Песню про цветущие на Марсе яблони написали в 1963 году. С тех пор сменилось уже несколько поколений ученых и исследователей. А Марс по-прежнему недоступен для человека.
Существующие в настоящее время химические ракеты способны придать крупному обитаемому космическому кораблю первую космическую скорость (7,91 км/сек для Земли), а небольшой ракете — вторую космическую скорость (11,2 км/сек для Земли) или даже третью (16,65 км/с для Земли).
- Первой космической скоростью называют скорость, которая позволяет объекту совершать движение по круговой орбите вокруг планеты.
- Второй космической скоростью называют скорость, которая позволяет космическому аппарату преодолеть гравитационное притяжение планеты.
- Третьей космической скоростью называют скорость, которая позволяет преодолеть гравитационное притяжение Земли и Солнца.
При этом Марс и Земля вращаются по орбитам вокруг Солнца так, что «окно» для запуска ракеты от Земли к Марсу появляется один раз в 26 месяцев.
Существует несколько различных способов полететь на Марс, несколько вариантов орбит.
Самая простая — эллиптическая, или гомановская, была рассчитана впервые немецким ученым Вальтером Гоманом в 1925 году. Длительность такого полета составляет от 150 до 260 дней, но зато она самая простая по расчетам и по расходу топлива. Скорость полета по этой траектории — от 11,2 до 12 км/сек.
Параболическая траектория полета на Марс требует скорости 16,7 км/сек (третья космическая скорость). При такой скорости продолжительность полета до Марса падает до 70 суток, а общая длительность всей экспедиции может составить всего около 5 месяцев. Однако расход топлива (назовем его РТ, рабочее тело) при таком полете, по сравнению с полетом по гомановской траектории, возрастает в 4,3 раза.
Если лететь еще быстрее, когда скорость выше, чем 16,7 км/сек, то получается полет уже по гиперболической траектории. Теоретически этот полет позволяет совершить экспедицию на Марс в значительно более короткие сроки, однако расход топлива при таких полетах кратно больше.
Что значит — расход топлива «больше» или «значительно больше»? Чтобы доставить к Марсу аппарат весом около 10 тонн при использовании жидкостных ракетных двигателей (основных в ракетостроении в настоящее время), надо потратить 36,5 тонн горючего. А как лететь обратно? А питаться чем? А как защититься от радиации? Ведь полет только в одну сторону по такой траектории займет почти год.
Полеты по параболической или гиперболической траектории потребуют значительно меньше времени, но зато РТ при этом в разы больше: получается, что вместо 36,5 тонн надо около 157 тонн!
Что же делать? Очевидно, для межпланетных пилотируемых перелетов необходимо использовать ракетные двигатели, имеющие лучшие характеристики, чем даже теоретически могут иметь ЖРД.
Скорость истечения газов из дюз ЖРД, в зависимости от типа топлива и окислителя, составляет от 2,5 до 4 км/сек. Других мощных двигателей со значительно большей скоростью истечения газов в настоящее время не существует. Есть только идеи, наметки и надежды.
По современным оценкам твердофазные ядерные ракетные двигатели позволят увеличить скорость истечения до 9 км/сек, жидкофазные ядерные двигатели позволят достичь скоростей порядка 15 км/сек, а газофазные позволяли бы достичь скоростей порядка 30−50 км/сек. При таких параметрах двигателей потребность в рабочем теле уменьшится в 3−5 раз: не 36,5, а всего лишь 7−8 тонн, что сделает полет теоретически возможным. Хотя, увы, конечно, все это — в теории.
В 2023 году НАСА заявило, что планирует в 2027 году протестировать ядерные ракетные двигатели. В них надо разогревать в ядерном реакторе сжиженный водород до температур порядка 4400 градусов. Газ при этом будет резко расширяться, что обеспечит скорость истечения его из дюз со скоростями до 50 км/сек. При таких характеристиках пилотируемый корабль сможет достичь Марса за полтора-два месяца.
Ядерные ракетные двигатели начинали разрабатывать в конце 1950 годов, однако работы по этой теме оказались весьма сложными, тем более что истекающие из дюз газы должны были оказаться весьма радиоактивными.
Жаль, что российские разработки по данной тематике находятся под грифом «секретно». Было бы очень интересно узнать, на каком этапе находятся наши ракетостроители.
Но пока такие двигатели не созданы, пытаться устроить пилотируемый полет на Марс с теми ЖРД, что есть сейчас у нас, невозможно. Увы, это полет в один конец.
Автор — Игорь Вадимов
Источник — ШколаЖизни.ру