Рис. 2.1 Модель межпланетного корабля Ф.А. Цандера, 1924 г.
В период 1903—1914 гг. появились первые публикации К. Э. Циолковского, В. В. Рюмина, Я. И. Перельмана, посвященные проблемам межпланетных полетов человека.
Первые эксперименты по обоснованию схем жизнеобеспечения межпланетных полетов были проведены в 1915 — 1917 гг. Ф. А. Цандером. К весне 1923 г. Ф. А. Цандер завершил работу над проектом и подготовил рукопись «Описание межпланетного корабля системы Ф. А. Цандера». В апреле 1924 года при Военно-научном обществе Академии военно-воздушного флота была организована секция межпланетных сообщений, а в июне секция реорганизована в «Общество изучения межпланетных сообщений». Первые работы, которые можно отнести к проектным, т.е. комплексным, практическим работам, обеспечивающим реализацию полета человека к другим планетам, связаны с именем российского ученого Ф. А. Цандера. К 1924 году, опираясь на труды К.Э. Циолковского, Р. Годдарта, Г. Оберта и свои 20-летние работы, Ф.А. Цандер получил следующие результаты [2.1]:
На рис. 2.1 представлена комбинация аэроплана с ракетой, как представлялось Ф.А. Цандеру в 1924 году.
Рис. 2.1 Модель межпланетного корабля Ф.А. Цандера, 1924 г. |
В 1928 году в Ленинграде создается Газодинамическая лаборатория (ГДЛ), в 1930 г. Ф. А. Цандер в Москве организует ракетную группу, которая в 1931 году превращается в «Группу изучения реактивного движения» (ГИРД). В 1933 г. на основе объединения ГДЛ и ГИРД рождается Реактивный научно-исследовательский институт (РНИИ), в котором С.П.Королев являлся главным инженером и заместителем начальника института. В октябре 1933 года производится первый запуск ракеты «ГИРД-Х» с жидкостным ракетным двигателем (ЖРД), рис. 2.2.
В 1952 г. В. фон Браун опубликовал свой проект пилотируемой экспедиции на Марс («Das Marsprojekt»). Проект предусматривал полет к Марсу десяти межпланетных кораблей, семь из которых с экипажем по 10 человек в каждом (всего 70 человек) и три грузовых. Сборку кораблей предполагалось производить на околоземной орбите из отдельных частей, доставляемых на орбиту ракетами-носителями с полезным грузом 39 т. Общая начальная масса всех десяти кораблей перед стартом к Марсу на околоземной орбите составляла 37000 тонн. В качестве двигателей для межпланетного перелета использовались ЖРД на компонентах N2H4 + HNO3. После выхода кораблей на околомарсианскую орбиту часть экипажа (50 человек) совершала посадку на поверхность Марса в трех посадочных аппаратах. Весь экипаж возвращался к Земле в семи кораблях с выходом на околоземную орбиту.
В 1959 году в ОКБ-1 (ныне РКК «Энергия» им. С.П. Королева) разрабатывался проект «ТМК» для облета экипажем Марса. Торможение у Марса, выход на околомарсианскую орбиту, посадка на поверхность Марса не предусматривались, тем не менее, в проекте были проработаны вопросы длительного полета экипажа по межпланетной траектории.
| Рис. 2.2 Первая ракета в России с ЖРД, успешно прошедшая летные испытания 21.11.1933 г. Ракета «ГИРД-Х» имела двигатель «Д-10» на компонентах жидкий кислород и этиловый спирт и получила дальнейшее развитие. В период 1935-1939 гг. было проведено в ОКБ-7 500 наземных и 25 летных испытаний с целью отработки методов управления |  |
23 июля 1960 года в СССР было принято Постановление правительства о создании ракетно-космической системы, обеспечивающей выведение на околоземную орбиту тяжелого межпланетного корабля (ТМК) массой 60-80 тонн для межпланетного комплекса [2.2].
