     торможение и выход на орбиту ИСМ с номинальным периодом обращения 43.09 ч (период обращения 43.09 ч выбран из условия прохождения 4-х витков космическим аппаратом за 7 оборотов Марса);

·     коррекции орбиты ИСМ (фазирование, понижение высоты перицентра, синхронизация), десантирование пенетраторов (ПН), проведение цикла сеансов связи орбитального аппарата с малыми станциями и пенетраторами;

·     проведение телевизионной съемки поверхности планеты с орбиты, других научных исследований, а также сеансов связи с ПН. и МС; коррекции рабочей орбиты для поддержания ее параметров в заданных пределах (Таблица 1).

Этот маневр, называемый «межорбитальным перелетом с высоким апогеем», особенно актуален при запуске геостационарных спутников, которые первоначально выводятся на низкую орбиту с наклонением к экватору, равным широте космодрома, а потом переводятся на геостационарную орбиту (с нулевым наклонением) [3, с. 17]. Использование биэллиптической траектории позволяет заметно сэкономить на топливе (Таблица 2).

Гравитационные маневры. Гравитационные, или на профессиональном языке пертурбационные маневры практически не требуют расхода топлива. Все что нужно — это наличие вблизи трассы полета небесного тела, обладающего достаточно сильной гравитацией и подходящим для целей миссии положением. Подлетая к небесному телу, космический аппарат под действием его поля тяготения ускоряется или замедляется. Аппарат, ускорившись гравитацией планеты, ею же и тормозится после сближения с небесным телом и что в результате никакого ускорения не будет. Действительно, скорость относительно планеты, используемой в качестве «гравитационной пращи», не изменится по модулю. А в гелиоцентрической (связанной с Солнцем) системе отсчета окажется, что скорость меняется не только по направлению, но и по величине, поскольку складывается из скорости аппарата относительно планеты и, по крайней мере, частично, скорости самой планеты относительно Солнца. Таким способом можно без затрат топлива изменить кинетическую энергию межпланетной станции. При полетах к дальним, внешним, планетам Солнечной системы гравитационный маневр используется для разгона, а при миссиях к внутренним планетам — напротив, для гашения гелиоцентрической скорости [4, с. 235].

Разумеется, для выполнения гравитационных маневров дата старта должна быть выдержана весьма точно. Баллистики оперируют понятием «окно запуска» — это интервал дат, в пределах которого эффективность запланированных гравитационных маневров максимальна. Ближе к краям «окна» эффект становится меньше, а потребности в топливе — больше. Если же выйти за его границы, то носитель просто не сможет вывести аппарат на нужную орбиту, что приведет к срыву полета или недопустимому возрастанию его длительности. Например, запуск «Новых горизонтов» неоднократно переносился по погодным и техническим причинам. Задержись старт еще на несколько дней, и зонд отправился бы в полет уже без расчета на «гравитационную помощь» Юпитера и с меньшими шансами на успех. Благодаря их большой массе поворачивать возле них можно по широкой плавной дуге и требования к точности навигации остаются довольно мягкими. Однако нередко в качестве «пушки» используют Венеру, Землю, Марс и даже Луну [5, с. 14].

Но гравитационные маневры — не единственный способ сэкономить топливо. Еще в 1930-х годах один из пионеров отечественного ракетного двигателестроения Валентин Петрович Глушко предложил использовать электроракетные двигатели (ЭРД). По сравнению с традиционными жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) скорость истечения рабочего тела у них на порядок выше, а значит, топлива требуется в сотни раз меньше. К сожалению, тяга ЭРД исчисляется величинами порядка нескольких граммов-силы, так что для вывода аппаратов на орбиту они не годятся. Это «двигатели открытого космоса», предназначенные для медленного, но непрерывного ускорения, длящегося месяцы, а при межпланетных полетах и годы. «Миссии с малой тягой» стали популярны лишь тогда, когда электроника, сделав гигантский скачок, позволила увеличить срок службы космических аппаратов с нескольких месяцев до нескольких лет, а то и десятилетий [6, с. 217].

Перелет с орбиты Земли на орбиту Марса займет 2—2,5 года. Корабль, в котором все это время должен жить и работать экипаж, имеет массу 500 тонн, и топлива ему требуется сотни тонн. Именно масштабность задачи отличает полет человека на Марс от полетов сравнительно небольших автоматических аппаратов. Общая масса всего пилотируемого комплекса становится значительно больше, чем могут вывести на орбиту даже самые мощные ракеты-носители. Лучше отправлять его на околоземную орбиту по частям, из этих частей и собирать там комплекс, используя уже отработанные технологии на орбите.

