Курс на Марс. Самый реалистичный проект полета к Красной планете
Шрифт:
Вряд ли при такой стоимости программу можно было воспринимать всерьез. Длительность получалась большой, а разрекламированные преимущества колонизации космоса не вызывали энтузиазма у публики, заинтересованной в космических исследованиях. Предложения, озвученные в «90-дневном отчете», также были восприняты скептично. До тех пор пока предложенную стоимость программы в 450 миллиардов долларов не удалось бы значительно уменьшить, ИИК была нежизнеспособна. Это стало очевидно в последующие месяцы и годы, когда Конгресс продолжал отклонять каждый финансовый проект НИК, который попадал на рассмотрение.
На самом деле в «90-дневном отчете» не было ни внутренней логики, ни по-настоящему новых идей. Скорее, это был пересказ навязчивых идей, перекликавшийся с Die Marsprojekt – шестидесятилетней давности проектом пилотируемых миссий на Марс, который немецкий конструктор ракет Вернер фон Браун и его коллеги начали разрабатывать в конце 1940-х годов. Его техническая часть легла в основу программы пилотируемого полета к Марсу в рамках миссии «Аполлон», которая была предложена НАСА, но отклонена в 1969 году. Для фон Брауна и его сотрудников пилотируемая межпланетная миссия была поводом для самых смелых конструкторских фантазий: огромный межпланетный космический корабль (или еще лучше флот из огромных межпланетных космических кораблей), собранный на космической станции и запущенный с околоземной орбиты. Что происходило бы потом на поверхности Марса, было делом второстепенной важности. На базе этой навязчивой идеи – гигантские космические станции для сборки гигантских космических кораблей – обширный коллектив, работавший над «90-дневным отчетом», продолжал предлагать технологии, которые или уже существовали, или планировались в рамках программы технологического развития НАСА. Чтобы привлечь к процессу как можно больше людей, совет разработал самые сложные варианты архитектуры миссии, какие только можно было придумать, – вот пример того, как не нужно заниматься проектированием.
Создание логически последовательной Инициативы исследования космоса
К концу 1989 года для многих стало очевидно, что архитектура миссии, описанная в «90-дневном отчете», была внутренне противоречивой. В попытке разработать систематизированный критический анализ я написал следующий меморандум, который я впоследствии использовал в качестве введения к каждой большой серии статей о плане «Марс Директ» (см., например, [12]). По сути, этот меморандум обобщает рассуждения, которые привели к разработке миссии «Марс Директ», и я привожу его здесь в полном объеме.
В настоящее время существует необходимость разработать для Инициативы исследования космоса логически последовательную архитектуру. Под логически последовательной архитектурой следует понимать прозрачный и логичный набор целей и простой, четкий и экономически оправданный план их реализации. Выбранные цели должны вести к максимальному результату и возможности достигнуть еще более амбициозных целей в будущем. Чтобы упростить план, сделать его более надежным и дешевым, нужно отказаться от создания взаимозависимых миссий (то есть лунных, марсианских и околоземных орбитальных), поскольку в такой зависимости нет необходимости. В то же время план должен опираться на использование довольно разнообразных технологий, которые позволят достичь большого количества целей, – таким образом можно снизить расходы за счет многофункциональности оборудования. И, наконец, самое главное – следует выбрать технологии, которые повысят эффективность миссий. Недостаточно просто слетать на Марс, важно сделать что-то полезное, когда мы там окажемся. Миссии, не дающие весомых результатов, не имеют никакой ценности.
Несмотря на то что вышеизложенные принципы могут показаться очевидными, от них отступали много раз при разработке деталей ИИК (то есть «90-дневного отчета»), и, в результате ИИК стала такой дорогой и непривлекательной, что финансирование программы Конгрессом оказалось под сомнением. Высокая стоимость объясняется тем, что в плане предлагалось использовать совершенно разные ракеты-носители для полетов к Луне и к Марсу и принципиально разные
;устройства для передвижения по поверхности Луны и Марса. Кроме того, план навязывал полностью искусственную зависимость полетов на Марс от лунных миссий и требование связать лунные миссии с огромным орбитальным комплексом космической станции «Фридом», где производилась бы сборка и заправка космических кораблей. Более того, обе исследовательские миссии, и лунная, и марсианская, имели бы близкую к нулевой научную значимость, не было сделано серьезных попыток обеспечить мобильность аппаратуры на поверхности небесных тел, а исследователи Марса должны были провести на Красной планете меньше 5 % времени всего путешествия.
Чтобы сделать план внутренне согласованным, достаточно изменить структуру ИИК в нескольких строго определенных направлениях.
