Як потрапити на Марс для науки
Існує багато технічних рішень для поїздки на Марс. Складність буде у виборі найкращого.
Складності подорожі на Марс достатньо, щоб знеохотити найбільш заповзятливих: планета ніколи не потрапляє на відстань 80 мільйонів кілометрів від нашої, тому зворотна подорож займе кілька років. Інженери мають рішення відправити чоловіків на Червону планету, а потім повернути їх цілими та здоровими, але вартість такого проекту значна.
Вартість місії на Марс залежить насамперед від маси космічного корабля, оскільки легкий космічний корабель вимагає менше палива. Останнє саме по собі не є дорогим: це вартість виходу на орбіту Землі, яка пропорційна
маса автомобіля, 80 відсотків з яких - паливо. Усі проекти місій на Марсі були пов'язані з мінімізацією маси автомобіля без шкоди для безпеки або наукових інтересів. У 1952 році Вернер фон Браун задумав побудувати армаду космічних апаратів, що рухаються звичайними хімічними ракетами; він підрахував, що загальна злітна вага досягне 37200 тонн. Навіть розміщення такого флоту на земній орбіті коштувало б трильйони франків. З тих пір інженери уявляли скорочення за рахунок використання ядерних або електромагнітних ракет з кращими характеристиками, зменшення кількості астронавтів, зменшення рівня надмірності обладнання та виробництва палива назад на Марс ( див. малюнок 1).
Сьогодні найпростіша місія, Mars Direct, коштуватиме 100 мільярдів франків початкових витрат, розподілених на десять років, плюс десять мільярдів франків за місію (див. Un direct pour Mars, стор. 38). Проект NASA, який називається "еталонною місією", бере кілька ідей від Mars Direct, але коштує приблизно вдвічі дорожче, з підвищеною безпекою та більшим екіпажем (шість астронавтів замість чотирьох).
Цей проект передбачає три космічні апарати: автоматичний апаратний модуль, який розміщує східний апарат та паливний завод на поверхні Марса; незайнятий придатний для проживання модуль, який розміщений на марсіанській орбіті; і модуль перекидання екіпажу, який, як тільки перші два прибудуть до місця призначення, буде працювати, коли Марс і Земля знову будуть вирівняні, через 26 місяців після перших запусків. Передавальний модуль доставив би астронавтів на Марс і стикувався з придатним для проживання модулем. Астронавти міняли кораблі, спускалися на поверхню, залишалися там 500 днів, а потім виїжджали з підйомником. Передавальний модуль, який би чекав на орбіті, повернув би їх назад на Землю. Кожні 26 місяців залишало б нове тріо космічних кораблів, щоб нарешті побудувати постійну базу.
Така програма буде коштувати дешевше, ніж Міжнародна космічна станція або програма "Аполлон". Однак, оскільки НАСА має репутацію перевитрати своїх бюджетів, багато прихильників місій на Марс зібралися в різні організації, такі як Асоціація Планет Марс (Марсове товариство), для розробки інших проектів.
Найбільш просунутий - це група ThinkMars, групи студентів Массачусетського технологічного інституту та Гарвардського університету. Ця група пропонує створити комерційну компанію для управління проектом "Марс", передаючи різні завдання на замовлення приватним компаніям та дослідницьким центрам NASA. Уряди різних країн купували б місця або місця для досвіду за зниженими цінами. Решта фінансування відбуватиметься за рахунок продажу реклами, прав на телевізійне мовлення та патентів на дослідження.
Після того, як показали, що пілотована місія є технічно здійсненною, прихильники цього типу операцій зараз намагаються переконати платників податків, обранців та промисловців.
Якою дорогою піти на Марс?
