И опять про Марс

Или чего не хватает для полета туда людей. Я уже писал, что нужно уметь запускать на орбиту много тонн. Потому что жилой модуль с космонавтами тяжелее автоматического зонда, а еще космонавтов нужно возвращать домой, для чего требуется много топлива. Проблема завоза этого многотоплива может быть решена тремя путями:

1. Просто взять и привезти. Так было в проекте ТМК Королева, например.

Проблема в том что на один полет нужно хорошо если 5 запусков сверхтяжа, а скорее все 10.

2. Использовать двигатели с высоким удельным импульсом: ядерные или электрические.

Проблема во-первых в том что первые существуют очень условно, а вторые только с питанием от солнечных батарей и на порядки слабее желаемого. Во-вторых, ни те, ни другие не подходят для посадки на планету. У электрических тяги не хватит, у ядерных экранирование только с одной стороны. Так что придется делать отдельный химический посадочный модуль. Его, впрочем, и с ЖРД придется делать ради экономии массы, но там хотя-бы двигатель у орбитального и посадочного модулей может быть один и тот же. И в-третьих, масса по сравнению с ЖРД уменьшается, но не так чтобы сильно.

3. Наконец ракетное топливо можно просто добыть на месте, на чем основаны проекты Зубрина и Маска

Недостаток в том что надо либо развернуть топливный завод силами роботов, либо не сцать посылать отважных космонавтов без возможности сразу свалить домой.

Вот только такой возможности в любом случае нет. Траектории межпланетного перелета бывают двух типов: соединение и оппозиция. В первом случае одна планета догоняет другую, скорости на сколько возможно уравнены, расстояние минимально. Во втором случае целевую планету надо догонять переходя на орбиту с низким апоцентром, т. е. приближаясь к Солнцу, при этом тратя больше топлива и времени. Подробности тут на русском в кратком пересказе, тут и тут английские первоисточники.

Собственно суть проблемы. Окно для соединительной траектории с Марса на Землю открывается только спустя 2 года после прилета на Марс. Оппозитная траектория доступна почти сразу после высадки, но она сильно дороже по топливу:

Причем в таблице из второй английской ссылке есть подлог. Для Conjunction (соединение) берется классический эллипс Гомана, что и дает те самые 1005 дней на полет из которых половина в космосе. Вот только гораздо более быстрая полугодовая траектория стоит не сильно дороже. Скрины из книги Варварова «Человек исследует планеты»:

Очевидно что общая продолжительность полета 1005 суток при нахождении на орбите Марса 558 суток возможна только если на перелеты тратится 447 суток. Для сравнения, в варианте с оппозицией у них получилось 520 суток в открытом космосе, что конечно больше, но не так сильно как было бы при использовании двух 165-суточных траекторий и 330 суток всего.

И тем не менее NASA с недавних пор полюбило оппозитные траектории ибо они позволяют уменьшить время марсианской экспедиции на треть. За счет сокращения пребывания на Марсе с 558 дней до 30-40 и увеличения времени в полете, при том что корабль при этом подходит к Солнцу на радиус орбиты Венеры. Мнеб такую хуцпу в свое время!

Как видно из графика, доза за 500 дней на поверхности Марса эквивалентна 180 дням в межпланетном пространстве, а ведь дней этих по новому плану NASA будет сильно больше. При этом на Марсе будет хоть какая-то гравитация, а в межпланетном полете по планам NASA будет невесомость. По крайней мере я не вижу на этих картинках вращающейся секции

Ядерный вариант

Ядерно-электрический-химический

У Зубрина в проекте Марс Директ была гравитационная связка жилого блока с разгонной ступенью. Маск при желании может запускать Старшипы парами и делать из них грависцепки. Правда так весь многодесятилетний опыт превозмогания невесомости на Салютах, Мире и МКС окажется нафиг не нужным, что было проблемой Зубрина, пытавшегося работать в рамках NASA и вообще не проблема для Маска.

Следующий слайд. Что нужно для двух вариантов полета к Марсу в 2039 по версии NASA:

CLV — это коммерческие ракеты-носители, т. е. Старшип, Фалькон-Хэви, Нью-Гленн:

Необходимость добавить еще и SLS вызвана, разумеется, заботой о безопасности отважных астронавтов, а ни в коем случае не коррупцией (нет). Ну и самое интересное — сколько это будет стоить по мнению самой NASA:

Причем сколько процентов затрат на запуск сжирает SLS схема тактично умалчивает. Хотя прогресс по сравнению с SEI и Constellation, где просили сотни миллиардов, безусловно есть.

И так, есть вариант полета от NASA. Минимум 29 миллиардов, 30 суток на Марсе, 730 суток в невесомости под космической радиацией. Максимум 41 миллиард и 660 дней в невесомости. И есть вариант Зубрина-Маска с 550 сутками на Марсе при трети g, с возможностью закопасться от радиации в грунт и максимум 180+259=439 суток на перелет у Зубрина и 100+259 = 359 у Старшипа. Вторая цифра взята из предположения что возвращаться будут по Гоману ради экономии на мощности топливного завода. Перелет туда у Зубрина заявлен с вращательной гравитацией, Маск может ее добавить. Зубрину и Маску для производства метана на Марсе надо либо найти и добыть воду, либо длительно хранить водород с Земли. Что, внезапно, требуется и для ядерного марсолета NASA, вот только там речь о сотнях тонн, против единиц тонн у Зубрина. В Mars Direct 3 Зубрин предлагает завозить метан с Земли и добывать только кислород электролизом CO2:

для чего потребуется уметь долго хранить метан, что есть и в проекте NASA. А вот ядерный реактор на 1.9 МВт из проекта NASA пригодился бы, но не обязателен — по рассчетам команды Зубрина солнечные панели аналогичной мощности влезут в два Старшипа.

И так, есть «безопасный» план NASA в котором ради месяца на Марсе астронавты два года кукуют на гелиоцентрической орбите в невесомости и открытые всем солнечным ветрам. Зато без ISRU. Мне одному кажется что лучше уж сразу после высадки побегать соединяя шланги и кабеля и потом два года исследовать Марс, но провести в перелетах год, причем с возможностью создания гравитации и обложившись сотней тонн полезной нагрузки Старшипа?

Короче, проблема лишь в желании NASA раздать как можно больше контрактов на НИОКР. Чендж май майнд.