1. Простота и четкость требуют, чтобы лунные и марсианские миссии не зависели от любого рода инфраструктуры на низкой опорной орбите Земли. Помимо того что такую инфраструктуру чрезвычайно дорого проектировать, строить и обслуживать, она еще и крайне ненадежна, и ее трудно ремонтировать, а ее использование увеличивает риски для всех связанных с такой станцией межпланетных миссий, поскольку качество любой космической конструкции сложно проверить. Отказ от инфраструктуры на НОО приведет к использованию усовершенствованных разгонных блоков и/ или топлива, произведенного на планете назначения. Оба варианта позволят сократить массу миссии до такого значения, при котором сборка корабля на орбите вообще не требуется.
2. Низкая стоимость требует, чтобы для миссий к Луне, Марсу или даже другим планетам использовались одинаковые ракеты-носители, разгонные технологии и (по возможности) транспортные средства для исследования поверхности выбранного небесного тела. Также необходимо отказаться от инфраструктуры на земной НОО, так как запуск с ее помощью многоразовых ракет-носителей позволит сэкономить недостаточно средств, чтобы оправдать стоимость самой инфраструктуры. По текущим оценкам, она обойдется примерно в тысячу раз дороже, чем элементы будущего космического аппарата (двигатели, бортовая электроника) – то есть все то, на чем ремонт на орбите позволил бы сэкономить. Другими словами, потребуется подготовить к полету около тысячи миссий, прежде чем такой план окупится. Также, чтобы уменьшить расходы, мы всегда должны использовать наиболее экономичные траектории – то есть проводить запуски в те моменты времени, когда Марс находится в соединении с Землей (что означает экономию топлива и длительную экспедицию на поверхности Марса), – и отказаться от первоначально запланированных миссий с запуском во время противостояния Марса и Земли (большие затраты топлива, краткосрочное пребывание экипажа на поверхности Марса). Последние к тому же требуют принципиально иного оборудования.
3. Чтобы добиться высокой эффективности, астронавты должны получить три основных ресурса, как только достигнут места назначения. Эти ресурсы следующие.
A. Время.
B. Мобильность.
C. Энергия.
Само собой, время потребуется, если астронавтам предстоит выполнять какие-либо полезные исследования, что-то строить или экспериментировать с использованием ресурсов на поверхности планеты назначения. Это означает, что семейство марсианских миссий в противостоянии (полтора года полета и 20-дневное пребывание на поверхности Марса) не представляет интереса. Это также означает, что архитектура миссии с использованием лунного или марсианского орбитального рандеву (ЛОР, МОР) очень нежелательна по простой причине: если время пребывания на поверхности будет большим, то таким же будет время пребывания на орбите. Возникает затруднительное положение: или кого-то из членов экипажа придется оставить без дела в основном корабле на орбите на время длительной высадки на поверхность, подвергая воздействию космических лучей и суровых условий невесомости; или оставить основной корабль беспилотным на долгое время и надеяться на то, что он сохранит свою функциональность к возвращению экипажа. Если корабль окажется хотя бы частично поврежден, положение астронавтов безнадежно.
Альтернативой ЛОР и МОР являются такие варианты, где предусмотрено прямое возвращение с Марса на Землю. Это возможно, если речь идет о полете на Луну с использованием топлива земного производства, однако содержательную часть такой миссии можно было бы значительно расширить, если использовать для возвращения на Землю жидкий кислород, произведенный на Луне. Непосредственное возвращение астронавтов на Землю с поверхности Марса возможно только при использовании топлива марсианского производства.
Мобильность абсолютно необходима, если на небесном теле размером с Марс или даже Луну запланирована любая полезная исследовательская деятельность. Мобильность также требуется для транспортировки природных ресурсов из отдаленных мест на базу, где их можно переработать, и для того чтобы экипаж мог посетить удаленные объекты, такие как группа оптических и радиотелескопов на Луне. Ключ к мобильности как на Луне, так и на Марсе – производство топлива из местных ресурсов для заправки энергоемких роверов и реактивных летательных аппаратов. Самый важный ресурс для топлива на Луне – жидкий кислород, который может быть сожжен с земными компонентами топлива вроде водорода или метана. На Марсе комбинации химического топлива и окислителя, такие как смесь метана и кислорода или угарного газа и кислорода, можно производить как для устройств, передвигающихся по поверхности, так и для и летательных аппаратов, и, кроме того, можно использовать реактивные аппараты, работающие за счет «сырого» топлива – углекислого газа, нагретого тепловым ядерным двигателем.
