Дългият път на НАСА до Марс
Трябва да се отбележи, че "Орион" не е преодолял силите на гравитацията на Земята. Скоростта му е била само 8,9 км в секунда, а максималната температура е била около 1730 градуса по Целзий. Това обаче е достатъчно, за да се потвърдят свойствата на топлозащитното покритие.
Работата по кораба, първоначално известен като CEV (Crew Exploration Vehicle, Manned Research Vehicle), беше обявена през 2004 г. като част от програмата Constellation, която включваше завръщането на американците на Луната. Три години по-късно, когато започна активната фаза на работа по проекта, беше обявено, че тестовете на новия кораб трябва да започнат преди края на 2014 г. Това обещание беше спазено въпреки факта, че през 2011 г. новият президент на САЩ Барак Обама закри програмата Constellation. Корабът стана част от новия "гъвкав път" на американската астронавтика, излизайки със смяна на името. Сега Orion се нарича MPCV - Multi-Purpose Crew Vehicle (Многоцелеви пилотиран кораб), а целта му вместо Луната беше Марс.
Пълноценен кораб ще може да излезе в космоса едва през 2017-2018 г. Предполага се, че безпилотният Orion, използващ втората степен на новата свръхтежка ракета Space Launch System като задвижващ модул, ще лети около Луната. Пилотиран полет в орбита на спътник на Земята ще се проведе през 2020 или 2021 г. След това на всеки две години се предвижда да се изпращат експедиции в дълбокия космос, чиито цели все още не са определени.
Пилотиран космически кораб MPCV Orion, изображение на ESA.
Стратегическата цел на НАСА е Марс. Кацането на тази планета е предварително насрочено за средата на 2030 г., но подготовката за експедицията все още не е започнала и НАСА няма ясен работен план. В публични изявления на американецаКосмическата агенция често подчертава, че Орион е проектиран специално за полет до Марс. В действителност такова устройство е само един от многото елементи, необходими за доставяне на астронавти на повърхността на съседна планета.
Основната функция на Orion, Dragon, космическите совалки и българския Союз на SpaceX е безопасното доставяне на хора в близкия космос и връщането им на Земята. Поради необходимостта да издържат на големи натоварвания и високи температури по време на спускане в атмосферата, всички те са обемисти. Междувременно малкият капацитет на носене на ракетите налага основното ограничение на възможностите на космическата технология. В резултат на това съществуващите пилотирани космически кораби имат толкова малък вътрешен обем, че само няколко кубически метра въздух на космонавт. При такива условия човек може спокойно да преживее 6-часов полет до МКС или, вече без комфорт, няколко дни пътуване до Луната, но нито един човек не може да издържи шестмесечен полет без възможност да се разтегне до пълния си ръст. Има няколко концепции за марсиански експедиции, но като цяло се предлага използването на големи многомодулни комплекси с тегло от 300 до 500 тона.
Конвертируем модул BA-330, разработен от Bigelow Aerospace.
Задължителен елемент от дългосрочните космически мисии е допълнителен жилищен модул. Независимо дали искаме да изследваме далечен астероид, или да летим около Венера, или да приземим хора на Фобос или Марс, жизненото пространство за астронавтите е незаменимо. Повечето от „космическите“ страни имат опит в създаването на такива структури, тъй като от жилищния модул не се изисква много. Просто трябва да е лек и достатъчно обемист, за да побере много консумативи освен хора.месеци напред. За тези цели може да се използва например леко модифициран научен и енергиен модул (SEM), който се разработва от RSC Energia за МКС. България обаче не планира експедиция до дълбокия космос. Подходящо е и надуваемо отделение като създаденото от американската компания Bigelow Aerospace. НАСА също има концепция за класическо обитаемо отделение с твърдо тяло за експедиции в дълбокия космос, наречено Deep Space Habitat. За сравнение, вътрешният обем на космическия кораб Orion е по-малък от 9 кубически метра. м, NEM - повече от 70 куб.м. м., модул Bigelow - 330 куб.м. м.
Малък модул "Поиск" от българския сегмент на МКС.
Друг важен елемент от дългосрочната космическа експедиция е свързан с проблема с радиацията. Казано по-просто, космическата радиация се състои от заредени и неутрални частици. На повърхността на Земята радиационният фон остава удобен за хората поради факта, че магнитното поле на планетата спира потока от тежки положително заредени протони, идващи от Слънцето, а атмосферата блокира неутралните частици, пристигащи извън Слънчевата система. Орбитата на Международната космическа станция е под радиационните пояси на Земята, така че астронавтите са повече или по-малко защитени от коронарни изхвърляния на Слънцето. Въпреки това човек получава обща доза радиация до 0,2 сиверта по време на шестмесечен престой в станцията. Такъв обем радиация, получена за кратко време, би означавала лека форма на лъчева болест, но тялото понася ефектите от радиацията, разпределени във времето, много по-добре.
Според данни, събрани от американския космически кораб MSL (Mars Science Laboratory) в открития космос и на повърхността на Марс, за 180-дневно пътуване до Марс, година и половина престой на повърхността на планетата и180 дни от обратния път натрупаната доза радиация ще бъде 1,01 Sv. Ефектът на космическата радиация върху тялото не е добре разбран, но официално медицината твърди, че участието в марсианска експедиция ще увеличи риска от рак с 3-5%.
В действителност нещата са малко по-лоши. Както бе споменато по-горе, важен фактор за толерантността към радиация е нейното равномерно разпределение във времето. Въпреки това значителна част от радиацията, измерена от инструмента на борда на сондата MSL, е получена веднага след няколко слънчеви изригвания. Типичната продължителност на протонен дъжд, който възниква след слънчево изригване, е от 12 часа до един, рядко до два дни.
