Пилотируемый полёт на марс с высадкой и возвращением на землю, теоретически возможен на сегодняшних технологиях.
Давайте посчитаем как технология ядерного буксира с электрическими ракетными двигателями может упростить задачу по сравнению с химическими двигателями.
Сокращения:
МЭК - Марсианский Экспедиционнй Комплекс
УИ - Удельный Импульс
ХС - Характеристическая скорость
ВПН - Влётно-Посадочный модуль
ЖМ - Жилой модуль
e - математическая константа равная 2,7182818
Исходные данные (Фантазия автора)
МЭК собирается на орбите земли. В его состав должны входить взлётно посадочный модуль для Марса и жилой перелётный модуль.
Стартовая масса масса МЭК 300т.
Масса ВПН 100т.
Масса ЖМ 200т.
План полёта
МЭК доставляется с околоземной орбиты на марсианскую орбиту
Находясь на марсианской орбите, экипаж расходует ВПН и осуществляет высадку на поверхность Марса.
ВПН отстыковывают
МЭК доставляют на орбиту земли.
Продолжительность экспедиции не менее одного года.
И так нам не хватает буксира который доставит МЭК на орбиту Марса и вернёт назад. Это задача не из простых. Для всего МЭК в связке с буксиром потребуется запас характеристической скорости (ХС) порядка 6-и км/с для полёта к орбите Марса и столько же - 6 км/с для полёта обратно к орбите Земли.
В сумме это 12 км/с ХС! Именно выполнение этой работы мы рассмотрим в двух варианта - химический двигатель и электрический.
Химический двигатель
Кислород-Водородные двигатели имеют наивысший показатель УИ среди химических двигателей - УИ 4.5 км/с.
Но это криогенное топливо, которое сложно хранить больше нескольких часов. Наша экспедиция длится долго, поэтому будем использовать Гептил НДМГ. Именно это топливо сейчас используется на спутниках, космических кораблях и межпланетных аппаратах. Значит УИ у нас будет порядка 3.2 км/с.
Начинаем считать в обратном направление, т.е. сначала посчитаем сколько топлива надо для возвращения МЭК с Марсианской на Земную орбиту.
Масса МЭК после высадки на Марс составляет 200т и нам нужно 6км/с для полёта к Земле.
Из УИ двигателя 3.2км/с и ХС маневра 6км/с, по формуле Циолковского (e ^ (ХС / УИ)) можно вычислить что для такого манёвра надо соотношение конечной массы к стартовой 1 к 6.5. Это соотношение нам понадобится и для полёта от Земли к Марсу. Уже понятно что потребуется 1100т топлива без учёта массы буксира. Для такого кол-ва топлива нужны большие топливные баки. Поэтому я закладываю 50т на сухую массу буксира. Получаем стартовую массу (200 + 50) * 6.5 = 1625т.
Чтобы доставить 1625т к Марсу нам надо снова применить соотношение 1 к 6.5 и снова нужны большие топливные баки на которые я закладываю 200т и нам надо на этом этапе перевозить ВПН массой 100т. Получаем (1625 + 200 + 100) * 6,5 = 12512.5т. При этом придётся на марсианской орбите отбрасывать часть буксира.
И так стартова масса на орбите земли должна быть 12512.5т! Это приблизительно 20 МКС! 95% стартовой массы это топливо для межпланетного перелёта. 11962.5т только на топливо для буксира.
Всё это очень сложно будет вывезти на орбиту земли. Будет необходимо оптимизировать полёт за счёт отбрасывания частей комплекса, например не возвращать ЖМ целиком на орбиту земли.
Электрический двигатель
УИ электричеких движков в теории ничем не ограничены. На практике есть образцы с УИ до 200км/с. Для наших расчётов возьмём 100 км/с.
Считаем так же в обратном направлении. Соотношение конечной и стартовой массы для обоих этапов составит 1 к 1.0618. Все благодаря высокому УИ. Сухую массу буксира возьмём 100т и как бонус не будем его выбрасывать в ходе миссии.
(200 + 100) * 1.0618 = 318.54т стартовая масса с марсианской орбиты.
Для расчёта стартовой массы с земной орбиты не забываем прибавить ВПН. (318.54 + 100) * 1.0618 = 444.4т.
Стартовая масса с земной орбиты составит 444.4т. 300т на МЭК, 100т на буксир и 44.4т топливо для буксира.
Вывод
На электрических движках нам потребовалось в 270 раз меньше топлива! А стартовая масса уменьшилась в 28 раз!
Первые электрические буксиры на ядерной тяге появятся ещё не скоро. Ещё более нескоро они достигнут больших мощностей. Но они дадут высокий УИ с которым межпланетные перелёты упростятся на порядок!
Прошу учесть, что расчёты приблизительные.