Первое исследование NASA о возможности пилотируемого полета к Марсу на корабле с ядерным двигателем (1960)

В ноябре далекого 1957 года — в том же самом месяце, когда Советский Союз запустил в космос собачку Лайку на борту 508-килограммового Спутника 2 — около 20 инженеров Исследовательского Центра Льюиса начали исследование возможности использования ядерных, ионных и ракетных двигателей для межпланетных перелетов. 1 октября 1958 года, сразу после образования NASA, центр Льюиса попал под эгиду Агентства, а уже в апреле 1959 года его специалисты отчитались о своей работе перед Конгрессом, попросив финансирование для исследований возможности полетов на Марс. Конгресс ответил согласием, дав добро на первое в США исследование, касавшееся пилотируемого полета на Марс на ядерном двигателе.

В отчете от января 1961 года, который должен был дать краткое описание их работы, исследователи указали, что полет должен был начаться с околоземной орбиты. Сам космический аппарат, рассчитанный на 7 членов экипажа, мог быть либо запущен с Земли в собранном виде, либо выведен в космос по частям, собран на орбите, и затем отправлен в свое путешествие.

^{Общий вид пилотируемого космического корабля. А — ядерный ракетный двигатель. B — центральный бак, C, D — кластеры баков жидкого водорода, E — отсек экипажа, F — Марсианский посадочный модуль, G — Земной посадочный модуль. Изображение NASA.}

После прибытия к цели, корабль, используя двигатели, должен был замедлиться до скорости при которой гравитация Марса смогла бы захватить его, превратив на время в искусственный спутник Красной Планеты. Затем, в ожидании следующего окна запуска, подходящего для старта обратно к Земле, астронавты должны были спуститься на багряную поверхность Марса в кабине Марсианского Посадочного Модуля, использующего для спуска и посадки химические ракетные двигатели. Проведя некоторое время исследуя поверхность планеты, они должны были затем снова взлетать для встречи с остававшимся на орбите космическим кораблем, который, вновь запустив ядернай двигатель, доставил бы экипаж домой на Землю. После возвращения к нашей планете от корабля отделился бы Земной Посадочный Модуль, который, осуществив маневр торможения в атмосфере, доставил бы экипаж на поверхность Земли, в то время как сам межпланетный космический аппарат полетел бы дальше, направляясь на безопасную «мусорную» орбиту вокруг Солнца.

В своем докладе исследователи сосредоточились на изучении влияния трех взаимосвязанных факторов (а именно продолжительности миссии, маневра торможения об атмосферу, и допустимых для экипажа уровней облучения радиацией) на конечную массу аппарата в момент его отлета с орбиты Земли.

Очевидно, что более короткий перелет на Марс потребуют, в целом, большее количество топлива (по плану исследователей, это должен быть жидкой водород), чем более долгий [например, с использованием гравитации других небесных тел для ускорения, — прим.пер.]. С другой стороны, в случае медленного полета пришлось бы брать с собой большее количество груза — необходимого экипажу воздуха, воды и еды. В конечном итоге, исследователи остановились на миссии продолжительностью в 420 дней, включая 40-дневный «период ожидания» на орбите Марса. В чисто аналитических целях они даже выбрали дату старта — 1971 год — однако подчеркнули, что «это не означает, что на это время будут запланированы какие-либо реальные полеты». В качестве точки старта была выбрана 480-километровая орбита вокруг Земли.

Оптимальной датой запуска было выбрано 19 мая 1971 года — когда дельта-V, необходимое для перелета от Земли к Марсу составило бы 19.78 километров в секунду — при учете, что ускорение и торможение проходили бы полностью за счет тяги ядерного двигателя.^[1] При данном сценарии, необходимая величина Дельта-V была бы достигнута за счет нагревания рабочего тела двигателя от реактора, и выбрасывании его из ракетного сопла. Очевидно, таким образом, что чем большее дельта-V необходимо было получить, тем большим было необходимое количество рабочего тела (жидкого водорода). Для сравнения, для миссии продолжительностью 300 дней необходимое значение дельта-V составило бы 26,55 километров в секунду, а для 950-дневного полета — всего лишь 12,39 километров в секунду.

[1] [Под дельта-V понимают разницу в скорости, которой необходимо достичь для успешного проведения маневра. При этом, направление вектора скорости не учитывается, то есть если космическому кораблю нужно ускориться с 0 до 1 км/с, а затем замедлиться снова до 0, то дельта-V составит 2 км/с., прим.пер.]

Авторы показали, что для снижения полетной скорости аппарата прекрасно подходит маневр торможения об атмосферу, что поможет сократить массу корабля [на величину массы рабочего тела, которое иначе понадобилось бы для торможения двигателем, — прим.пер.] В теории, если торможение об атмосферу было бы применено как на подлете к Марсу, так и при возвращении на Землю, величину дельта-V, которую необходимо было бы получить с помощью двигателя, можно было бы сократить вдвое.

Однако эти цифры верны лишь если предположить что термощит, который должен был защитить экипаж от нагрева корабля при проходе через атмосферу, не имел бы массы. На практике же маневр торможения затруднялся еще и тем, что помимо массы самого корабля пришлось бы затормаживать и массу находящегося в его баках водорода, необходимого для возвращения на Землю. При этом жидкий водород имеет весьма малую плотность, поэтому для его хранения понадобились бы большие резервуары. Учитывая это, расчетный вес термощита, который мог бы защитить и отсек экипажа и баки с топливом, получался настолько большим, что маневр торможения об атмосферу Марса позволял бы сэкономить уже на 25% массы, а всего лишь около 3%.