Необходимостта от спестяване на масата на космическия кораб не позволява да се защити целият жилищен отсек от радиация. Допълнителен проблем е, че галактическите космически лъчи (тези, които нямат електрически заряд и са уловени от земната атмосфера), когато ударят щита, предназначен да спира слънчевите протони, причиняват дъждове от вторични частици, които са опасни за здравето.
В тази връзка има смисъл да се създаде малко „отделение за буря“, в което астронавтите могат да бъдат само в най-опасните часове след коронарни изхвърляния. За съжаление, в миналото хората не са правили дългосрочни космически експедиции, така че все още няма разработки по създаването на такива модули в САЩ, България и други страни. Въпреки това, по един или друг начин, проблемът с радиацията все още ще трябва да бъде решен, ако НАСА реши да не се ограничава до един демонстрационен полет до Марс.
Йонен двигател NEXT.
Всеки знае, че тъй като във вакуум практически няма триене, двигателите не са необходими за движение в космоса. За съжаление космическите кораби не летятправа линия (или, говорейки за полети в сферата на влияние на Слънцето, а не в постоянна орбита). За да отлетите от орбитата на Земята, да коригирате траекторията, да намалите скоростта и да влезете в орбитата на друга планета, е необходимо да изразходвате енергия. Единственият начин за промяна на скоростта в космоса е реактивният самолет. За да ускори или коригира посоката на движение, космическият кораб трябва да изхвърли материята в обратна посока.
Полет до Марс ще изисква отделен задвижващ и енергиен модул - достатъчно голям, за да движи комплекс с тегло стотици тонове в космоса. В момента широко се използват два вида реактивни двигатели, които са подходящи за създаване на такъв модул. Консервативният подход включва използването на широко използвани горивни двигатели с хидразин/азот тетроксид, които се различават от ракетните двигатели само по размер. Те създават добро сцепление, но изискват голямо количество гориво. Друг вариант са електрореактивни двигатели, йонни или плазмени. Те „ядат“ много по-малко гориво (и това означава спестяване на масата, изстреляна в космоса), но консумират много електроенергия. Тягата на електрическите реактивни двигатели е много малка, но икономичният разход на гориво им позволява да се използват през целия полет. Тоест, ако превозно средство с конвенционални двигатели лети с първоначално зададената скорост и изразходва резервите от гориво само за корекция на курса или спиране при навлизане в орбита, тогава превозно средство с йонни двигатели може да увеличи скоростта през целия полет.
По този начин класическите ракетни влекачи са много подходящи за малки експедиции с продължителност до шест месеца. За пътуване на дълги разстояния електрическите реактивни двигатели са по-обещаващи. За съжаление необходимата мощност на слънчевите панелиелектрически реактивен влекач, способен да движи марсиански експедиционен комплекс, е най-малко - и по-скоро повече от - един мегават. Това е четири пъти повече от общата мощност, генерирана от слънчевите масиви на Международната космическа станция. Въпреки това, НАСА обмисляше изграждането на обещаващ влекач, захранван от слънчева енергия, преди няколко години по програма, наречена Solar Energy Propulsion. Сега България проучва възможността за изграждане на ядрен влекач с мощност до 500 киловата.
Лунен апарат Eagle, снимка на НАСА.
Друг детайл, необходим за една космическа експедиция, е модулът за излитане и кацане. Той ще е необходим само в тези мисии, които включват кацане на хора на повърхността на достатъчно големи космически обекти. В зависимост от това къде точно отиват хората, спускаемият модул може да има напълно различен дизайн. За Луната например е достатъчен малък апарат с универсална двигателна система. Същият, но по-малък, подходящ за големи астероиди, планети джуджета и спътници на Марс. Самото кацане на Марс ще трябва да бъде напълно различно. Поради наличието на слаба атмосфера и значителна гравитация, кацането на най-близката до нас планета е много трудна задача. От една страна, апаратът трябва да има термична защита, за да не изгаря при триене във въздуха. От друга страна, той не може да намали само с помощта на парашути. Като се има предвид, че там ще трябва да бъде доставена цяла ракета - в противен случай няма да може да се върне от повърхността на Марс в орбита - експедицията се превръща в проект поне на ръба на технологичните възможности на нашата цивилизация. За щастие НАСА вече се е погрижила за проблема с доставянето на големи обекти на повърхността на Марс.Агенцията финансира работата по създаването на свръхзвукова система за забавяне с ниска плътност (LDSD, Low-Density Supersonic Decelerator). Това е надуваем аеродинамичен щит с голям парашут, който работи по време на началния етап на кацане, и реактивен двигател, който се включва при приближаване към повърхността на планетата. Аеродинамичният щит се надува преди навлизане в плътните слоеве на атмосферата. Благодарение на голямата си площ, той е в състояние значително да забави устройството по време на преминаването му през атмосферата и следователно да достави повече товари на повърхността.
Свръхзвуков забавител с ниска плътност, изображение на НАСА.
На това, може би, всичко. След като сте събрали необходимите елементи в орбита в един комплекс, можете да отидете на дълбоко космическо пътуване. Възможно е мисия до Марс да не се състои в средата на 30-те години на миналия век, както обещава НАСА. При технически сложни проекти изместването на датите е често срещано явление. Но няма съмнение, че след няколко години, когато НАСА ще има кораб за полети в дълбокия космос, ни очакват много интересни експедиции и приключения.