Кому и как лететь за Аэлитой

  Еще даже не проект – фантазия на тему марсианской экспедиции.

В перспективных планах Роскосмоса пилотируемый полет на Марс предусмотрен на 30–40-е годы XXI века. Но, если провести опрос населения о необходимости полета человека на Марс, то многие на такой вопрос ответят вопросом: «А зачем?» Думаем, что даже профессионалы, в том числе Главные и Генеральные, в солидных НИИ и проектно-конструкторских организациях Роскосмоса не в состоянии оценить масштабы, значимость и реальность полетов на Красную планету.
Вот для того чтобы прояснить состояние дел, подумать о марсианской миссии в глобальном масштабе, мы набрались дерзости написать эту статью.

В холодном свете Луны

В конце 60-х, начале 70-х годов прошлого века мы были много ближе к идее экспедиций на Марс, чем сейчас. В то время мы и американцы готовили полеты на Луну. Был выполнен ряд масштабных и уникальных разработок космических объектов и комплексов для лунной программы. Однако после череды аварий с ракето-носителем Н-1 работы по советской лунной программе были прекращены.
Если говорить о причинах неудач лунного проекта, то это прежде всего малый объем наземных стендовых испытаний Н-1. Возможно, роковую роль сыграла обстановка «лунной гонки» и стремление сэкономить на наземных испытаниях время и деньги. Американцы после таких же безалаберных гонок с запуском первых спутников переориентировались на обстоятельную проверку перед полетами. Немало этому способствовал у них Вернер фон Браун, отец немецкой и, естественно, мировой ракетной техники и создатель в Германии первых баллистических ракет дальнего действия. Именно он был назначен руководителем американского проекта экспедиции на Луну. Хотя было немало своих инженеров, мудрые руководители NASA выбрали лучшую кандидатуру.
На волне подготовки лунных экспедиций были сделаны двенадцать американских и четыре советских проекта экспедиций на Марс. Интересно, что все расчеты делались на период 1978–2010 годы. Каждый год выбиралась оптимальная по затратам топлива и времени перелетов дата старта с орбиты Земли. Проработки были глубокими и, как правило, детальными, особенно у таких фирм, как «Boing», «Nord American» и у наших: ЦКБЭМ, ныне РКК «Энергия» – проект МЭК; ЦКБМ – проект МК; НИИТП и НИИ ракетно-космической отрасли ЦНИИМАШ – проект «Аэлита».
Следует отметить, что перед этими проектами был сделан в ЦНИИМАШ проект облета Марса с гравитационным маневром у Венеры, получивший название «МАВР» («Марс–Венера разом»). Этот маневр позволял получить от Венеры дополнительный импульс и тем самым сократить общее время полета и затраты топлива.
Наиболее проработанным, на наш взгляд, был проект «Аэлита». Говорим это не потому, что были в числе его авторов. По долгу службы нам приходилось быть в комиссиях, дающих заключения по проектам МЭК и МК и, кроме того, мы детально копались в доступных для нас отчетах американских специалистов. «Аэлита» был не просто проект в общепринятом смысле этого слова. Это была четырехлетняя череда проектов, в которой были рассмотрены различные варианты перелетов и пребывания на Марсе двух и более космонавтов. Много фантазии было вложено в научные аспекты экспедиции.
И это были не только умозрительные упражнения. Все сопровождалось обстоятельными баллистическими расчетами, анализом функций экипажа и подбором бортовых систем. Была создана инженерная методика оценки массы теплозащиты при необычных скоростях входа в атмосферу, исследован тепловой режим водородных баков. Проведены аэродинамические продувки и прочностные испытания. Были получены более десятка свидетельств на изобретения.
Следует особо отметить, что в проекте «Аэлита» задолго до проектов «Спейс Шаттл» и «Энергия-Буран» рассмотрен спуск в планирующем аппарате с широким маневром в атмосфере. По продувкам он имел значительное аэродинамическое качество и был первым инженерно обоснованным решением планирующего управляемого снижения с орбиты.