Для ракет із високою тягою найбільш економічною траєкторією є перехідна орбіта Хомана. Цей еліпс, дотичний до орбіт Землі та Марса, максимально використовує орбітальний рух планет для прискорення космічного корабля. Це буде розпочато, коли Марс випередить Землю під кутом близько 45 градусів (що відбувається кожні 26 місяців). Він залишив би Землю і прибув на Марс по інший бік Сонця з початкового положення Землі (див. Малюнок 3а). Така конфігурація планет утворює те, що астрономи називають сполучником. Щоб повернутися, астронавти зачекають, поки Марс випередить Землю під кутом 75 градусів, розмістять свій транспортний засіб на висувній дузі і нехай Земля наздожене його.
Кожен етап вимагає двох фаз прискорення. Із земної поверхні сплеск швидкості 11,5 кілометрів на секунду дозволяє транспортному засобу звільнитися від притягання Землі та вийти на орбіту перенесення. Інше рішення - почати з низької навколоземної орбіти, на якій космічний корабель вже обертається з великою швидкістю; тоді двигуни повинні забезпечити йому додаткову швидкість 3,5 кілометра на секунду. Наближаючись до Марса, ретро-ракети або гальмування в атмосфері повинні сповільнити космічний корабель приблизно на два кілометри в секунду, щоб вийти на орбіту, або на 5,5 кілометра в секунду, щоб висадитися. Повернення - це зворотний шлях.
Зворотна та зворотна подорож триватиме трохи більше двох з половиною років: 260 днів для кожного етапу міжпланетних подорожей та 460 днів перебування на Марсі. Основні проекти, такі як Mars Direct та довідкова місія NASA, надають перевагу траєкторіям кон'юнктурного типу, але скорочують поїздку, витрачаючи трохи додаткового палива під час поїздки. Ретельне програмування також гарантує, що корабель повернеться на Землю природним шляхом у разі відмови двигуна.
Щоб скоротити мандрівку, інженери NASA вивчають траєкторії опозиційного типу (див. Рисунок 3b), названі так тому, що Земля наближається найближче до Марса (конфігурація, яку астрономи називають опозицією) у будь-який момент місії. Ці траєкторії вимагають додаткового прискорення, застосовуваного по ходу. Тоді поїздка триватиме півтора року: 220 днів для зовнішньої подорожі, 30 днів перебування на Марсі та 290 днів для повернення. Зворотна дорога вказувала б на Сонце, з часом використовуючи гравітаційне тяжіння Венери, і назад до Землі ззаду. Послідовність можна змінити так, щоб подорож назовні була найдовшою. З запланованими ракетами ці траєкторії накладають занадто довгий шлях для такого короткого перебування, але вони були б цікавими, якщо б використовували дуже потужні ядерні ракети або човники, що постійно циркулюють між орбітами Землі та Марса, не зупинившись там ніколи.
Електричні ракети з низькою тягою економлять паливо, але вони недостатньо потужні, щоб за один імпульс звільнити транспортний засіб від тяги Землі. Вони повинні повільно розширювати свою орбіту, крутячись навколо Землі, як машина, що піднімається на гору. Вони досягли швидкості випуску протягом року, тому екіпаж буде піддаватися випромінюванню від поясів Ван Аллена, які оточують Землю занадто довго. Ці ракети з низькою тягою могли перевозити лише матеріал.
Двигун vasimr відкриває інші можливості. Залишаючись на "першому місці" (висока тяга, але низька ефективність), вона може вийти з орбіти Землі за 30 днів. Міжпланетна подорож триватиме додатково 85 днів. Протягом першої половини цієї поїздки ракета діяла в "п'ятій", потім, на півдорозі, ракета перекинулася і почала гальмувати при пониженні передачі. Коли Марс наближався, частина космічного корабля відчепиться, щоб приземлитися на Марс, а решта (включаючи модуль зворотного польоту) пройде планету, продовжить гальмувати і вийде на орбіту Марса через кілька днів (див. Малюнок 3c).
