На 7-м Международном астронавтическом конгрессе, состоявшемся в Риме в сентябре 1956 года, итальянский пионер авиации и ракетной техники Гаэтано Крокко описал пилотируемую космическую миссию, в которой космический корабль должен был совершить пролет мимо Марса и мимо Венеры, а затем изменить свой курс и направится к Земле, вернувшись обратно ровно через год после своего старта. После ухода с околоземной орбиты космическому кораблю не требовалось бы никаких дополнительных двигателей для коррекции своей орбиты. Крокко сообщил собравшимся делегатам, что следующая возможность начать такую миссию представится в июне 1971 года.
Чуть менее чем через шесть лет после конференции, в мае 1962 года, Офис будущих проектов (Future Projects Office - FPO) Центра космических полетов имени Маршалла НАСА (Marshall Space Flight Center -MSFC), заключил контракты на разработку пилотируемой миссии на Марс стоимостью 250 000 долларов с компанией General Dynamics, Lockheed и подразделении компании Ford - Aeronutronic Division. Компании General Dynamics было поручено изучать орбитальные миссии на Марс, компании Lockheed — пролёты и орбитальные миссии на Марс, а компании Aeronutronic — пролёты Марса и Венеры. Совместные исследовательские проекты были объеденены в программу EMPIRE, аббревиатура, которая расшифровывалась как Early Manned Planetary-Interplanetary Roundtrip Expeditions.
Программа EMPIRE проходила на фоне лунной программы «Аполлон». За год до её начала, в речи перед специальным совместным заседанием Конгресса США, президент Джон Ф. Кеннеди сосредоточил все усилия НАСА на программу полета к Луне. Он обозначил срок высадки первого человека на поверхность Луны на конец 1960-х годов. Однако была надежда, что первый американец сможет высадиться на Луне уже в 1967 году. К моменту начала программы EMPIRE НАСА почти завершило спорный 14-месячный процесс выбора самого быстрого и надежного способа высадки людей на поверхность Луны. Режим рандеву на лунной орбите, был выбран в июле 1962 года.
MSFC стал ведущей организацией при планировании первого крупного исследования НАСА в области пилотируемых планетарных миссий. Директором центра был Вернер фон Браун - известный сторонник пилотируемых полетов на Луну и Марс. Усилия фон Брауна по популяризации космических полетов помогли подготовить американское общество к космической гонке с Советским Союзом.
Проект EMPIRE был не просто прихотью Вернера фон Брауна; он также был частью стратегии по продвижению MSFC. Центр в Хантсвиле занимался разработкой ракет. Инженеры центра надеялись на продолжение разработки ракет, более крупных и мощных, чем «Сатурн-5», которые были названы «Нова» и «Супернова». Фон Браун понимал, что если не будет запущена космическая программа после «Аполлона» (поскольку участие MSFC в программе «Аполлон» было свёрнуто в 1966 и 1967 годах), его центр столкнётся с серьёзными сокращениями финансирования и персонала, а не с заказами на разработку новых больших ракет.
Помимо призыва к высадке человека на Луну, президент Кеннеди в своей речи в мае 1961 года, запросил у Конгресса США дополнительное финансирование на разработку ядерной энергетической установки. MSFC совместно с Комиссией по атомной энергии (AEC ) участвовал в в разработке ядерной ракеты в рамках программы испытаний ядерного реактора в реальном космическом полете (Reactor In Flight Test - RIFT). Конкретный формат миссии RIFT быстро менялся; какое-то время предполагался запуск ракетной ступени диаметром 10,1 м с ядерным двигателем NERVA на ракете-носителе «Сатурн-5» к 1967 году. Таким образом другой целью программы EMPIRE, было обоснование программ NERVA и RIFT.
Компания Aeronutronic рассматривала две траектории полета для своей пилотируемой миссии по облёту двух планет. Первая получила название «траектория Крокко», поскольку была основана на сценарии, описанном в статье Гаэтано Крокко от 1956 года. Вторая траектория представляла собой симметричную траекторию, по которой космический аппарат должен был совершить полтора оборота вокруг Солнца. Космический корабль должен был пролететь мимо Марса в середине миссии и пересечь орбиту Венеры один раз перед пролётом Марса и один раз после него. Он должен был пролететь мимо Венеры во время одного из пересечений ее орбиты.
Инженеры компании Aeronutronic обнаружили, что Крокко ошибался, когда писал, что возможность начать путешествие по маршруту Земля-Марс-Венера-Земля появится в июне 1971 года. Они определили, что миссия Крокко к двум планетам могла бы стартовать с Земли в середине или конце августа 1971 года. Возможность полета по симметричной траектории открылась бы раньше — в период между 16 июля и 19 августа 1970 года.