Сценарий для Марса

На сегодняшний день один из возможных сценариев первой экспедиции с высадкой на Марс может быть такой.
На орбиту Земли запусками тяжелых ракет-носителей доставляется несколько квантов. В их числе межпланетный комплекс с топливом на отлет от Марса и на коррекцию межпланетных, припланетных и орбитальных траекторий. Доставляется также полупустой 50-метровый ракетный блок с баками из термопластичных композитов, трехкомпонентными жидкостными двигателями и запасом бороводородного горючего. На орбите он заполняется из поочередно стыкуемых с ним танкеров-заправщиков с фторокислородным окислителем и керосином.
В заправленный и состыкованный отлетный экспедиционный комплекс подсаживается экипаж из корабля, выводимого ракетой-носителем среднего класса. Далее раскладываются солнечные батареи, штанги с радиоизотопными генераторами, солнечный концентратор, навесные холодные радиаторы, и проверяются все бортовые системы. Разгонный блок выводит обитаемый межпланетный комплекс на перелетную траекторию прямо к Марсу или на пролет мимо Венеры. Лететь придется около 300 суток в одну сторону.
При достижении Марса осуществляется управляемый вылет на орбиту ожидания. Там уже будет находиться прилетевший ранее планетный комплекс. Он в режиме консервации без пилотов перегоняется от Земли электроядерной установкой малой тяги и его назначением является доставка людей и оборудования на поверхность Марса и их возврат на орбиту.
После расконсервации, проверки систем, рекогносцировки и выбора места посадки в планетный комплекс переходит группа из нескольких человек.
Вслед за сбросом разведывательных и навигационных реперов планетный комплекс переходит на низкую орбиту. Далее совершаются снижение в режиме управляемого маневренного скользящего спуска и посадка с использованием опорной кинематики шасси.
После посадки на Марс производится сборка и развертывание планетного оборудования с исследовательской лабораторией и средствами перемещения по поверхности. Далее в течение месяца идет интенсивная работа с изучением разных районов, сбора образцов грунта, передачи данных на Землю.
По завершении работы на планете осуществляется старт ракеты возвращения. Она выводит корабль возвращения на орбиту, где происходит стыковка с находящимся там межпланетным комплексом и переход в него планетной группы. Разгон, – а точнее, торможение в солнечной системе координат, – переводит межпланетный модуль на траекторию обратного перелета к Земле через маневр у Венеры или без него, но с несколькими коррекциями для точного попадания в коридор входа в атмосферу родной планеты.
На словах кажется все просто и благополучно. Но на деле сложностей очень много, и преодолеть их можно только детальной разработкой проекта, обстоятельной и длительной тренировкой и всесторонней наземной и летной отработкой. Начинать нужно и можно уже сейчас, за 15–20 лет до первой экспедиции.

Человек или автомат

Основной аргумент противников пилотируемых полетов к Марсу – доступная и недорогая идея опираться на автоматы. Бесспорно, работа автоматических устройств показала успехи, особенно при дальних межпланетных полетах, и в частности при исследовании Марса. Вспомним, что именно наша страна впервые посылала автоматы к Венере и Марсу и продемонстрировала выгоду автоматического исследования Луны с доставкой грунта на Землю и дистанционным управлением движением луноходов.
Очевидно, что при последующем инструментальном и всестороннем исследовании со сложными зондирующими устройствами, механическими исследовательскими сооружениями и доставкой на Землю грунта с Красной планеты и с ее спутников затраты на автоматические экспедиции будут возрастать и постепенно из-за сложности станут сопоставимы с пилотируемыми полетами. Спор «или-или» неизбежно перейдет в плоскость «и-и».
Пример проекта «Энергия-Буран» показал, что инженеры находят разумную середину, используя автоматические системы как предтечу пилотируемым полетам. Будет пройдена сначала стадия пилотируемых облетов планеты со сбросом планирующих зондов с высадкой автоматических исследовательских аппаратов. Космонавты будут заниматься управлением с орбиты их работой и возвратом на борт результатов зондирования планеты. После череды автоматических зондирований потребуются комплексные профессиональные многоплановые исследования на планете с участием ученых и инженеров. В непрогнозируемых событиях люди совершают нетривиальные поступки, которые не под силу запрограммированным автоматам.
Все идет к тому, что полеты на Марс неизбежны в будущем. Дело только в том, когда наступит это время. Чтобы его приблизить, проясним прежние разработки, будущие трудности и необходимые условия для осуществления марсианских экспедиций.