В 1960 г. в ОКБ-1 был разработан проект «МЭК». Это был первый отечественный проект полета к Марсу с посадкой человека на поверхность Марса. Начальная масса комплекса на околоземной орбите составляла 600 т. Для межпланетного перелета планировалось использовать ядерную электроракетную двигательную установку с термоэмиссионным реактором-преобразователем. Состав экипажа 6 человек, из которых 3 человека совершают посадку на поверхность Марса. Этот проект стал началом постоянного совершенствования концепции РКК «Энергия» полета человека на Марс.
В 1960 г. Э. Штулингер предложил использовать ядерную энергоустановку с паротурбинным циклом на жидком металле, которая питает ионные двигатели для обеспечения полета человека на Марс.
В 60 — 70-х годах прошлого века проблеме энергодвигательного обеспечения пилотируемой марсианской экспедиции стало уделяться все большее внимание. В таких организациях, как Исследовательский центр имени М.В. Келдыша, Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова, Физико-энергетический институт, НПО «Энергия», НИКИЭТ, КБ химавтоматики и др. были проведены обширные НИР, которые показали перспективность трех схем: с твердофазным ядерным реактором, с газофазным ядерным реактором, электроядерные ракетные энергодвигательные установки.
Были созданы экспериментальные установки, реакторы, проведены «петлевые» испытания основных узлов двигателей в различных стационарных реакторах и таким образом была заложена основа высокотемпературной ядерной энергетики для космоса.
В 1966 году в ЦНИИМаш был разработан проект пилотируемого полета к Марсу «МАВР» без посадки человека на поверхность планеты. Затем в 1969 году был выпущен отчет по пилотируемой экспедиции с посадкой на поверхность (тема «Аэлита»). В этом отчете предлагался посадочный исследовательский комплекс с различными вариантами по количеству членов экипажа и с различными сценариями доставки комплекса на поверхность Марса.
К 1980 г. в ОКБ, которым руководил В. Н. Челомей, были завершены работы над проектом пилотируемой экспедиции на Марс (тема «Сегенит») на основе отечественного ядерного ракетного двигателя (ЯРД), который разрабатывался Исследовательским центром имени М.В. Келдыша совместно с КБХА и другими организациями.
На основании Постановления Совета Министров СССР от 30.12.1988 № 1474 «О государственных научно-технических программах», программа «Марс», в 1990 г. была разработана «Программа реализации пилотируемых экспедиций на Марс в 2010—2020 гг.». Были определены: политические, технико-экономические, научные предпосылки экспедиции на Марс, установлены принципы экспедиции. Сформирована программа НИР и ОКР.
В 1991 г. в США в рамках принятой «Инициативы исследования космоса» («Space Exploration Initiative» — SEI) был рассмотрен полет человека на Марс в период с 2012 по 2014 гг. на основе американского ЯРД «NERVA». В 1997 г. разрабатывается схема эталонной экспедиции человека на Марс, в которой в качестве основного двигателя выбран ЯРД российской разработки.
В рамках программы «Марс» в 1992 году была проведена Советско-Американская экспедиция в Антарктиду по изучению природных условий, схожих с марсианскими. В 1998 году исследовательская группа NASA провела проработки варианта марсианской экспедиции с многокорабельной схемой полета и использованием ядерного двигателя. На первом этапе предполагалась доставка на поверхность Марса базы для производства из марсианских ресурсов топлива и средств обеспечения жизнедеятельности. Время полета экипажа 860 суток с пребыванием на поверхности Марса в течение 500 суток. Для выхода на околомарсианскую орбиту предполагалось использование атмосферы Марса для аэродинамического торможения. Общая начальная масса всех кораблей экспедиции была названа от 260 до 400 т, экипаж 4 человека.
В 2001 г. Европейское космическое агентство принимает программу «Аврора» («Aurora Programme»), конечной целью которой является пилотируемая экспедиция на Марс. В рамках этой программы в 2004 г. разработан проект «Пилотируемая экспедиция на Марс», схема полета — однокорабельная, двигательная установка межпланетного корабля — ЖРД (водород/кислород). Начальная масса всего комплекса 1355 т. Время сборки на околоземной орбите 4,6 года, длительность экспедиции — 2,6 года, экипаж 6 человек.