Траектория Крокко потребовала бы большего количества топлива, чем симметричная траектория. Для старта с круговой околоземной орбиты высотой 300 километров, космическому кораблю миссии Крокко, потребовалось бы увеличить свою скорость на 11,95 километра в секунду. В то время как космическому кораблю запущенному по симметричной траектории, потребовалось бы увеличить свою скорость всего на 5,3 километра в секунду.
Космический аппарат для осуществления полета по симметричной траектории имел бы гораздо меньшую массу, чем космический аппарат миссии Крокко. Космическому аппарату с меньшей массой потребовалось бы меньше количество запусков для вывода своих компонентов и топлива на околоземную орбиту. Меньшее количество запусков означало бы меньшую стоимость миссии и меньшую вероятность того, что ракеты-носители могли выйти из строя. Это обстоятельство также предполагало менее сложную сборку компонентов космического корабля (или, возможно, полное отсутствие сборки, если бы для запуска использовалась ракета «Нова»), что еще больше снижало риск миссии.
Компания Aeronutronic также обнаружила, что миссия Крокко, запущенная в августе 1971 года, продлится 396 дней. Но этот срок был бы намного меньше, чем 611-дневный полет, который предполагался для симметричной траектории по облету Марса и Венеры.
Инженеры компании также определили, что масса радиационной и противометеоритной защиты, а также масса систем жизнеобеспечения, которая будет увеличена из-за более продолжительного времени полета, не приблизятся к массе топлива, необходимого для запуска с околоземной орбиты миссии Крокко. Таким образом, компания согласились на более продолжительную миссию по симметричной траектории полета.
Компания Aeronutronic рассчитала, что, исходя из выбранных проектных значений, ядерный космический аппарат миссии Крокко для облёта двух планет, в полностью собранном и заправленном топливом состоянии будет иметь массу 1121,5 тонны, в то время как ядерный космический аппарат для полета по симметричной траектории будет иметь массу всего 188 тонн. Это укладывалось бы в планируемую грузоподъёмность одной ракеты «Нова», полностью исключая сборку космического корабля на околоземной орбите.
Инженеры Aeronutronic не стали определять массу космического аппарата с химическим двигателем для полета по траектории Крокко, поскольку знали, что она будет даже больше, чем у ядерного. Однако они рассчитали, что масса космического аппарата с химическим двигателем для полета по симметричной траектории будет равна 350,5 тонны (почти вдвое больше, чем у космического аппарата с ядерным двигателем). Поэтому компания выбрала для более детальной проработки вариант космического аппарата с ядерным двигателем при полете по симметричной траектории.
Космический аппарат от Aeronutronic имел длину 47,5 метров и диаметр 10 метров с одним двигателем NERVA массой 8,3 тонны, который был способен развивать тягу равную 22,6 тонн силы. Вольфрамовый экран в передней части ядерного реактора NERVA должен был создавать противорадиационную тень, которая бы защищала экипаж во время отлета с околоземной орбиты. Двигателю необходимо было бы работать в течении 48 минут, чтобы увеличить скорость космического корабля на 5,3 километра в секунду и вывести его на симметричную траекторию полета. Компания Aeronutronic определила длительное время работы двигателя как возможный недостаток, так как материалы из которых был изготовлен реактор, не могли бы выдержать столь длительного времени работы. Увеличение тяги двигателя сократило бы требуемое время работы, но компания не была уверена, что ядерный двигатель с тягой более 22,6 тонн силы может быть разработан к сроку запуска.
Два блока баков должны были подавать жидкий водород в двигатель NERVA. Блок первой ступени, содержащий 56,2 тонны топлива, и должен был состоять из основного топливного бака, к которому крепился двигатель NERVA, и шести сбрасываемых баков. После выработки топлива первой ступени и сбрасывания боковых баков, масса космического корабля должна была составить 127,7 тонны. Восемь баков второй ступени должны были содержать в общей сложности 38,3 тонны жидкого водорода. После выработки топлива второй ступени двигатель NERVA отделялся вместе с пустым основным баком первой ступени. Пустые баки второй ступени, общей массой 5,2 тонны, будут сохранены для защиты цилиндрического центрального ядра космического корабля от микрометеороидов. После отделения двигателя NERVA масса космического корабля составит 76,7 тонны, а длина — около 23 метров.
Центральное ядро космического корабля имело двух ядерных реактора SNAP-8 для выработки электроэнергии, навигационную платформу космического, небольшого отсека для проведения экспериментов, и 20-тонный командный центр (покрытый 50-сантиметровым слоем полиэтилена), который мог использоваться как убежище от радиации во время солнечных вспышек. Четыре дополнительных бака, содержащие в общей сложности 10,9 тонны топлива для коррекции траектории, должны были окружать командный центр, обеспечивая дополнительную противорадиационную защиту. Двухступенчатый тормозной двигательный модуль и возвращаемый аппарат для входа в атмосферу Земли, должны были быть прикреплены к командному центру в передней части космического корабля.
