Только из-за ракет, продвижение в космос будет медленным. Очень медленным. Пора менять лошадей
26.10.2016 00:01:15
Инженерный взгляд на марсианское садоводство
Путь в дальний космос будет не таким, как предлагает Илон Маск, и не в те сроки
Иван Моисеев
Об авторе: Иван Михайлович Моисеев - руководитель Института космической политики, научный руководитель Московского космического клуба, эксперт фонда «Сколково», член Экспертного совета при правительстве РФ.
27 сентября 2016 года американский предприниматель Илон Маск, глава компании SpaceX, на 67-м конгрессе Международной астронавтической федерации представил доклад о проекте пилотируемых полетов на Марс и его дальнейшей колонизации. Доклад активно обсуждается любителями космонавтики и средствами массовой информации.
Проект Маска далеко не первый. Первым инженерным проектом полета человека на Марс можно считать проект Фридриха Цандера (1924), вторым - Вернера фон Брауна (1949). С началом космической эры работы по «марсианскому проектированию» идут уже в непрерывном режиме. В России в 1960-х годах разрабатывается ТМК - тяжелый межпланетный корабль. В США активизация разработок пришлась на 70-е годы (после лунных экспедиций, на базе созданной для Луны техники).
В 2009 году президент США Барак Обама отменил лунную программу предыдущего президента и заявил о намерении США высадить человека на Марс после 2030 года. Прошло два президентских срока, но конкретно для решения задачи так ничего не было сделано. Проектируются сверхтяжелая ракета-носитель STS и космический корабль «Орион», которые в прессе часто называют марсианскими. Однако это не специфичные для Марса проекты, они достаточно универсальны, пригодны для движения в дальний космос по любому направлению.
Проект полета человека на Марс можно считать начавшимся тогда, когда будет официально названа конкретная дата высадки, обозначены этапы работ и выделены необходимые объемы финансирования. А вот этого пока что нет и в обозримом будущем не предвидится.
Полет на Марс можно разбить на пять этапов - сборка марсианского корабля на орбите Земли, перелет к Марсу, посадка на Марс, жизнь на Марсе, возвращение на Землю. И для каждого этапа есть нерешенные на сегодняшний день проблемы, без адекватного решения которых нет возможности даже приступить к реальному проектированию.
На первом этапе на околоземную орбиту надо вывести около 1000 т груза. В зависимости от типа двигательной установки современные российские проекты предполагают 480 т для высадки на Марс двух человек; по американским - 800-1300 т также для двух астронавтов на Марсе; по проекту Маска - 550 т для высадки на Марс 100 человек. Можно сравнить выводимую массу с массой Международной космической станции (МКС) - 420 т и вспомнить, что МКС собиралась «всем миром» в течение 20 лет. Другой ориентир по выводимой массе - общая интенсивность запусков в космос. В 2015 году всеми странами в космос выведено 970 т, из которых в США - 230 т (в пересчете на низкую околоземную орбиту).
Проблемы второго этапа - надежность и радиация. На МКС проблема надежности решается доставкой запчастей грузовыми кораблями и возможностью экстренной эвакуации экипажа. Для межпланетного полета эти способы неприменимы. Требование о возможности спасения экипажа на всех этапах полета определяет необходимость одновременной отправки двух-трех кораблей. Придется обеспечить дублирование жизненно важных устройств. У Маска эта проблема не рассматривается и не упоминается.
Экипаж марсианских кораблей большую часть времени (или, по Маску, всю оставшуюся жизнь) будет находиться вне радиационных поясов Земли - естественной защиты от космического излучения. На данный момент известно, что вне радиационных поясов можно работать месяц - риск будет допустимым. Если больше - нужна защита, по которой точных данных нет. Выход - проведение достаточно большой серии биоэкспериментов вне радиационных поясов. Но пока такие эксперименты не планируются. В проекте Маска радиационный риск игнорируется.
Проблема третьего этапа - посадка на Марс аппарата большой массы. Корабль можно посадить с использованием только ракетных двигателей. Но в таком случае значительно возрастает масса спускаемого аппарата и далее по цепочке и экспоненциально - все массы системы. Поэтому практика посадки на Марс (максимальный вес 900 кг - аппарат «Кьюриосити») включает аэродинамическое торможение, торможение парашютом, ракетное торможение. Аэродинамическое торможение в проекте Маска - только за счет корпуса, что явно недостаточно. Необходим специальный экран, который был у всех марсианских спускаемых аппаратов и который в проекте Маска не предусмотрен.
Основная проблема четвертого этапа - жизнеобеспечение. Илон Маск предполагает «полную рекуперацию», то есть повторное использование всех ресурсов, кругооборот веществ, как это происходит на Земле. Ближе всего к реализации этой идеи подошли в рамках проекта «Биосфера-2». В 1991-1993 годах восемь испытателей жили в герметическом пространстве объемом 200 тыс. куб. м (в 100 раз большем, чем объем марсианского корабля Маска). Эксперимент не был удачным - сразу возник серьезный дефицит кислорода, чрезмерно размножились насекомые и микроорганизмы. Были выявлены острые проблемы психологической совместимости.
