Приветствую вас мои космические друзья!
В 1966 году многие предполагали, что космическую программу Соединенных Штатов Америки, после завершения программы "Аполлон", ждет большое будущее. Ожидалось, что пилотируемые полеты за пределы Луны будут проектироваться и осуществляться на основе уже существующих программ; а именно: программы высадки человека на Луну - "Аполлон"; совместной программы НАСА и Комиссии по атомной энергии по разработке ядерно-тепловых двигателей NERVA, программы-приложения "Аполлон"(Apollo Applications Program - AAP) и программы создания околоземных орбитальных космических станций.
В марте 1966 года Американский институт астронавтики и аэронавтики совместно с Американским астронавтическим обществом созвали конференцию под названием "Ступеньки к Марсу" (Stepping Stones to Mars). Как оказалось, это была последняя крупная инженерная конференция, ориентированная на полеты к Марсу, до конца 1980-х годов.
Участники конференции заслушали доклад команды инженеров из Центра космических полетов им. Маршалла НАСА (Marshall Space Flight Center - MSFC), который описывал пилотируемую миссию на Марс, основанную на использовании как ядерно-тепловых ракетных двигателях большой тяги NERVA-II, так и на ядерно-электрических (ионных) двигателях малой тяги. Руководителем исследовательской группы был директор Лаборатории исследовательских проектов MSFC - ветеран ракетостроения немецкого происхождения Эрнст Штулингер.
Штулингер начал свою работу над электрическим ракетным двигателем в 1930-х годах. Он получил степень доктора философии в возрасте 23 лет, а затем работал на военную ядерную программу Германии. Несмотря на свою научную деятельность, в 1941 году он был отправлен на фронт. Получив ранение он был переведен в ракетную команду Вернера фон Брауна на ракетной базе в Пенемюнде, где он работал над системой наведения для ракеты "Фау-2".
Штулингер прибыл в Соединенные Штаты благодаря проведенной армией США операции "Скрепка". Он возобновил свою работу в области электрических ракетных двигателей в Хантсвилле в начале 1950-х годов, в то время как команда Вернера фон Брауна стала частью Армейского агентства баллистических ракет (ABMA) в Редстоунском арсенале. Он сыграл ключевую роль в запуске первого американского спутника "Эксплорер-1" в январе 1958 года. Под руководством Вернера фон Брауна ракетчики из Пенемюнде стали ядром, вокруг которого в июле 1960 года объединилась команда MSFC.
За несколько лет до конференции "Ступеньки к Марсу" Эрнст Штулингер выдвинул несколько проектов космических аппаратов с электрическими ракетными двигателями. В проекте космического корабля "Солнце" (Sun Ship) от 1954 года, для приведения в работу ионных двигателей должен был использовать сконцентрированный солнечный свет. Однако в других проектах космических кораблей с электрическими ракетными двигателями, таких как: "Марс и далее" (Mars and Beyond) от 1957 года; лунном грузовом корабле проекта 1959 года; проекте лунного грузового корабля от 1962 года; и проекте вращающегося марсианского пилотируемого корабля 1962 года — использовались мощные ядерные реакторы.
Инженеры MSFC объяснили, что гибридный подход с использованием ядерно-тепловых ракетных двигателей NERVA и ядерно-электрических (ионных) двигателей увеличит преимущества и смягчит недостатки обоих методов космического полета. Эффективная тяга ионных ракетных двигателей сократила бы количество топлива, необходимое для достижения и возвращения с Марса. Это, в свою очередь, сократит количество дорогостоящих запусков ракет, необходимых для вывода марсианского космического корабля на околоземную орбиту для сборки. Пяти модернизированных двухступенчатых ракет "Сатурн-5" было бы достаточно, чтобы вывести на орбиту Земли все компоненты, составляющие гибридный космический корабль, что было примерно в два раза меньше, чем потребовалось бы для запуска марсианского космического корабля, приводимого в движение только ядерно-тепловыми ракетными двигателями NERVA.
