Человечество давно мечтает попасть на эту планету, практически сразу, как стало известно, что это именно планета. В 1922 году об этом Алексей Толстой написал роман «Аэлита», где пара советских граждан полетела на Марс и устроила там революцию. Там было все просто, до Марса долетели на ракете, собранной в сарае. На заре космонавтики Марс также рассматривался как цель для пилотируемого полета, конструктор Королев строил планы строительства марсианских кораблей и ракет, но, как оказалось, полет к красной планете не такое уж и простое дело. Вот основные проблемы и трудности:
- Большое расстояние, полет в одну сторону длится более 200 суток.
- Малый груз, который могут вывести современные ракеты к Марсу.
- Космическая радиация, при полете туда-обратно накапливается изрядная доза.
- Нет возможности оказания помощи. В случае внештатной ситуации, на орбите Земли можно в считанные минуты вернуться назад, при полете на Марс этого сделать не возможно, придется, как минимум долететь до Марса облететь его и без посадки лететь назад, на это может уйти более года.
Давайте посчитаем, каким должен быть космический аппарат, чтобы совершить пилотируемый полет на Марс. Будем исходить из минимализма и посчитаем от обратного.
Итак: экипаж три человека, полет по схеме "Аполлонов".
Начнем с посадочного модуля, он должен быть как минимум раза в два больше лунного, т. к. на поверхности планеты придется провести не 2 дня, а хотя бы 1 месяц, и нет смысла оставлять одного космонавта на орбите, орбитальный модуль сможет функционировать и в автоматическом режиме. Поэтому сажаем трех человек, объем спускаемой капсулы 12–15 м3, продолжительностью в один месяц, это по-спартански, но переносимо.
Пустой вес такого корабля составит порядка 6 тонн, плюс 3 человека, их вещи, скафандры, оборудование, образцы, еще 1 тонна. Т. е. нужна взлетная ступень способная поднять на орбиту Марса 7 тонн. Попробуем применить для расчета формулу Циолковского, по ней масса необходимого топлива необходимого для взлета составит:
Где, Мо - масса пустой ракеты – 7 тонн;
K - отношение полной ракеты к пустой - 9;
V - необходимая скорость, 3535 м/с (1-я космическая скорость для Марса);
I – удельный импульс двигателя, 2900 м/с.
Мt составит – 23 тонны, еще 20% надо накинуть на гравитационные потери и запас, всего 28 тонн. Масса пустой ступени и двигателя пусть 3 тонны. При посадке понадобится громадный парашют и тепловой щит (еще 2 тонны), на завершающем этапе - работающий двигатель для мягкой посадки, т. е. еще тонны 2 топлива, плюс припасы на месяц и оборудование, которое останется на Марсе, еще 1 тонна.
Выходит, что на Марс надо сажать аппарат массой минимум: 7+28+3+5=43 тонны.
На орбите остается сегмент, в составе которого возвращаемый на Землю модуль (возьмем как аналог КА "Орион", масса которого 23 тонны) и разгонная ступень, ее задача затормозить при подлете к Марсу связку в 66 тонн, а потом разогнать в обратный путь 30 тонн (считаю, что марсианский модуль не стоит сбрасывать, как лунный у аполлонов, сбросим только пустую ступень, модуль подойдет в качестве жилого на обратном пути, т. к. 220 дней для трех человек в 9 м3 не комфортно точно, а в 21 м3 лететь уже более терпимо).
Теперь рассчитываем вес ступени для маневров у Марса. Вторая космическая скорость для Марса 5030 м/с.
На разгон 30 тонного корабля к Земле уйдет по той же формуле – 22 тонны топлива.
Т. е. при подлете к Марсу надо будет тормозить М=66+22=88 тонн, Скорость подлета 5700 м/с, ее для выхода на орбиту надо погасить до 3535 м/с и на это надо уже 212 тонн топлива. Вес пустой ступени для торможения и разгона примем в 21 тонну.
Теперь считаем всю связку, которая должна достигнуть Марса: 88+212+21=321 тонна.
Для этого ее надо на орбите Земли разогнать с 1-й до 2-й космической скорости, т. е. с 7910 м/с, до 11200 м/с, считаем по той же схеме, на это надо: 895 тонн топлива, плюс вес самой ступени в 68 тонн.
Итого вес всей конструкции, который надо собрать на орбите Земли составит: 321+895+68=1284 тонны.
Это минимум, но даже это почти в три раза больше чем МКС сейчас.
Вот приблизительная схема полета:
Где: I -полностью собранный корабль на орбите Земли (1 - разгонная ступень; 2 - ступень для маневров у Марса; 3 - орбитальный корабль, с возвращаемым на Землю спускаемым аппаратом; 4 - марсианский корабль).
II – корабль в районе Марса.
III - корабль на обратном пути.
IV – посадка спускаемого аппарата на Землю.
На самом деле нужны будут какие-то дополнительные запасы топлива, скорость перемещения тоже будет не минимально возможной, т. к. это затянет полет, да и сам корабль, возможно, будет не спроектирован в минимализме. Еще момент, на Марс желательно летать только в «окна» в моменты наименьшего расстояния, т. е. с полетом туда просто, а вот назад придется или ждать очередное «окно» или лететь дольше (это дополнительные припасы и радиация) или лететь быстрее (дополнительное топливо).
Теоретически и технически полет возможен даже сейчас. Подобную конструкцию можно собрать при помощи ракеты Falcon Heavy, 1 пуск - разгонная ступень, потом 15 запусков танкеров для заправки ее топливом, 17-й пуск - 2-я ступень (можно ракетой попроще), 18-21-й танкеры для заправки 2-й ступени. 22-й - запуск орбитального модуля, 23-й - запуск марсианского посадочного корабля и 24-м доставляется экипаж и припасы в собранную ракету.
21 запуск Falcon Heavy + 3 обычных ракеты типа Falcon 9 или "Ангара".
И в путь. Через 500 дней назад вернется спускаемый аппарат массой в 7 тонн с 3 астронавтами и сотней килограммов марсианских камней.