После вывода космического корабля на траекторию полета, экипаж из шести человек должен был переконфигурировать свой космический корабль для межпланетного путешествия. Два цилиндрических жилых модуля, каждый массой 4,5 тонны в пустом состоянии, будут выдвигаться на полых фермах, а один из реакторов SNAP-8 развернет панель радиатора и начнет выработку электроэнергии (второй же будет находится в резерве на случай отказа первого).
Затем экипаж запустит вращение космического корабль вокруг его продольной оси со скоростью три оборота в минуту, которое создаст ускорение в жилых модулях, которое будет ощущаться экипажем как гравитация. Антенны диаметром 16 метров будут раскрываться из кормовой части обоих жилых модулей для обеспечения непрерывной радиосвязи с Землёй. При наибольшем удалении корабля от Земли время прохождения радиосигнала в одну сторону достигнет 22 минут.
Основываясь на опыте работы с экипажами атомных подводных лодок, компания Aeronutronic выделила каждому астронавту по 21 кубическому метру жилого пространства, за исключением командного центра, где, по её мнению компании, 1,5 кубических метров на человека будет вполне достаточно. Два жилых модуля и командный центр будут иметь независимую систему жизнеобеспечения, предназначенную для рециркуляции всего воздуха и воды. Компания подсчитала, что общая масса системы жизнеобеспечения составит 10,9 тонны, из которых почти пять тонн будет приходиться на продукты питания.
Экипаж из шести человек будет работать по графику, разработанному для обеспечения полноценного времени работы и отдыха. За исключением сна, деятельность экипажа будет осуществляться блоками по два часа. В состав экипажа войдут командир, старший помощник, бортовой врач и три астронавта. Все шестеро будут по очереди исполнять обязанности дежурного офицера в командном центре, члена бригады по техническому обслуживанию и ремонту, а также члена бригады научных исследований. Однако командир корабля и бортовой врач не будут принимать участия в ремонтных работах связанных с выходом в открытый космос.
После запуска миссии с околоземной орбиты (в период с 16 июля по 19 августа 1970 года), пролет Венеры должен был состоятся через 97–102 дня. Когда космический корабль должен был сблизится с Венерой, экипаж включал двигатели коррекции, чтобы изменить свою скорость и обеспечить пролёт над целью.
Пролет Марса должен был состоятся в период между 191 и 199 днями после пролета Венеры. Во время сближения с Марсом экипаж должен был выполнить второй маневр по коррекции своей траектории.
Основное правило программы EMPIRE заключалось в том, что подрядчики должны были использовать оборудование и технологии программы «Аполлон» везде где это было возможно. Командный модуль космического корабля «Аполлон» считался основным кандидатом для использования в качестве возвращаемой на Землю капсулы, но компания Aeronutronic отклонила его.
Вместо этого компания выбрала вариант капсулы с несущим корпусом и двухступенчатым ракетным тормозным блоком, общей массой 14,75 тонн. Инженеры компании выяснили что вариант капсулы с несущим корпусом был более терпим к ошибкам входа в атмосферу, чем капсула «Аполлона». Они отметили, что такая форма также обеспечит более широкий выбор мест посадки на суше или приводнения в море благодаря его способности маневрировать в атмосфере.
Гибкость выбора места посадки станет особенно полезной, если возникнет необходимость в прерывании полёта во время отлёта от Земли. Тормозной блок, предназначенный для замедления возвращаемого аппарата при его приближении к Земле в конце миссии, мог бы помочь вернуть экипаж обратно на Землю не позднее, чем через 17 часов после старта с околоземной орбиты при условии, что прерывание полёта будет инициировано до того, как космический корабль преодолеет расстояние более 19300 километров от Земли.
Если же миссия будет идти по плану, то астронавты вернутся обратно на Землю между 312 и 343 днем после пролёта Марса. Перед возвращением они выполнят последнюю коррекцию своей траектории, изменив скорость своего космического корабля примерно на 110 метров в секунду. Вскоре после этого астронавты перейдут в спускаемый аппарат и запустят небольшие ракетные двигатели, чтобы отстыковаться от пролётного космического корабля. После правильной ориентации спускаемого аппарата экипаж последовательно включит две ступени носового тормозного блока, направляя капсулу к коридору входа в атмосферу Земли и снижая скорость входа до 13 километров в секунду. Ступени будут отделяться по очереди по мере расходования топлива. Астронавты будут испытывать перегрузки равные 10 G. После торможения и спуска в нижние слои атмосферы раскроются основные парашюты.