Безпека космонавтів
Чи переживуть люди зворотну подорож на Марс? Інженери Космічного центру Х'юстона постійно вдосконалюють ефективність та надійність сучасних систем. На Землі волонтери провели до трьох місяців у закритій камері, за допомогою якої ми випробовували нові методики переробки повітря та води. До фізико-хімічних методів додалися методи біологічної регенерації, такі як перетворення твердих екскрементів у добрива для вирощування пшениці, яка забезпечувала киснем і хлібом.
Інженери також прагнуть мінімізувати наслідки тривалого впливу невагомості. Астронавти, які проводять кілька місяців на орбіті Землі, втрачають значну кількість кісткової маси і страждають різними іншими недугами (див. “Людське тіло в невагомості”, Рональд Уайт, “Pour la Science”, листопад 1998). Цього остеопорозу можна було б уникнути, повільно обертаючи космічний корабель під час його міжпланетної подорожі.
У кількох проектах кабель або арматура з'єднує капсулу екіпажу із противагою, наприклад, ракетою, яка вже згоріла. Одне обертання на хвилину в кінці радіуса довжиною 340 метрів забезпечує силу тяжіння 0,38 г (в 0,38 рази більше земної ваги), подібну до тієї, що панує на поверхні Марса. Подвоївши швидкість, ми вкоротили руку в чотири рази, але збільшили силу Коріоліса, яка дезорієнтувала астронавтів, коли вони рухалися всередину корабля.
Однак обертання судна ускладнює процедури маневрування та зв'язку; тому лікарі розглядають інші рішення, такі як конкретні фізичні вправи, харчові добавки та використання крісел для центрифуг.
Вони також стурбовані радіацією, яку отримає екіпаж. До космічного випромінювання (ядер високої енергії, які постійно перетинають нашу Галактику) слід додати сонячні спалахи, тобто інтенсивні потоки протонів, які періодично викидаються Сонцем.
Космічне випромінювання має вищу енергію, ніж протони від сонячних спалахів, тому його важче зупинити. На борту космічного корабля, за алюмінієвою стіною товщиною шість сантиметрів, доза буде зменшена на 20 відсотків порівняно з тією ж дозою без стінки. Радіобіологи підрахували, що такий вплив збільшить ризик смерті від раку протягом 30 років лише на кілька відсотків. Таблетки, що містять антиоксидантні сполуки, можуть зменшити цей ризик.
Випромінювання від сонячних спалахів небезпечно, оскільки воно виникає в непередбачуваних струменях, які відразу відкладають смертельні дози на шкіру та внутрішні органи. Принаймні одне виверження відбувається кожні 11 років у напрямку максимальної активності сонячного циклу, і кожні два роки реєструються трохи менш сильні шторми. Астронавти на орбіті Землі захищені магнітним полем Землі, яке затримує і відбиває протони, а мандрівники, які прямують до Місяця і до Марса, ні.
Ми знаємо, як зупинити частинки: найкращі екрани виготовляються з матеріалів, багатих воднем, таких як поліетилен або вода; Більш важкі атоми не настільки ефективні, оскільки вражаючі їх протони витісняють їх нейтрони, викликаючи небезпечний каскад випромінювання. Товщина води в десять сантиметрів зменшила б дозу, отриману під час найсильніших вивержень. Конструктори місії запропонували створити на кораблі сонячну штормову завісу, зберігаючи воду для космонавтів у кишенях, які вночі оточують їх квартали. Астронавтів буде попереджено про майбутнє виверження за допомогою супутників сонячного спостереження.
Марсіанське середовище
Якщо астронавти коли-небудь висадяться на Марсі, вони відразу ж відчують відмінності від Землі: низька гравітація Землі змінить їхній підхід. Оскільки темп ходьби регулюється силою тяжіння (подібно до каденції маятника), швидкість прогресу астронавтів складе близько 60 відсотків від того, що вони мали б на Землі, при цьому спалюючи однакову кількість калорій.
