Невыгодны обычные ракетные двигатели и с точки зрения невозможности резервирования ракетных ступеней, то есть, по существу, возможности обеспечить высокую надежность всего комплекса.
Мы уже упоминали ядерные ракетные двигатели, они для полета на Марс рассматриваются очень часто. У таких двигателей нет камеры сгорания, реактивная струя получается при разгоне газа (водорода), нагреваемого в тепловыделяющих элементах ядерного реактора.
Теоретически такой двигатель вдвое эффективнее жидкостного двигателя на водороде и кислороде, и с ним начальный вес марсианского корабля может быть существенно снижен. Хотя эффект от энергетических преимуществ двигателя будет заметно меньше из-за весовых затрат на радиационную защиту. А практически? К сожалению, пока неизвестно, поскольку эксплуатируемых ядерных двигателей пока не существует.
Конечно, и с ядерными двигателями останутся те же проблемы: хранение запасов криогенной жидкости и невозможность резервирования ракетных ступеней. К ним добавляется проблема обеспечения безопасности экипажа в связи с присутствием мощного ядерного реактора. Не говоря уже об угрозе радиоактивного заражения поверхности Земли или окружающего пространства (да и Марса нежелательно) в связи с возможностью аварии.
Применение электрореактивных — ионных или плазменных — двигателей будет, возможно, единственным практическим решением проблемы перелета между околоземной и околомарсианской орбитами (для посадки и взлета с планеты придется использовать жидкостные ракетные двигатели на обычном высококипящем топливе).
В электрореактивных двигателях можно получить скорость истечения струи (а она и определяет эффективность двигателя и соответственно расход рабочего тела на ускорение корабля) в 10–20 раз выше, чем у самых лучших жидкостных ракетных двигателей. Скорость истечения в электрореактивных двигателях получается за счет разгона ионов или плазмы в электростатическом или в электромагнитном поле. Однако тяга у таких двигателей невелика и для получения даже минимально приемлемых ускорений (порядка 10־4 — 10־5 единицы) на борту корабля придется иметь мощнейшую электростанцию на базе ядерного реактора или солнечных батарей. При этом время набора скорости кораблем будет порядка нескольких месяцев. Но как раз ресурс электрических двигателей может быть очень большим, а расход рабочего тела получается малым.
В результате масса марсианского корабля при тех же условиях может быть снижена вдвое — до 500–800 тонн. Электрический двигатель хотя и испытывался уже в космосе, пока еще далек от того уровня ресурса и надежности, который необходим для его применения к полету на Марс.
Тем не менее энергетическую систему мы как будто в принципе решили. Но на ней трудности создания марсианского корабля не кончаются. Та же энергетика, но уже в количественном смысле, продолжительность полета, компоновка корабля и многие другие вещи зависят от выбора схемы полета.
Здесь возникает несколько вопросов. Каков по количественному составу должен быть экипаж? Будет ли на корабле искусственная сила тяжести? Какие средства и оборудование должны быть доставлены на поверхность планеты? Какая часть корабля будет осуществлять посадку на поверхность Марса? По какой схеме и на какого рода аппарате будет осуществляться посадка? То же относительно аппарата, возвращающегося к Земле, и аппарата, осуществляющего посадку на Землю?
Возможен, например, такой вариант. Межпланетный корабль (комплекс) состоит из двух основных блоков: орбитального, который по достижении Марса остается с частью экипажа на ареоцентрической орбите, и посадочного, который осуществляет посадку на поверхность планеты и взлет с нее.
Вроде бы сходство со схемой полета на Луну. Однако здесь есть существенное отличие: Марс имеет атмосферу, хотя и очень разреженную (в 50—100 раз менее плотная, чем у Земли). Однако и такая атмосфера способна гасить большие скорости полета при небольшом угле входа. Для повышения эффективности торможения корабля нужно только увеличить поперечное сечение аппарата на единицу его массы. Сделать это можно за счет раскрытия специального зонта или тормозных щитков. Для посадки на поверхность планеты придется применить ракетные двигатели.
Возвращение на Землю будет осуществляться в орбитальном блоке, причем выгоднее будет, очевидно, не тормозить его сразу в атмосфере Земли (вход внее будет со второй космической скоростью), а перевести сначала на околоземную орбиту.
На компоновке марсианского корабля существенно скажется выбор типа энергетической установки. Если будут применены электрические двигатели, придется скорей всего, как об этом уже говорилось, установить ядерную электростанцию. Мощность ее будет несколько тысяч киловатт. КПДтакой станции едва ли будет намного выше 10–20 процентов. А это значит, огромное количество тепловой энергии — несколько десятков тысяч киловатт — придется «сбрасывать» в космосе. Понадобятся большие поверхности радиаторов-излучателей, что существенно скажется на весовом балансе всего корабля.
Ядерный реактор электростанции придется удалить от обитаемых отсеков на достаточно большое расстояние — до 50—100 метров. Это позволит не заключать реактор в сплошную оболочку радиационной защиты, а применить «теневую защиту». То есть небольшой экран вблизи реактора закроет большую площадь обитаемых отсеков.
Удалить реактор можно с помощью жесткой телескопической штанги. Кстати, такая компоновка позволит при необходимости создать искусственную силу тяжести путем закрутки всей системы вокруг центра масс.
Возникают такие проблемы, как обеспечение экипажа кислородом и водой. Взять с собой их запасы на весь полет будет очень накладно, да и сохранять воду в течение двух-трех лет непросто. Придется, видимо, применить физико-химические и биологические средства их регенерации. Над такими методами в последние годы много работают ученые и инженеры. Вообще вопросы комфорта в марсианском корабле будут играть очень важную роль и решить их будет очень непросто.
Понятно, что эффективность проведения исследований на Марсе будет зависеть от наличия и возможностей транспортных средств. При создании их нужно будет учесть разреженность атмосферы и периодически возникающие мощные пылевые бури. Кроме того, пребывание космонавтов на поверхности Марса должно быть существенно более длительным, чем это было у космонавтов на Луне. Кстати, в том случае навигация луноходов осуществлялась с помощью Земли. На Марсе можно будет воспользоваться только помощью с орбитального блока, да и то ограниченно. Значит, нужны автономные средства управления марсоходами.