Для последнего этапа - возвращение на Землю - возникают все те же нерешенные проблемы и существенно возрастают сложности обеспечения надежности из-за того, что старт теперь на Марсе, где готовить технику к полету много сложнее.
Перечисление технических проблем не является доказательством невозможности осуществления проекта. Но это справедливо только для теоретических построений, когда от деталей можно отмахнуться: «Кто-нибудь что-нибудь придумает». На практике именно в деталях и прячется дьявол, закрывающий весь проект.
В своем докладе Илон Маск не обозначил стоимость первой высадки человека на Марс, однако названная дата высадки - 2024 год - позволяет оценить стоимость первого полета на Марс, так как он должен опираться на современную экономику и технологии. В литературе распространена оценка стоимости высадки двух человек на Марс в 500 млрд долл. Разумеется, цифра может сильно варьироваться в зависимости от схемы перелета, но порядок именно таков.
Ее можно подтвердить сравнением со стоимостью высадки двух человек на Луне - 150 млрд долл. в современных ценах. Илон Маск, по данным Forbes, располагает 20 млрд долл. Бюджет NASA - 19 млрд долл. в год. Откуда взять деньги на проект, не сказано, автор отделался шуткой. Шуткой можно дать и итог оценки экономики проекта. Рассказывают, что как-то Наполеон спросил коменданта крепости: «Почему меня не встретили салютом?» - «На это есть 21 причина. Во-первых, у нас нет пороха, во-вторых...» - «Достаточно», - сказал Наполеон.
Концептуально проект не дает ответа на вопрос: «Зачем?» Что будут делать миллион колонистов на Марсе? Только выживать в крайне трудных и некомфортных условиях. Сверхзадача «создать запасную планету» не решается принципиально из-за радиации и отдаленности от Солнца. Кроме того, те угрозы для своего существования, которые несет цивилизация в себе (война, пандемия), никуда не денутся и на Марсе.
Внешние угрозы, из которых всерьез можно рассматривать только столкновение с большим астероидом, могут быть с меньшими затратами и более эффективно парированы не строительством «бомбоубежища» на Марсе, а созданием соответствующей системы обнаружения опасных небесных тел и выработки мер по изменению их траектории. Помимо этого со значительно меньшими затратами мы можем поставить и решить задачу «создания запасных мест обитания» за счет формирования больших поселений-станций в космическом пространстве. Население этих станций будет решать прикладные задачи работы в космосе и иметь условия жизни лучшие, чем на Земле.
Сказанное отнюдь не закрывает путь в дальний космос. Просто он будет не такой, как предлагает Илон Маск, и не в те сроки. Вехи движения в космос - это малые тела Солнечной системы. Луна, астероиды, спутники планет - это доступные источники внешних ресурсов. А планеты останутся спортивными рубежами, высадка на которые требуется только для установки флага. Их исследования - дело автоматов.
Проект Маска - демонстрация чрезмерной самонадеянности человека, представлений о том, что в угоду ему в будущем перестанут действовать законы физики и правила математики. Этого не случится, движение в космос будет поэтапным и медленным. Энтузиастам придется потерпеть.
Мой P.S. Для фанатов колонизации Марса не все потеряно. Есть проекты Orbitron и OrionTwo. Их промышленная применимость и мировая новизна подтверждена экспертизой Всемирной организацией интеллектуальной собственности, ВОИС (World Intellectual Property Organization, WIPO). Новая технология пока медленно продвигается в умы космических ЛПР, но процесс идет и в итоге когда-нибудь завершится сменой ракетной парадигмы. Как говорил Макс Планк "Научная истина торжествует по мере того, как вымирают её противники". Время у нас еще есть, так что как в песне поется "Подождем, твою мать, подождем!" :-)
P.P.S.
Космонавт-испытатель Сергей Кричевский характеризует современное состояние космонавтики: «С научной точки зрения космическая ракета - это огромный «паровоз» с КПД всего 1-3%, остальная же часть стартовой массы превращается в отходы, продолжая создавать проблемы для окружающей среды. Безальтернативный, чисто ракетный этап в развитии космической деятельности подходит к концу. А что придет ему на смену, зависит от нас. Надеюсь, совершенно новые технологии, которые изменят … ситуацию».
Вот описание ситуации академиком А. Коротеевым: «Мы имеем сегодня неэкономичные транспортные средства. Представьте, из каждых 100 тонн, улетающих с Земли, в полезную нагрузку, в лучшем случае, превращается 3%. Это для всех современных ракет. Все остальное выбрасывается в виде сгоревшего топлива… Космонавтика, сегодня испытывает состояние, близкое к тому, в котором авиация оказалась после Второй Мировой войны, когда стало ясно, что с поршневыми двигателями уже невозможно … иметь экономически выгодную авиацию. Тогда … в авиации произошел скачок, и от поршневых двигателей перешли к реактивным. Примерно та же ситуация сейчас в космической технике».
«Ракета для меня только способ, только метод проникновения в глубину космоса, но отнюдь не самоцель, - объяснял Циолковский цель своих трудов. - Не спорю, очень важно иметь ракетные корабли, ибо они помогут человечеству расселиться по мировому пространству. И ради этого расселения в космосе я-то и хлопочу. Будет иной способ передвижения в космосе - приму и его...»*