В больших количествах энергию, необходимую для производства ракетного топлива из местных компонентов и на Луне, и на Марсе, можно генерировать только с помощью ядерных реакторов. Когда нужное количество топлива на Марсе будет заготовлено, реакторы станут очень удобным подспорьем для запасания ядерной энергии, тем самым обеспечивая исследователей ее мобильными источниками, например генераторами на 100 кВт, работающими независимо от двигателя внутреннего сгорания лунохода или марсохода. Наличие больших запасов энергии и на базе, и на удаленных объектах имеет принципиально важное значение для астронавтов, поскольку дает им возможность проводить широкий спектр научных исследований и использовать природные ресурсы. Таким образом, мы видим, что требования простоты, четкости, низкой стоимости и высокой эффективности приводят ИИК к варианту, который предполагает непосредственный запуск на Луну или Марс с помощью существующих средств запуска и передвижения в космосе, а также прямой возврат на Землю с поверхности планеты за счет топлива «местного» производства, которое также используется для передвижения по поверхности и служит мобильным источником энергии [12].
Такова цепочка рассуждений, которая привела к разработке принципиально нового плана миссии, известной как «Марс Директ».
Рождение «Марс Директ»
К январю 1990 года стало ясно, что «90-дневный отчет» с треском провалился. Чтобы обсудить действия в сложившейся ситуации, в отеле «Бродмур» в Колорадо Спрингс было устроено выездное совещание избранных членов правления «Мартин Мариетта». Доктор Бен Кларк, менеджер нижнего звена «Мартин Мариетта», который был одним из четырех ведущих разработчиков миссии «Викинг» в 1976 году (он разработал эксперимент по рентгеновской флуоресценции), и я, тогда только старший инженер, тоже были приглашены. Оба мы имели в компании репутацию «идейных людей», но занимали там самое скромное положение по сравнению с другими присутствовавшими.
Мы с Беном поразили собравшееся руководство смелым замыслом: подобрать в «Мартин Мариетта» небольшую команду специалистов и разработать собственный идеализированный проект полета на Марс, свободный от предрассудков НАСА. Было бы достаточно сложно создать здравый, экономически выгодный и выполнимый в ближайшем будущем проект пилотируемой марсианской миссии, не привлекая кучу торговых агентов, которые придут и скажут, что мы должны в первую очередь угодить какому-то менеджеру или группе менеджеров из космического центра Джонсона или Маршалла НАСА. Наша команда должна быть свободной от таких влияний. В конце концов, именно попытка угодить всем привела к тому, что «90-дневный отчет» получился провальным.
Это предложение было очень радикальным. Основное негласное правило в управленческой среде аэрокосмической промышленности: всегда говорить покупателям (НАСА или ВВС США) только то, что они хотят услышать, другими словами, следовать линии партии. Очевидно, это самый простой способ продать товар. Мы предлагали противоположный подход: продумать несколько достойных вариантов, а затем сообщить покупателю то, что он должен услышать, причем не важно, понравится ему это или нет.
Самой значительной, хотя и не самой высокопоставленной, фигурой на встрече был Эл Шалленмюллер, недавно назначенный вице-президентом гражданских космических систем «Мартин Мариетта» в подразделение, отвечающее за ИИК. Шалленмюллер набрался опыта как инженер, работая на Келли Джонсон в легендарном «Сканк уоркс» – исследовательском подразделении «Локхида». Он знал, что большие и сложные программы можно создавать дешево и быстро, если взяться за дело с нужного конца. В 1976 году он работал одним из ключевых инженеров в программе «Викинг». Он раз за разом мог рассказывать, как захватывающе было изучать первую фотографию поверхности Марса, полученную «Викингом». Шалленмюллер действительно хотел «вернуться» на Марс. Он знал, что, если не появится что-то лучше, чем «90-дневный отчет», программы покорения Марса не будет вообще. Он поддержал наше предложение.
А в феврале 1990 года в «Мартин Мариетта» сформировали команду из двенадцати человек под руководством Эла Шалленмюллера и предоставили ей полномочия разработать «новые масштабные стратегии» освоения космического пространства человеком. Большинство членов команды, например Бен, я и Дэвид Бейкер, специалист в области систем управления космическими кораблями, были инженерами широкого профиля. Но среди нас было и несколько узких специалистов, например Билл Уилкоксон из «Мартин Мариетта», занимавшийся торможением аппаратов в атмосферах планет (Биллу предстояло сыграть ключевую роль в успешном торможении космического аппарата «Магеллан» в атмосфере Венеры), Эл Томпсон, лидер области в искусственной гравитации, а также Стив Прайс, специалист «Мартин Мариетта» по проектированию роверов.
