Константин Феоктистов - Траектория жизни. Между вчера и завтра
При использовании электрореактивных двигателей отдельная разгонная ракета не понадобится, ее функция перейдет к орбитальному кораблю, который в этом случае будет представлять собой единое целое с двигательной установкой.
Самое важное преимущество использования электрореактивных двигателей: увеличение конечной массы корабля или массы марсианского планетного корабля слабо влияет на увеличение стартовой массы и, следовательно, на общее усложнение предприятия в процессе его разработки и создания.
Корабли с электрореактивными двигателями имеют и принципиальные недостатки: отсутствует опыт многолетней эксплуатации этих двигателей, нужна мощная энергоустановка на борту корабля, ресурс работы самих электрореактивных двигателей должен исчисляться тысячами часов.
Для стартовой массы комплекса порядка 300–400 тонн на борту корабля потребуется установить электростанцию мощностью 30–40 тысяч киловатт с массой около 150–200 тонн.
Использование ядерной электростанции на борту ко всем осложнениям прибавляет проблему радиационной защиты экипажа и оборудования корабля. Причем задача усложняется тем, что ее нужно решать не только во время полета комплекса в целом (когда отсеки экипажа и ядерный реактор неподвижны относительно друг друга и, следовательно, можно ограничиться теневой защитой), но и на участках, когда планетный корабль уходит от орбитального или приближается к нему.
Корабль с ядерной электростанцией и с электрореактивными двигателями можно представить в виде составных частей, последовательно располагающихся вдоль его продольной оси: ядерная энергоустановка (ЯЭУ), электрореактивные двигатели, ферма, соединяющая ЯЭУ с отсеками корабля, радиатор системы терморегулирования ЯЭУ, для отвода тепла, не использованного в преобразователях, которые преобразуют тепло, выделяемое в реакторе в электроэнергию (по размерам это самая большая часть корабля), рабочие и жилые отсеки орбитального корабля, спускаемый аппарат, используемый при возвращении на Землю, планетный корабль.
Такая схема для марсианской экспедиции имеет то преимущество, что комплекс вытянут вдоль продольной оси, центр масс находится в районе соединительной фермы и довольно близко к естественной может быть реализована искусственная сила тяжести в отсеках экипажа.
Проблемы, связанные с энергоустановкой, могут существенно измениться, если использовать не ядерную установку, а солнечные батареи. Солнечные батареи смогут конкурировать с ЯЭУ только в случае, если масса ферменных конструкций и самих солнечных элементов, приходящаяся на один киловатт получаемой электроэнергии, не будет превосходить 7–10 килограммов. Эта задача может быть решена, если будут созданы пленочные солнечные батареи, предназначенные для работы в космосе, устойчивые к ультрафиолетовому излучению Солнца. Такие пленочные солнечные батареи могут оказаться необходимыми для марсианской экспедиции, для орбитальных электростанций и заводов. Это вообще актуальная задача для современной техники.
К принципиальным недостаткам марсианской экспедиции с использованием ЭРД относятся необходимость доставки экипажа на корабль уже за радиационными поясами, увеличение времени полета на несколько месяцев (из-за малого ускорения при разгонах и торможениях) и, соответственно, роста массы радиационной защиты, а следовательно, и массы всего марсианского комплекса (очень возможно в несколько раз).
Для варианта марсианской экспедиции с использованием только реактивных двигателей на химическом топливе существенно важным является выбор самой оптимальной по энергетике схемы полета.
В качестве такой схемы можно предложить следующую последовательность операций.
Выведение на низкую околоземную монтажную орбиту кораблей экспедиции и стыковка их между собой.
Доставка на комплекс экипажа с помощью транспортного корабля.
Выведение на монтажную орбиту водородно-кислородных блоков разгонной ракеты, предназначенной только для выведения кораблей экспедиции на траекторию полета к Марсу.
Стыковка их с кораблями экспедиции и заправка разгонной ракеты водородом и кислородом.
Старт к Марсу, с отбросом разгонной ракеты после окончания ее работы, с тем чтобы необходимая скорость ухода не превышала 3,5 километров в секунду.
Переход на сильно вытянутую эллиптическую орбиту спутника Марса, практически без расхода топлива, за счет торможения кораблей в атмосфере Марса. Во время движения в атмосфере корабль нужно будет защищать от нагрева теплозащитным экраном.
Отделение планетного корабля, его спуск, работа на Марсе, возвращение планетной части экспедиции на орбитальный корабль.
Отлет орбитального корабля с орбиты спутника Марса к Земле за счет использования маршевого двигателя объединенной двигательной установки орбитального корабля.
Переход экипажа в возвращаемый аппарат при подлете к Земле, отделение его от орбитального корабля, вход его в атмосферу Земли со второй космической скоростью и приземление.
В составе орбитального корабля представляется целесообразным иметь отсеки: управления, лабораторный, отдыха и приема пищи, физических упражнений и медицинского контроля, каюты членов экипажа, отсеки оборудования и радиационное убежище.
Необходимость радиационного убежища на орбитальном корабле объясняется тем, что после ухода корабля с низкой околоземной орбиты он выходит из-под защиты магнитного поля Земли, не пропускающего на высоту менее 300–400 километров потоки частиц с относительно малой энергией, выбрасываемых Солнцем во время вспышек, и галактическое космическое излучение (ГКИ), частицы которого отклоняются магнитным полем Земли и почти не достигают малых высот над ее поверхностью. Обычная тонкая оболочка герметичных отсеков корабля вне магнитного поля Земли уже недостаточна для защиты экипажа от радиационной опасности во время большей части одиннадцатилетнего цикла активности Солнца.
Оценки биофизика Евгения Ковалева, сделанные еще в семидесятых годах, показали, что при длительности марсианской экспедиции в три года и даже при осуществлении экспедиции в период наибольшей солнечной активности масса радиационной защиты должна составлять не 1 грамм на квадратный сантиметр, чего достаточно при полетах на низких орбитах, а 30–40 граммов на квадратный сантиметр (то есть 300–400 килограммов на квадратный метр!).
Чтобы уменьшить массу радиационного убежища, необходимо будет разместить его среди имеющегося оборудования, приборов, запасов пищи и воды. До отлета экспедиции с орбиты спутника Марса к Земле для радиационного убежища можно будет использовать и запасы топлива орбитального корабля, размещая его в цилиндрических баках относительно небольшого диаметра вокруг герметичных отсеков. При таком решении для радиационного убежища в основное время полета экспедиции дополнительных затрат массы почти не потребуется и практически весь объем герметичных отсеков можно сделать безопасным для радиации. Но после отлета к Земле объем, в котором придется жить экипажу экспедиции, придется сократить до минимального — с целью ограничения затрат массы на радиационное убежище.
