Курс на Марс. Самый реалистичный проект полета к Красной планете - Роберт Зубрин

Заметим, что каждая пилотируемая марсианская миссия, проведенная по этому сценарию, потребует в общей сложности 49 рейсов РОСД. Это было бы совершенно нелепо, если бы РОСД эксплуатировались аналогично существующим ракетам-носителям – с частотой запусков около одного в месяц. Однако если сторонники РОСД приложат усилия, то эти ракеты можно было бы запускать как самолеты, быстро возвращая их на Землю, чтобы частота полетов выросла хотя бы до нескольких раз в неделю. План, по всей вероятности, жизнеспособный. Однако этот подход очень высокотехнологичен. Помимо требований к производительности и эксплуатационным качествам РОСД, которые до сих пор не достигнуты, необходимо, чтобы и жидкий кислород, и жидкий водород можно было бы перемещать из одного орбитального РОСД в другой в условиях невесомости. Сейчас и жидкий кислород, и жидкий водород являются криогенными (ультрахолодными) жидкостями, и перемещение таких жидкостей в условиях микрогравитации из одного бака в другой еще никогда не проводили. Эта операция чревата проблемами. В эластичном баллоне криогенные жидкости замерзнут, а насосы не будут работать, потому что в невесомости нет никакого способа заставить жидкость двигаться к точке всасывания (насос втянет небольшой объем и остановится, потому что новая жидкость к нужной точке не потечет). Можно было бы привести бак в движение, медленно ускоряя транспортное средство ракетными двигателями или разместить их на вращающейся платформе, также предлагались капилляры и другие устройства, которые используют поверхностное натяжение жидкости, чтобы управлять ее движением. Кроме того, по меньшей мере для кислорода существует возможность контролировать движение жидкостей с помощью магнитов. (Жидкий кислород – парамагнетик, его можно притянуть магнитом.) Короче говоря, пока ситуация не безнадежна, но нужно проделать большую работу, чтобы на этот план можно было положиться.

К настоящему моменту я склоняюсь к старомодному варианту «Марс Директ» с одноразовыми ТРН, химическими реактивными двигателями, роверами, запряженными лошадьми (ну, не совсем), и остальными примитивными атрибутами наших нынешних Темных веков освоения космоса. Возможно, существуют более удобные способы добраться на Марс, и, когда они окажутся доступны, мы будем их использовать. Но, скорее всего, этого не произойдет до тех пор, пока мы не начнем использовать то, что имеем сейчас, чтобы попасть на Марс и сдвинуться с мертвой точки. Что морские волки говорят о тех, кто покорил семь морей? Железные люди и деревянные корабли, а не деревянные люди и железные корабли. То же применимо и к Марсу.

Мы можем долететь на Марс, используя то, что у нас есть сейчас.

ΔV и гиперболическая скорость

В этой главе я много говорил о ΔV и гиперболической скорости. Это два различных понятия, но они взаимосвязаны.

Изменение скорости, или ΔV, измеряется в единицах скорости, таких как километры в секунду (км/с), и является фундаментальным понятием ракетостроения. Если у вас есть космический корабль с известной сухой массой М (то есть без топлива), определенное количество топлива, Р, и ракетный двигатель со скоростью истечения С, следующее уравнение, известное как «ракетное уравнение», показывает, насколько большую ΔV может произвести система:

(М + Р)/М = exp(ΔV/C) (1)

Величина (М + Р)/М, известная как «отношение масс» аппарата, возрастает по экспоненте пропорционально ΔV/C. Если ΔV/C = 1, то отношение масс равно е¹ = 2,72. Если ΔV/C = 2, отношение масс равно е² = 7,4. Если ΔV/C = 3, отношение масс равно 20,1. Если ΔV/C = 4, отношение масс равно 54,6. Экспоненциальная зависимость очень «сильная»: небольшое увеличение ΔV или уменьшение С может привести к очень большому скачку отношения масс. На самом деле ситуация еще хуже, потому что сухая масса М должна включать не только полезную нагрузку, которую вы пытаетесь запустить, но также массу топливных баков, в которых будет храниться топливо, и достаточно больших двигателей, которые будут разгонять космический корабль с его ракетным топливом, и оба этих паразитных веса также возрастают пропорционально Р. Поэтому при росте ΔV/C масса космического аппарата растет быстрее, чем по экспоненциальному закону, поэтому сильно зависит от легкости строительных материалов и плотности используемого топлива, и где-то между ΔV/C = 2 и ΔV/C = 3 масса космического корабля с одной ступенью будет уходить в бесконечность! По этой причине ракетостроители готовы на все ради того, чтобы уменьшить ΔV и увеличить С.

Кстати, если вам интересно, вы можете получить скорость истечения для ракеты в метрах в секунду путем умножения ее удельного импульса, I_sp, на 9,8. Если вы хотите получить С в километрах в секунду, умножайте I_sp на 0,0098.

С (м/с) = 9,8I_sp

С (км/с) = 0,0098I_sp (2)

Рис. 4.3. Соотношения между средним временем полета, стартовой скоростью (ΔV) и массой космического корабля для 20-тонного аппарата, покидающего низкую околоземную орбиту (НОО) в направлении Марса. Двигатели водородно-кислородные с удельным импульсом 450 секунд. Обратите внимание на то, что масса миссии резко возрастает для полетов длительностью менее 170 дней

Рис. 4.4. Путешествие с Марса на Землю. Соотношения между средним временем полета, стартовой скоростью (ΔV)и массой космического корабля для 20-тонного аппарата, покидающего низкую околомарсианскую орбиту (ОМО) в направлении Земли. Двигатели метаново-кислородные с удельным импульсом 380 секунд. Обратите внимание на то, что масса миссии начинает резко расти, когда длительность полетов становится меньше 170 дней

Гиперболическая скорость в виде относительной скорости вылета с планеты или прилета на планету – это не то же самое, что ΔV, или изменение скорости, которое должно быть создано двигателями ракеты. Тем не менее они связаны друг с другом и с максимальной скоростью повторного входа в атмосферу прибывающего космического аппарата следующим уравнением:

(V0 + ΔV)² = V_e² + v_h² = V_r², (3)

где V₀ – скорость космического аппарата в самой нижней точке орбиты, с которой происходит старт, ΔV – изменение скорости, создаваемое ракетными двигателями космического корабля, V – вторая космическая скорость для планеты (11 километров в секунду для Земли, 5 километров в секунду для Марса), V_h – гиперболическая скорость космического аппарата, а V_r – скорость повторного входа в атмосферу. На рисунках 4.3 и 4.4 мы показываем соотношения между временем полета, стартовой скоростью (или «гиперболической скоростью»), ΔV и массой миссии для 20-тонного космического корабля, покидающего НОО Земли или Марса для межпланетного полета.