Ядерно-тепловые ракетные двигатели, со своей стороны, сократят время полета и снизят радиационное воздействие на экипаж. Космические аппараты с ионными двигателями могут покинуть околоземную орбиту только после того, как будут двигаться по спиральным орбитам в течение нескольких недель или даже месяцев. Из-за этого они должны были многократно проходить через радиационные пояса Земли. Космические аппараты оснащенные ядерно-тепловыми двигателями, с другой стороны, могли бы покинуть околоземную орбиту за несколько часов и быстро преодолеть радиационные пояса нашей планеты.
Штулингер и его коллеги запланировали запуск экспедиции на Марс в 1986 году, через 20 лет после того, как они представили свою статью, потому как именно в этом году должно было открыться трансферное окно для перелета с Земли на Марс и обратно, кроме того на этот год выпадал минимум солнечной активности. Команда MSFC предполагала (довольно опрометчиво), что их экспедиция не столкнется с солнечными вспышками, поэтому они сэкономили на радиационной защите, чтобы уменьшить массу своего космического корабля.
Инженеры также предполагали, что испытание электрической тяги будет впервые проведено на околоземной орбитальной станции в конце 1960-х годов, и что к 1974 году будет завершено достаточно исследований в области электрической тяги. Этот факт давал бы еще 12 лет на разработку и испытания космических аппаратов.
Экспедиция на Марс должна была проходить в три этапа. На первом этапе компоненты и топливо для ядерного космического корабля будут запущены на околоземную орбиту для сборки. Чтобы повысить безопасность, четыре идентичных пилотируемых космических корабля отправятся в свое путешествие на Марс. Если один из кораблей выйдет из строя, его экипаж сможет перебраться на борт остальных космических кораблей. Один космический корабль был способен вернуть экипажи всех остальных кораблей обратно на Землю в случае возникновения аварийной ситуации.
Для сборки каждого марсианского космического корабля три модернизированные двухступенчатые ракеты «Сатурн-5» должны были вывести на околоземную орбиту высотой 485 километров, в общей сложности 388 тонн различных компонентов и топлива. Для экспедиции из четырех космических кораблей 12 модернизированных ракет "Сатурн-5" должны были вывести в общей сложности 1552 тонны.
Каждый космический корабль должен был состоять из центрального модуля, который включал ядерно-электрическую двигательную установку, четырехместный 57-тонный марсианский экскурсионный модуль (MEM) и космический буксир для транспортировки экипажа между четырьмя космическими кораблями. Двигательная установка включала в себя 20-мегаваттный ядерный реактор, турбогенератор для выработки электроэнергии, электрические двигатели и цилиндрический бак, вмещающий 153 тонны ксенонового или цезиевого топлива. Две телескопические ферменные конструкции, идущие с обеих сторон от центрального модуля, будут нести четыре прямоугольные панели радиатора реактора, а на обоих концах — двухпалубный барабанный герметичный модуль с экипажем.
На втором этапе должны были быть запущены четыре ядерно-тепловые ракетные ступени, после чего марсианская экспедиция должна была покинуть околоземную орбиту. Незадолго до запланированной даты запуска четыре модернизированных ракеты "Сатурн-2" должны были запустить по одному ядерно-тепловому двигательному модулю с двигателями NERVA-II, затем еще четыре модернизированных "Сатурна-5" запустят по одному баку с жидким водородом. Ракетные двигатели NERVA-II и бак должны были состыковаться на орбите, образуя четыре ядерно-тепловые ракетные ступени длиной 54 метра и диаметром 10 метров, каждая из которых будет имеет массу 309 тонн. Из этой массы масса жидкого водорода составила бы 226 тонн. Затем каждая ядерно-тепловая ракетная ступень будет маневрировать на орбите, чтобы состыковаться с центральным модулем ядерно-электрического космического корабля.
1 мая 1986 года должны были быть запущены четыре двигателя корабля NERVA-II, которые должны были работать в течении 30 минут. Тем временем экипажи космических кораблей будут находится на борту марсианских экскурсионных модулей - MEM. В случае возникновения проблем с двигателями NERVA-II во время отлета от Земли, MEM будет служить средством аварийного возвращения экипажа на Землю.
Примерно через 17 минут после запуска каждый двигатель NERVA-II должен будет начать выпускать горячий газ из турбонасоса, чтобы вращать космический корабль со скоростью один оборот в минуту, создавая ускорение, равное 20% гравитации Земли в модулях экипажа расположенных на концах двух телескопических ферм. Искусственная гравитация обеспечила бы, среди прочего, работу туалетов и душа.