Компания Aeronutronic предоставила подробный график разработки и смету расходов на свою миссию по облёту двух планет. Компания оценила стоимость всей миссии в 12,6 млрд долларов, что составляло примерно половину прогнозируемой стоимости программы «Аполлон». Экономия средств будет в значительной степени обусловлена опытом, полученным в ходе программы «Аполлон», и разработкой оборудования. Пик финансирования, с общими расходами около 3,5 млрд долларов, должен был придтись на 1966 год.
Компания Aeronutronic подсчитала, что разработка двигателя NERVA, способного непрерывно работать в течение 60 минут, как и разработка спускаемой капсулы, должна была начаться 1 января 1963 года. Испытания двигателя NERVA должны были начаться с середины 1965 года на станции разработки ядерных ракет (Nuclear Rocket Development Station - NRDS) в Джекэсс-Флэтс, штат Невада. Испытания спускаемых капсул должны были начаться с бросковых испытаний с середины 1966 года, а летные испытания с экипажем и без него, с использованием ракет «Сатурн-1» — через год. Разработка пролетного космического корабля должна была начаться в начале 1964 года, незадолго до отбора экипажа и начала разработки ракеты «Нова». Начиная с середины 1967 года, ракеты-носители «Сатурн-5» должны были запустить на околоземную орбиту три космических корабля, без возвращаемых капсул, для проведения испытаний.
В общей сложности должно было потребоваться 13 ракет «Нова» для проведения наземных и летных испытаний в период с середины 1966 по конец 1969 года. Из них первые четыре полета должны были стать опытно-конструкторскими испытаниями ракеты «Нова», а последние три должны были вывести на околоземную орбиту полноценные пилотируемые космические корабли для испытаний и подготовки экипажей. Четырнадцатая ракета «Нова», должна была стартовать 5 июля 1970 года, и вывести космический корабль и экипаж на 300-километровую околоземную орбиту для начала пролетной миссии.
Разработка ядерного двигателя NERVA отставала от графика, из-за отказов при испытании прототипа ядерного ракетного двигателя под названием Kiwi-B, которые случились в декабре 1961, сентябре 1962 и ноябре 1962 годов. Двигатели Kiwi не были предназначены для полета. И хотя его конструкция включала в себя сопло, он считался ядерным реактором, а не ядерным ракетным двигателеми Эти три отказа были схожи по своей природе: жидкий водород, движущийся через горячую активную зону реактора, вызывал вибрации, которые разрушали урановые топливные стержни реактора. Выхлоп горячего водорода выбрасывал осколки урана через сопло двигателя. Плавящиеся осколки распыляясь на открытом воздухе.
Неудачи испытания двигателя Kiwi-B стали причиной спора между Консультативным советом по науке при президенте и Бюджетным бюро с одной стороны, и агентством НАСА и Комиссией по атомной энергии, с другой.
Президент Джон Кеннеди посетил NRDS в начале декабря 1962 года, чтобы оценить ситуацию. 12 декабря 1962 года, за две недели до того, как компания Aeronutronic завершила свое исследование по проекту EMPIRE, он на неопределенный срок отложил реализацию проекта RIFT. Ссылаясь на финансовые ограничения, преемник Кеннеди, Линдон Джонсон, полностью отменил проект RIFT в декабре 1963 года и сделал проект разработки двигателя NERVA полностью наземным научно-исследовательским и опытно-конструкторским исследованием.
В декабре 1967 года наземный испытательный двигатель NRX-A6 NERVA проработал 60 минут без сбоев; то есть дольше, чем потребовалось бы для вывода космического корабля компании Aeronutronic с околоземной орбиты на симметричную траекторию полета. Тем не менее, президент Ричард Никсон отменил программу NERVA в 1972 году после расходов на программу которые превысили сумму в 1,4 миллиарда долларов.
Проект разработки ракеты «Нова» также был закрыт. К июню 1964 года Вернер фон Браун публично призвал к пилотируемым облётам планет с использованием ракет «Сатурн-5» и оборудования, разработанного для программы «Аполлон». Немного позже, в том же 1964 году, Бюджетное бюро объявило программу разработки ракеты «Нова» низкоприоритетной и призвало к тому, чтобы пилотируемая программа НАСА после завершения лунной программы «Аполлон» была ограничена околоземной орбитой и основывалась на оборудовании «Аполлона».
В начале 1965 года MSFC FPO опубликовала исследование осуществимости пилотируемой межпланетной миссии, основанной на программе «Аполлон». Но это уже совершенно другая история.
Ну а на сегодня у меня все. Спасибо за внимание!