Больше всего идей по проекту внешнего вида аппаратов миссии на Марс было у меня и Бена, но мы соглашались друг с другом далеко не во всем. Мы сходились в том, что нужно экономить топливо (то есть стоит ориентироваться на старт, близкий к моменту, когда Марс будет в соединении с Землей), что можно обойтись без лунной базы как пересадочной станции по пути на Марс и что использование орбитальной инфраструктуры для строительства кораблей на орбите было бы очевидной ошибкой. А в остальном наши представления расходились. Бен считал, что роботизированной технике и бортовым манипуляторам можно доверить сборку корабля из деталей, доставленных на орбиту Земли. Поскольку Бен очень хотел собрать свой космический корабль на орбите, он, в отличие от меня, не стремился уменьшить массу миссии. Несмотря на то что он годами продолжал активно интересоваться возможностями изготовления ракетного топлива на Марсе, он не видел необходимости встраивать эту стратегию в свой план полета. Бен также не считал нужным увеличивать время, которое экипаж проведет на поверхности Марса, – достаточно полутора лет. Значительную часть этого срока астронавты должны были находиться на орбите, выбираясь на поверхность лишь на тридцать дней на небольшом посадочном корабле. Бен предлагал использовать химические реактивные двигатели, которые можно приобрести у уже существующих производителей. Результатом таких размышлений была относительно традиционная миссия (если вообще можно называть «90-дневный отчет» и подобные ему планы традиционными), предусматривающая создание 700-тонного орбитального космического аппарата. Однако в этом проекте отсутствовали развитые в «90-дневном отчете» дорогостоящие идеи по строительству инфраструктуры на Луне и орбите Земли. Первоначально Бен называл свой план «Концепция 6», но позже изменил название на «Подход прямолетящей стрелы».
Я с рассуждениями Бена не согласился, так как не доверял схеме роботизированной самосборки. Кроме того, при требовании каждый раз запускать 700 тонн на низкую опорную орбиту Земли к Марсу отправят не так уж много миссий, а тридцать дней на поверхности не позволят детально исследовать планету. Насколько я понимаю, мы стремимся на Марс не ради нового рекорда, мы хотим изучить и начать обживать Красную планету.
Длительное присутствие на Марсе требует большого количества повторных миссий, а это возможно, только если масса и, следовательно, стоимость миссии будут снижены. Лучший способ добиться этого – использовать для возвращения на Землю топливо марсианского производства. В 1989 году я уже провел исследования, показывающие, что, если объединить такую стратегию с использованием ядерного реактивного двигателя при возвращении миссии с Марса на Землю, осуществить пилотируемый полет к Марсу можно с помощью одной ракеты-носителя «Сатурн-5» времен миссии «Аполлон». Если рассчитывать на одну ракету-носитель, все компоненты миссии можно собрать на мысе Канаверал, и вопрос о сборке армады межпланетных кораблей на орбите будет неактуален. Далее, используя топливо местного производства, можно высадить на Марсе всю необходимую технику, ничего не оставляя на орбите. Это позволит организовать длительные экспедиции на поверхность, которые я считаю абсолютно необходимыми, если мы хотим получить во время пребывания на Марсе какой-то результат. Прямой запуск одной ракеты-носителя тяжелого класса, использование ядерного реактивного двигателя при возвращении с Марса на Землю и старт напрямую с поверхности Марса за счет топлива местного производства – это лучший способ реализации миссии на Марс.
Теперь о варианте, предложенном Дэвидом Бейкером. Бейкер был высококлассным инженером во времена, когда системы космических кораблей и их внешний вид создавали, вдохновляясь программой разработки транспортного средства для лунной миссии в «Мартин Мариетта». Когда Бейкер трудился над этим проектом, его выводили из себя взбалмошные требования НАСА. Например, чтобы проектируемый модуль был в состоянии высадиться на Луне даже в случае отказа любых двух двигателей. (Лунный посадочный модуль «Аполлона» имел только один двигатель.) Тогда, чтобы соблюсти симметрию силы тяги, требовалось спроектировать модуль с пятью двигателями, хотя было достаточно, чтобы работал только один. При этом сила тяги стала бы слишком большой, и пришлось бы снизить мощность двигателей на 10 %, а значит, появлялась необходимость в новой дорогостоящей программе разработки. Кроме того, НАСА требовало, чтобы двигатели были многоразовыми. Другими словами, по пути к Луне и обратно пришлось бы нести пять тяжелых двигателей – что означало дополнительную нагрузку и серьезное увеличение стоимости миссии, – а потом проводить технический осмотр и встраивать их в следующую конструкцию стоимостью в многие миллиарды долларов. И все это для того, чтобы выполнить работу, с которой легко справится один двигатель «Пратт энд Уитни RL-10» стоимостью в 2 миллиона долларов. Бейкер сделал все, что мог, работая в проекте лунного транспортного модуля, но однажды признался мне: «Ничего из этого не имеет смысла».