У тонкій атмосфері Марса (еквівалентній Землі на висоті 35 кілометрів) температура і тиск змінюються швидко і в широких межах, але метеорологічні характеристики, як правило, однакові. Хоча вітер досягає 100 кілометрів на годину, сила, яку він чинить, є слабкою через низьку щільність атмосфери. Астронавти побачили туман, мороз і тонкі блакитні хмари рано вранці. Небо змінює колір залежно від місця та часу спостереження. Схід і захід сонця сині; інакше небо карамельного кольору. Світло створює оптичні ілюзії. Через різну частку прямих сонячних променів і непрямого світіння з небес, колір порід відрізняється залежно від часу доби (див. Вище).
Марс нудно плоский. Піки Твін на місці Марс-Патфайндер ледь перевищують 50 метрів над рівнем моря, і все ж їх добре видно з кілометра. Навіть гора Олімп, найвища гора Сонячної системи на 22 кілометрах над рівнем моря, має лише середній градієнт у кілька відсотків. Рельєф стає цікавішим по краях долини Валле-Марінеріс, регіону ущелин та каньйонів.
Через відсутність рельєфу астронавти побачили б, що Марс менший за Землю: відстань до горизонту пропорційна квадратному кореню радіуса планети. Двоє людей заввишки 1,70 метра побачили б одне одного на відстані семи кілометрів. Горизонт також є межею прямого радіозв’язку на Марсі, який позбавлений іоносфери. Космонавтам потрібні були супутники-естафети.
Марсіанський пил може значно завадити перебуванню астронавтів на Червоній планеті. Марс покритий пилом діаметром близько двох мікрометрів, порівнянним з частинками сигаретного диму. Пил буде прилипати до скафандрів, дряпати козирки шолома, спричиняти появу електричних шортів, стрічкових інструментів та нечистот двигунів. На Місяці, також дуже запиленому, костюми просочилися через два дні використання. Крім того, аналізи зонда Вікінга показують, що частинки покриті їдкими хімічними речовинами, такими як перекис водню. Хоча в низькій концентрації ці сполуки повільно псують гумові ущільнювачі.
Якщо невелика частина частинок зроблена з кварцу, як свідчать результати Mars Pathfinder, над астронавтами нависає ще одна загроза: силікоз - хвороба легенів, яка щороку вбиває тисячі шахтарів та будівельних робітників. Щоб у кабіні не було пилу, перед входом астронавти повинні ретельно очиститися. Це було б непросто: намагнічений і електрично заряджений, пил склеюється скрізь. Астронавти могли носити костюми, складені з двох шарів, зовнішній шар яких залишався б у спеціальному шлюзі поза головною кабіною.
Нарешті, виробництво електроенергії також постраждає від цього пилу. На Mars Pathfinder поточний вихід сонячних панелей зменшувався на один відсоток кожні три дні, оскільки там накопичувався пил. Пилова буря зменшить вихідну потужність наполовину. Ось чому для місії може знадобитися ядерний реактор потужністю 100 кіловат.
Мікроби, які неминуче супроводжуватимуть астронавтів на Марсі, ускладнюватимуть пошук життя Марса. І навпаки, можливі марсіанські організми ризикували б прибути на Землю після повернення з місії. Ці організми, ймовірно, не могли б викликати хвороби у людей чи інших видів (більшість біологів вважають, що вони б надто відрізнялися від наземних форм життя), але ризик глобальної катастрофи не рівний. NASA вивчає систему біоізоляції повернутих зразків, але знезараження космонавтів неможливе. Під час програми "Аполлон" карантини були обмежувальними, суперечливими та не надійними. У 1992 році експерти рекомендували нам встановити існування активного або неактивного життя на Марсі, перш ніж відправляти туди космонавтів; щоб астронавти знали, які регіони планети можна безпечно досліджувати та які заходи безпеки їм слід вжити в інших місцях, щоб уникнути прямого контакту з можливою формою життя Марса.