В январе 2004 г. президент США Дж. Буш объявляет программу «Перспективы исследования космоса» («Vision for Space Exploration»), конечной целью которой является высадить человека на Марс в 2030-2033 годах.
 | |
Рис. 2.3 Общий вид межпланетного комплекса (1960 г.) | Рис. 2.4 «Поезд» на поверхности Марса (1960 г.) |
2.2. Российский проект экспедиции. Эволюция развития
Работы по проекту «МЭК» (Межпланетный экспедиционный комплекс) были начаты в РКК «Энергия» в 1960 году. Основным принципиальным решением проекта было использование электроракетных двигателей для перелета по межпланетной траектории. Это решение осталось неизменным для всех последующих модификаций проекта. В качестве энергоустановки вначале предполагалось использовать ядерный термоэмиссионный реактор-преобразователь электрической мощностью 7 МВт, рис. 2.3 [2.3].
Корабль планировалось собирать на околоземной орбите из отдельных частей, которые доставлялись на орбиту тяжелой ракетой-носителем (в это время еще только начинались работы по ракете Н-1). Количество членов экипажа — шесть человек.
Предполагалось, что после перелета к Марсу корабль выходит на круговую околомарсианскую орбиту, от него отделяются пять посадочных аппаратов, которые совершают посадку на поверхность Марса. В одном из этих аппаратов находилась часть экипажа всей экспедиции в составе трех человек. Эти аппараты после посадки на поверхность собирались в виде платформ, платформы соединялись в «поезд», который в течение года исследовал поверхность Марса, перемещаясь от одного полюса Марса до другого. В составе «поезда» было пять платформ: жилая платформа с экипажем, платформа с конвертопланом для разведки окружающей местности, две платформы с основной и дублирующей взлетной ракетой и платформа с энергоустановкой с ядерным реактором, рис. 2.4.
| Рис. 2.5 Общий вид межпланетного комплекса (1969 г.) | Рис. 2.6 Старт экипажа на взлетной ракете с поверхности Марса (1969 г.) |
 Рис. 2.7 Общий вид межпланетного комплекса с двумя ядерными электроракетными установками (1987 г.) |
После проведения исследований экипаж во взлетной ракете возвращался на межпланетный экспедиционный комплекс и совершал обратный полет к Земле. В окрестности Земли от комплекса отделялся специальный корабль, в котором экипаж возвращался на Землю с торможением в плотных слоях атмосферы, а экспедиционный комплекс продолжал полет по гелиоцентрической орбите, становясь искусственным спутником Солнца.
В 1969 году этот проект был переработан. Была увеличена электрическая мощность ядерного реактора до 15 МВт. Для увеличения надежности питания электроракетных двигателей межпланетного перелета было установлено три реактора вместо одного, рис. 2.5.
К этому времени стало известно, что атмосфера Марса существенно менее плотная, чем предполагалось ранее, и «аппетиты» пришлось умерить: количество посадочных аппаратов было уменьшено до одного, в котором экипаж совершал посадку на поверхность Марса и взлет с нее, рис. 2.6. В качестве ракеты-носителя для доставки элементов межпланетного комплекса на орбиту предполагалось использовать модификацию ракеты-носителя Н-1 (Н-1М).
В 1987 году конфигурация межпланетного экспедиционного комплекса была уточнена. Для увеличения надежности межпланетного перелета вместо одной двигательной установки с ядерными реакторами были установлены две независимые установки с тремя ядерными реакторами в каждой, со своими радиаторами и пакетами электроракетных двигателей, рис. 2.7.
| Рис. 2.8 Общий вид межпланетного комплекса с солнечными батареями (1988 г.) | Рис. 2.9 Центральная часть комплекса с межпланетным орбитальным кораблем и двумя взлетно-посадочными комплексами (1988 г.) |
| Рис. 2.10 Современный вид межпланетного экспедиционного комплекса (2006 г.) | Рис. 2.11 Центральная часть межпланетного экспедиционного комплекса с орбитальным кораблем и взлетно-посадочным комплексом. |
Была изменена конфигурация взлетно-посадочного комплекса. Вместо распространенной в то время сегментально-конической формы была принята цилиндрическо-коническая.