Научно-технический задел

Проект марсианской орбитальной станции.    Фото пресс-службы РКК «Энергия»

Попробуем сделать краткую инвентаризацию того, что в космонавтике уже есть и на что можно опереться в проекте экспедиции на Марс.
Ракет-носителей тяжелого класса, выводящих более 100 тонн, сейчас ни у кого нет, но они были и у США, и у СССР. Восстановить их матчасть с инфраструктурой космодромов нетрудно. Пяти-шести запусков достаточно для сборки разгонного комплекса для перелета к Марсу.
Имеется задел у американцев и у нас по ядерным двигателям большой и малой тяги, обеспечивающих межпланетные перелеты. Опробованы припланетные посадка и взлет в экспедициях на Луну со входом в атмосферу Земли и мягкой посадкой. Отработана на «Буране» высокоточная автоматическая посадка с орбиты без применения спутниковой навигации, что очень важно в условиях Марса.
Отлажена на орбитальных станциях «Салют», «Мир» и МКС технология ремонта, восстановления работоспособности, заправки, сборки. Проверена возможность пилотируемых полетов в невесомости длительностью до 300 суток, а также выращивания в невесомости полезных растений и водорослей. Отработаны российские силовые гиродины, ориентирующие и стабилизирующие многотонные космические объекты без затрат топлива. Отработаны космические ракетные блоки многоразового включения. Бортовые системы космических аппаратов обладают высокой надежностью работы в течение 7–10 лет полета.
В конце прошлого века на волне авиакосмической тематики получен опыт трансатмосферных управляемых полетов. Возможно аэродинамическое торможение при подлете к Марсу и перед десантированием. Испытаны сверхлегкие и прочные теплозащитные и конструкционные материалы. Системы дальней космической связи обеспечивают надежный радиообмен на расстоянии в несколько миллиардов километров.
Проверяются режимы спуска и посадки, а также способы передвижения на Красной планете. Повышена точность перелетов и гравитационных межпланетных маневров с облетом планет. Нарабатывается опыт технического и финансового взаимодействия стран при реализации совместных космических проектов.

Нерешенные и недорешенные проблемы

Вместе с тем осталось еще много дел до тех пор, пока можно будет всерьез говорить о пилотируемых полетах на Марс. Попытаемся выделить наиболее важные и сложные проблемы.
Первое – предстоит еще большая работа по созданию и отработке атомных двигателей для межпланетных операций. В первую очередь нужны ракетные ядерные двигатели большой и малой тяги с высоким удельным импульсом.
Второе – разработка и испытание на орбитальных станциях систем жизнеобеспечения с замкнутым циклом для полетов длительностью до трех лет.
Третье – совершенствование систем управления и всех бортовых систем энергообеспечения, терморегулирования с доведением их до высокого уровня надежности, обеспечивающего безопасность в трехлетнем межпланетном полете и в припланетных операциях.
Четвертая задача тесно связана с третьей и требует значительного совершенствования наземной и летной лабораторно-испытательной базы для подтверждения прогнозов по безопасности путем имитации условий полета в штатных и нештатных ситуациях. Подобная база была создана у нас для проекта «Энергия-Буран», но сейчас она тихо разваливается и не поддерживается правительством.
На основе опыта работы по программе «Энергия-Буран» можно спрогнозировать без больших погрешностей, что на марсианскую программу в течение 15–20 лет до первых полетов в середине 30-х годов будет расходоваться с учетом инфляции 25–30 млрд. долл. в год. По общему мнению, реализовывать марсианскую программу наиболее целесообразно на основе широкой международной кооперации под эгидой ООН. Решение о международной кооперации лучше не откладывать. Для этого надо провести уже в этом году или в первой половине 2014 года крупную международную конференцию, инициаторами и организаторами которой могли бы быть США, Европа и Россия (в лице Российской академии наук).