Из-за этих сложностей исследователи пришли к выводу, что целесообразнее было бы применять торможение об атмосферу только при возвращении на Землю. Их 15-тонный, 7-метровый Земной Спускаемый Модуль должен был иметь термощит, который при входе в атмосферу сгорал бы, унося таким образом излишек тепла (такая конструкция щита использовалась на корабля Восток, Восход, Gemini и Apollo, и продолжает использоваться до сих пор на Союзах и Shenzhou). При этом, во время торможения щит потерял бы до 10% собственной массы, а экипаж испытывал бы перегрузки вплоть до 8g. Расчеты показывали, что вес термощита в таком случае был бы в 6 раз меньше чем вес рабочего тела, необходимого для аналогичного торможения при помощи двигателя.

Переходя к вопросу радиации, исследователи предупреждали, что «имеющиеся [на тот момент] знания в области вредного воздействия радиации нельзя считать исчерпывающими» [мягко говоря, — прим.пер.]. Они перечислили следующие факторы, влияние которых следовало рассмотреть: пояса Ван-Аллена вокруг Земли и Марса (на самом деле, у Марса нет радиационных поясов, но тогда об этом не знали), космическое излучение, солнечные вспышки и собственная радиоактивность реактора корабля.

Водородный выхлоп должен был не только толкать 67-метрвый корабль по направлению к Марсу, но и послужить своего рода радиационным щитом. После запуска ядерного двигателя на околоземной орбите, он начнет забирать жидкий водород из баков корабля. По задумке исследователей, два кластера по 6 баков в каждом должны были быть сгруппированы вокруг одного центрального бака, через который жидкий водород и должен был поступать в двигатель. При этом, по мере опустения центрального бака, он должен был пополняться водородом из одного из кластеров. Такая схема гарантирует, что между двигателем и отсеком экипажа всегда будет находится большое количество водорода. После отбытия с орбиты Земли, половина баков в кластере будут отсоединены. Вторая половина будет наполнять центральный бак во время отлета от Марса, и так же будут отсоединены прямо перед отбытием от Красной Планеты.

^{Изображение отсека для экипажа. A — высокозащищенное от радиации помещение, B — жилой отсек, C — грузовой отсек. Изображение NASA.}

Отсек экипажа — это легкозащищенный двухпалубный «барабан» общим объемом 118 кубических метров, который должен был предоставить около 4,645 квадратных метров площади на каждого члена экипажа («Нечто среднее между площадью, которая есть у старшин и у офицеров на подлодке», — говорится в докладе). В центре отсека находится высокозащищенный «сейф» объемом около 17 кубических метров. За исключением этого защищенного помещения, весь отсек экипажа (5 метров в высоту, 10 метров в диаметре [цифры не сходятся, но оставим это на совести авторов оригинала, — прим.пер.]) будет весить всего около 15 тонн. Члены экипажа будут находится в центральном защищенном отсеке во время прохождения поясов Ван-Аллена, операций с ядерным двигателем, а так же крупных солнечных вспышек. Спать экипаж тоже будет там, чтобы как можно сильнее снизить воздействие космической радиации. Исследователи также учли, что 15 тонн припасов, размещенных вокруг центрального отсека, послужат дополнительной защитой [видимо они посчитали, что еду защищать не надо, — при.пер.].

Очевидно, конечно, что общая масса «щита», необходимого для центрального отсека, сильно зависит от того, какова максимальная величина радиации, допустимая для экипажа. При условии избежания крупных солнечных вспышек и допустимом уровне радиации в 100 Бэр, щита массой 23,5 тонны должно было быть достаточно. При максимальной допустимой дозе облучения в 50 Бэр и допустимости одной крупной солнечной вспышки, масса щита должна была бы составить уже 140 тонн. «Эти данные», — говорится в докладе, «подчеркивают важность изучения влияния и опасности космической радиации на человека».

[Стоит отметить, что в этом вопросе исследователи были довольно оптимистичны. Английская википедия говорит, что 100 Бэр, полученные за достаточно небольшой промежуток времени (правда не уточняя что значит «достаточно небольшой») приведут к острой лучевой болезни и смерти в течение нескольких недель. Согласно русской википедии, ликвидаторы Чернобыльской аварии получили дозы облучения около 100 миллизивертов (при том, что «жители некоторых регионов Земли с повышенным естественным фоном получают дозы облучения, равные примерно 100—200 мЗв за 20 лет»). 1 зиверт (в 10 раз больше) равен как раз таки 100 БэР. Разумеется, в 60-х годах воздействие радиации человека было практически не изученным. Если у кого-нибудь есть более точная информация на эту тему, напишите, пожалуйста, в комментариях — прим.пер.]

В конечном итоге, исследователи заключили, что «короткие полеты были бы более целесообразны (с точки зрения веса), чем долговременные миссии», даже несмотря на то, что для таких полетов потребуется больше топлива, так как более длительные полеты потребуют еще большей радиационной защиты экипажа.

Исследователи подсчитали, что масса корабля для 420-дневного полета, с учетом дозы радиации в 100 Бэр, составит около 675 тонн на момент его предполагаемого запуска с Земной орбиты в 1971 году.

Автор: Singerofthefall

Источник