В 1988 году, вследствие большого прогресса в создании пленочных фотопреобразователей и успехов в разработке трансформируемых ферменных конструкций, ядерный реактор был заменен на пленочные солнечные батареи. Основным достоинством такого решения явилась возможность многократного резервирования элементов энергодвигательной установки межпланетного корабля [2.4, 2.5]. В этом случае вся энергодвигательная установка может быть построена по многомодульному принципу и ее надежность может достигать уровня практически недостижимого для других типов двигателей, рис. 2.8, 2.9.
Было уменьшено количество членов экипажа до четырех человек, два из которых совершают посадку на поверхность Марса. Для сборки корабля на орбите Земли предполагалось использовать новую ракету-носитель «Энергия».
Использование неядерной энергодвигательной установки позволило изменить и общую схему полета. Теперь весь комплекс не пролетал мимо Земли, становясь искусственным спутником Солнца, а возвращался на околоземную орбиту для повторного использования.
В последующие годы проводилась модернизация проекта в направлении совершенствования и упрощения технологии развертывания солнечных батарей, проработка характеристик систем межпланетного комплекса, рис. 2.10, 2.11. Одним из принципиальных технических решений последних лет явилось изменение конструкции межпланетного орбитального корабля таким образом, чтобы для его доставки на околоземную орбиту можно было использовать не только ракету «Энергия», но также и существующие ракеты-носители, включая модификации ракет-носителей «Протон» и «Ангара».
Кроме того, была решена одна из серьезных проблем проекта — обеспечение радиационной безопасности экипажа. Для защиты экипажа от космической радиации на внешних поверхностях жилого отсека межпланетного корабля были установлены баки с рабочим телом двигательной установки межпланетного перелета.
Была разработана программа летной отработки технических решений комплекса. Она включала специальные экспериментальные модули, которые планировалось доставить на орбитальную станцию кораблем «Прогресс». Работы по проекту проводились в кооперации с другими организациями: Центром Келдыша, ИМБП, ИКИ РАН, ЦНИИМаш [2.6].
Большая работа проводилась по отработке технических решений и медико-биологических проблем марсианской экспедиции на орбитальных станциях «Салют» и «Мир» в рамках программы технических экспериментов. В процессе эксплуатации станций были отработаны длительные полеты человека в космос: от 24-суточного полета экипажа Г. Добровольского, В. Волкова, В. Пацаева на станции «Салют» до 438-суточного полета врача-космонавта В. Полякова на станции «Мир». Были отработаны различные варианты разворачиваемых ферменных конструкций для размещения пленочных солнечных батарей межпланетного экспедиционного комплекса. В качестве основы для будущих ферменных конструкций межпланетного комплекса была принята ферма «Софора». На борту станции «Мир» в течение более года экспонировались образцы пленочных солнечных батарей, тех самых, которые планируется использовать на межпланетном комплексе.
2.3. Выводы
1. В течение многих десятилетий рассматривались различные концепции марсианских экспедиций с использованием различных сценариев полета и различных технических решений по конструкции комплекса для полета человека на Марс.
2. Российский проект межпланетной экспедиции отличается от других проектов использованием для межпланетного перелета маршевых электроракетных двигателей
2.4. Список использованной литературы
2.1. Ф.А.Цандер «Проблемы межпланетных полетов». М., «Наука», 1988.
2.2. В.Е.Бугров «Марсианский проект Королева». Журнал «Российский космос» , № 2, 2006.
2.3. Л.А. Горшков, В.Е. Любинский «Первый отечественный марсианский проект». Журнал «Аэрокосмический курьер», № 1, 2000.
2.4. В.П. Глушко, Ю.П. Семенов, Л.А. Горшков «Дорога к Марсу». Газета «Правда», № 145, 1988.
2.5. Ю.П. Семенов, Л.А. Горшков «Марс. Готовы ли мы к встрече?». Журнал «Наука в России», № 3, 1990.
2.6. А.С. Коротеев, В.Ф. Семенов «Вопросы космонавтики».