Как известно американский предприниматель Илон Маск провозгласил о подготовке пилотируемой экспедиции на Марс с помощью двухступенчатой ракетной системы Старшип. Причем первая ступень используется для выведения корабля Старшип на НОО, а сам корабль должен осуществить экспедицию на Марс и обратно. После выведения ракетной сборки на НОО топлива в корабле Старшип не остается совсем. Его необходимо будет дозаправить. Если заправить его полностью, то стартовая масса корабля достигнет значения 1420 т, где масса топлива составляет 1200 т.
Хватит ли этого для проведения марсианской экспедиции?
Как показано в статье «Оценка потребных скоростей при полете на Марс» для полета только в одну сторону – туда, необходимо отработать импульс скорости порядка 11,5 км/с.
Еще К.Э. Циолковский заметил, что на одноступенчатой ракете много не налетаешь. Именно в этой связи он предложил создавать «ракетные поезда».
Что Илон этого не знает, или, может, он волшебник и может не обращать внимание на законы природы?
Давайте посмотрим, как у него запланировано. Предполагается, что корабль Старшип с сотней космонавтов на борту выводится на околоземную орбиту, где специально выведенный туда заправщик заправляет его топливом, необходимым для перелета и посадки на Марс. На Марсе его ждет другой заправщик, который снабжает его топливом для полета обратно к Земле.
Траектория экспедиции
Оценка возможностей
А теперь посчитаем. Перелет с околоземной орбиты к Марсу, как показано в указанной статье, требует проведения нескольких маневров. Прежде всего, необходим маневр по выходу КА за пределы сферы действия Земли относительно Солнца. Это расстояние около 1 млн. км.
Чтобы преодолеть это расстояние за 3 суток необходимо на НОО дать импульс скорости разгона 3.871 км/с . Далее, для перехода на эллипс Гомана, соединяющий орбиты Земли и Марса с приходом к Марсу на границу СД, необходима характеристическая скорость порядка 3.28 км/с.
Таким образом, для отлета к Марсу корабль должен отработать импульс скорости 7.15 км/с.
Воспользуемся формулой Циолковского для оценки потребной массы топлива для отработки импульса скорости 7.15 км/с.
Подставляя в эту формулу значения mо=1420 и dV=7.15, найдем mt=1209 т при с=3.75 км/с.
Это больше, чем располагаемая масса топлива корабля Старшип!
Вот и все.
Экспедиция Илона Маска на Марс закончилась, не начавшись!
Реконструкция задачи.
А давайте попросим К.Э. Циолковского помочь Илону Маску.
Воспользуемся специальным разгонным блоком(РБ), отрабатывающим только первый импульс скорости (3.871 км/с), который позволит вывести корабль Старшип за пределы сферы действия Земли – в околосолнечное пространство полностью заправленным . Стартовая масса сборки «РБ+ корабль Старшип при этом составит 2240 т, из которых разгонный блок будет иметь массу 880 т.
Второй импульс скорости для перехода на траекторию перелета с целью попадания в СД Марса составляет 3.28 км/с. Отработку этого импульса проводит корабль Старшип. При этом он доставит к моменту входа в СД Марса груз массой 828 т: 220 т ( экипаж + сухая масса корабля) и 608 т топлива для дальнейших операций. Корабль входит в атмосферу Марса, совершает аэродинамическое торможение и на заключительном участке осуществляет посадку с помощью тормозных ракетных двигателей.
Таким образом, воспользовавшись специальным разгонным блоком на НОО, экспедиция доставляет полезный груз 100 т на планету Марс. Что входит в массу полезного груза 100 тонн? Это 100 человек экипажа в скафандрах и система жизнеобеспечения (пища, вода, воздух), а также необходимое оборудование.
Вопрос о возвращении на Землю
А как обстоят дела с возвратом экипажа обратно на Землю?
Для выведения корабля с экипажем на гиперболу возврата к Земле и выхода на околосолнечную траекторию возврата необходимо отработать характеристическую скорость 5.8 км/с, как показано в статье "С Марса на орбиту".
При полной заправке корабля « StarShip » на поверхности Марса (1200 т топлива), он сможет вывести на гиперболу отлета к Земле груз массой 220 т, 120 т из которого составляет корабль « StarShip » с экипажем, плюс 100 т топлива.
На гелиоцентрическом участке перелета к Земле необходимо провести коррекцию траектории для попадания на орбиту Земли. Этот импульс коррекции составляет 2.8 км/с, его можно реализовать, истратив оставшиеся 100 т топлива.
Кажется, что экспедиция на Марс с возвратом КА на Землю может быть реализована?
Но главная проблема возвращения корабля « StarShip » с Марса состоит в необходимости заправить его перед отлетом с планеты топливом массой 1200 т.
А где его взять? Илон подумал об этом - производить топливо на Марсе. Но как же быть в ближайшие годы? Ведь завода то по производству топлива на Марсе нет и в ближайшее время не будет!
Вывод только один: полет на Марс Илон Маск планирует только в одну сторону!
Кстати, примеры таких идей имеются: например, с 2010 года Исследовательским центром имени Эймса разрабатывается проект « Столетний космический корабль » ( англ. Hundred - Year Starship ).
Основная идея проекта состоит в том, чтобы отправлять людей на Марс безвозвратно. Это приведёт к значительному сокращению стоимости полёта, появится возможность взять больше груза и экипаж. По расчетам, послать на Марс четырёх астронавтов и вернуть их обратно будет стоить столько же, сколько послать туда 20 человек и оставить их там. Вся экспедиция обойдется в $750 млрд. Её можно уменьшить вдвое, если астронавтов не потребуется возвращать на Землю ."(https://zen.yandex.ru/media/oplanetah/pilotiruemyi-polet-na-mars-ojidanie-i-ealnost-5cab97600c7b5200af2154e3 ).
Уважаемый читатель! Мы не сомневается, что Илон найдет решение проблемы возврата корабля с Марса прежде чем пускать туда экспедицию. Будем следить за этой эпопеей. Можно ожидать, что на Марсе будет построено топливохранилище и его сначала заполнят привозным топливом ( надо то всего 6 беспилотных пусков корабля " StarShip" в одну сторону !), а затем уже построят завод.
Если Вам понравился анализ пилотируемой экспедиции на Марс, поставьте лайк. Спасибо.