Полет произойдет следующим образом. За несколько месяцев комплекс соберут, и межпланетная экспедиция по гелиоцентрической орбите перелетит в окрестности Марса. Так как опускать весь межпланетный корабль на поверхность Марса нецелесообразно, в составе комплекса будет взлетно-посадочный модуль. После выхода межпланетного экспедиционного комплекса на круговую орбиту вокруг Марса в нем экипаж или его часть совершит посадку на поверхность планеты. После окончания работы на поверхности космонавты вернутся на корабль. Межпланетный экспедиционный комплекс стартует с околомарсианской орбиты к Земле и выйдет на орбиту, с которой стартовал к Марсу. На корабле возвращения экипаж спустится на Землю [7].

Таким образом, межпланетный экспедиционный комплекс состоит из четырех основных функциональных частей: корабля, в котором работает экипаж и размещается все основное оборудование; межпланетного буксира, обеспечивающего перелет по межпланетной траектории; взлетно-посадочного комплекса и корабля возвращения на Землю. Основная проблема организации полета человека на Марс — обеспечить высокую вероятность благополучного возвращения экипажа. Уровень безопасности экипажа должен соответствовать российским стандартам, то есть марсианская экспедиция должна быть не опаснее, чем, например, полет на орбитальную станцию. Выполнить это требование чрезвычайно сложно [8].

Одним из принципиальных технических решений по межпланетному комплексу стал выбор буксира, по существу - большой ракеты с многократным включением двигателей. Сегодня самой надежной ракетой, выводящей человека в космос, остается ракета-носитель «Союз», прекрасно работавшая всю многолетнюю историю пилотируемых полетов. На случай отказа предусмотрена система аварийного спасения, когда при выходе из строя ракеты-носителя пороховые двигатели уводят спускаемый аппарат с экипажем от ракеты и космонавты приземляются на поверхность Земли. Эту систему спасения уже приходилось применять при эксплуатации орбитальных станций. Ракету «Союз» соберут на Земле и испытают с участием множества специалистов, включая группы контроля качества работ, а межпланетную ракету соберут и испытают на орбите. И она должна иметь значительно более высокую надежность, чем «Союз», так как невозможно создать систему аварийного спасения экипажа в случае отказа в процессе ее выхода на гелиоцентрическую орбиту. Поэтому для обеспечения необходимой безопасности экипажа нужны принципиально новые технические решения при выборе межпланетного буксира. Кроме того, колонизация Марса может сыграть большую роль в спасении человечества в случае какой-нибудь глобальной катастрофы на Земле, например столкновения с астероидом. Несмотря на то, что вероятность такой катастрофы невелика, необходимо об этом думать, так как последствия глобальной катастрофы могут быть фатальны для человеческой цивилизации [9].

В рамках данной работы представлена методика анализа и оптимизации межпланетных траекторий при использовании лунного гравитационного маневра. Применение ее было проиллюстрировано на проекте перелёта Земля-Марс.

Список литературы:
1.    В.Е. Бугров. Марсианский проект Королева // Российский космос. — 2006. — № 2. — С. 5—11.
2.    Г.Л. Гродзовский, Ю.Н. Иванов, В.В. Токарев, Механика космического полета. Проблемы оптимизации. М.: Наука, 1975 — 702 с.
3.    Л.А. Горшков, В.Е. Любинский «Первый отечественный марсианский проект». Журнал «Аэрокосмический курьер», № 1, 2000 — 17 с.
4.    В.А. Иванов, Н.В. Фалдин, Теория оптимальных систем автоматического управления. М.: Наука, 1981 — 336 с.
5.    С.П. Зацерковный, А.И. Кузин, К.А. Павлов, Г.А. Шевцов. Применение ТЭМ для решения перспективных космических задач // «Авиакосмическая техника и технология». Российская инженерная академия, — 2000. — № 2. — С. 15—19.
6.    М.С. Константинов, Е.Ф. Каменков, Б.П. Перелыгин, В.К. Безвербый; Под. ред. В.П. Мишина, Механика космического полета. М.: Машиностроение, 1989 — 408 с.: ил.
7.    http://astrotop.ru/.
8.    http://www.nasa.gov/.
9.    http://www.roscosmoc.ru/.