Организационные и управленческие проблемы

Без возврата российской науки и промышленности к умению, организации и темпам работы, свойственным 80-м годам, объединяться с передовыми по организационно-техническому уровню странами для проектирования полетов на Марс бессмысленно и стыдно. Необходимо решительным образом изменить оснащение и работоспособность авиакосмических отраслей. Должен быть возвращен и восстановлен научно-технический потенциал, стиль и деловой уровень, характерные для конца прошлого века.
Необходимо обновить и совершенствовать производственное и экспериментальное оборудование, но главное – решить организационно-управленческие задачи. Следует наладить ответственность и технологическую дисциплину; обеспечить действительное обучение и финансовую поддержку инженеров, рабочих и студентов; расставить пригодный профессионально технический и управленческий персонал и жестко его контролировать. Особо следует ужесточить контроль за расходованием финансовых средств, использованием производственных сооружений и матчасти. Выделяемого в настоящее время финансирования на космонавтику было бы видимо достаточно, если бы не сегодняшний масштаб коррупции.
Особый вопрос, которому следует уделить максимум внимания – восстановление и развитие творческой активности инженеров и рабочих. Будучи бесспорным лидером по уровню творческой активности в конце 80-х годов наша страна сегодня намного отстает от Японии, Южной Кореи, США, Германии и даже Австралии. Несмотря на объявленный руководством страны курс на инновации и модернизацию, конструкторы и технологи как имели низкую зарплату (в четыре-пять раз ниже, чем их коллеги в Германии) так и продолжают ею довольствоваться.
Бывший министр экономического развития РФ Андрей Белоусов в апреле 2013 года заявил, что если мы не сможем увеличить производительность труда в полтора раза, через 5–7 лет у нас произойдет обвал потребления с девальвацией рубля и скачком инфляции. В современной производственной сфере никто, кроме конструкторов и технологов, решающего влияния на производительность труда не оказывает. Насколько совершенное изделие спроектируют конструкторы, какой технологический процесс заложат технологи, такова и будет производительность труда.
Пока государство и бизнес держат конструкторов, инженеров-разработчиков и технологов в «черном теле», о серьезном росте производительности труда в России можно и не мечтать.
Но дело не только в зарплате. На известной фирме «Моторола» (США) и с производительностью труда не так плохо, и разработчики зарабатывают хорошо. Однако в начале 1990-х годов «Моторола» закупила программное обеспечение под названием «Изобретающая машина» для одной тысячи (!) инженерных рабочих мест у малоизвестной тогда компании, переехавший в Бостон из Минска. А в середине 90-х эта компания была отмечена как одна из самых динамично развивающихся компаний в США.
В России уже десять с лишним лет назад разработаны более совершенные, чем «Изобретающая машина», интеллектуальные системы для генерирования новых технических решений. Но интереса к ним со стороны предприятий, Министерства образования и науки, Минпромторга, Минсвязи практически никакого.
Марсианский проект в рамках международной кооперации мог бы быть крайне полезным для развития машиностроения и приборостроения в России, о котором все мечтают, но мало что получается. Этот проект означает для нас рывок в наукоемких технологиях, появление новых высокоинтеллектуальных рабочих мест, реанимацию испытательной базы, дальнейшее сближение с европейцами, начатое по аэрокосмической тематике в 90-х годах, развитие в электронике и информатизации, активизацию научных исследований.
Когда-то давно С.П. Королев и Ф.А. Цандер при встрече приветствовали друг друга словами: «Вперед, к Марсу!» Может быть, время для этого лозунга снова возвращается?