Однако команда MSFC отметила, что имеющиеся данные полетов по программе "Джемини" свидетельствуют о том, что искусственная гравитация для длительных космических миссий может не потребоваться. Самый долгий полет по программе "Джемини" - "Джемини - 7" совершенный в декабре 1965 года, длился всего 14 дней, поэтому у команды MSFC было очень мало оснований для подобного утверждения.
Двигатели NERVA-II должны были исчерпать все топливо когда корабль будет находится на высоте 3450 километров над Землей, после чего должна была начаться третья фаза полета - экспедиция на Марс. Экипажи покидали MEM, спускались по герметичным туннелям к своим кабинам, отстыковывали отработанные ракетные ступени с двигателями NERVA-II и запускали ядерно-электрические (ионные) двигатели для завершения выведения космического корабля на траекторию полета к Марсу.
Через сто сорок пять дней полета экипажи должны были снова активировать ядерно-электрические двигатели, чтобы начать замедление своих кораблей. Затем, 23 сентября 1986 года, корабли должны были быть захвачены гравитацией Марса. Их ядерно-электрические двигатели будут продолжать работать в течение 23 дней, чтобы выйти на круговую орбиту высотой 1000 километров над поверхностью Марса.
В период снижения высоты орбиты четыре марсианских экскурсионных модуля MEM с экипажем должны были отстыковаться и совершить посадку на поверхность Марса, оставив свои корабли без экипажа.
Команда MSFC сослалась на данные марсианского зонда "Маринер-4", когда предложила коническую конструкцию марсианского экскурсионного модуля MEM по форме напоминающую капсулу космического корабля "Аполлон". Зонд "Маринер-4" пролетел мимо Марса в июле 1965 года, передав данные, которые указывали на то, что атмосфера планеты оказалась примерно в 10 раз тоньше, чем считалось ранее. Из-за этого крылатые марсианские космические корабли с несущим корпусом, которые использовали бы подъемную силу для уменьшения массы необходимого при посадке и взлете ракетного топлива, больше не считались целесообразными.
Сопротивление атмосферы Марса замедлило бы MEM, после чего от корабля должен был быть отделен его теплозащитный экран. Ракетные двигатели посадочной ступени должны были замедлить MEM до зависания корабля на высоте 400 метров над поверхностью Марса. Затем у пилота MEM было около 60 секунд, чтобы выбрать место посадки, прежде чем в ступени спуска закончится топливо.
После месяца нахождения на поверхности Марса взлетные ступени MEM должны были доставить свои экипажи обратно на орбиту Марса, где они должны были состыковаться со своими космическими кораблями. Поскольку теперь марсианские космические корабли больше не будет нести массу МЭМ, маневры по увеличению орбиты должны были продлится 17,5 дней, а отлет с Марса должен бы состоятся 12 ноября 1986 года.
Перелет с Марса на Землю должен был занять 255 дней. Примерно на полпути к Земле космический корабль должен был начать замедление. Захват корабля гравитацией Земли должен был произойти 25 июля 1987 года. Дальнейшее замедление корабля в течении пяти дней выведет его на опорную околоземную орбиту высотой 30 000 километров, где ионные двигатели кораблей будут отключены в последний раз. Затем с Земли должен будет прибыть космический корабль, чтобы забрать экипаж и доставить его домой. Марсианские корабли должны были остаться на орбите в качестве памятников о первых днях освоения космоса.
Исследование инженеров MSFC от 1966 года было одним из последних, в котором подробно рассматривалось использование ядерно-электрических двигателей до конца 1980-х годов. Всего за семь лет до этого, в 1959 году, Эрнст Штулингер завершил свою статью о ядерно-электрических грузовых космических кораблях, предсказав, что ядерно-электрический грузовой паром будет обслуживать американскую базу на Луне в период с 1965 по 1970 год. Однако, когда он ушел в отставку из НАСА в 1975 году, США отказались от полетов к Луне, хотя в это время ядерно-электрические двигатели были намного ближе к своему первому полету, чем это было в 1959 году.
Эрнст Штулингер ушел из жизни в мае 2008 года в возрасте 94 лет.
Ну а на сегодня у меня все! Спасибо за внимание!