Так родилась программа, которая стала известна как «Инициатива исследования космоса» (ИИК). Начало было хорошее, но потом все пошло под откос.
Обширная команда, представляющая все подразделения НАСА, которую поддержали все крупные аэрокосмические подрядчики, начала выяснять, как можно осуществить программу Буша. Через три месяца команда представила документ под названием «Отчет о 90-дневном изучении возможностей исследования Луны и Марса человеком», который вскоре стали просто называть «90-дневный отчет» [11]. В отчете говорилось, что перед тем, как человечество сможет отправиться на Марс, американцам потребуется тридцать лет на разработку космической инфраструктуры и это будет самая большая и самая дорогостоящая программа правительства США со времен Второй мировой войны.
НАСА собиралось построить спроектированную ранее космическую станцию, но теперь планируемый размер хотели увеличить втрое, добавив «сдвоенные кили» с большими ангарами для строительства межпланетных космических кораблей. Также требовалось построить множество дополнительных орбитальных объектов: отдельные криогенные хранилища топлива, доки для технического обслуживания, подсобные помещения для экипажа и так далее. Такой огромный и сложный комплекс вспомогательных сооружений был необходим для создания и обслуживания кораблей для полета на Луну (для доставки каждого из них на орбиту Земли потребуются три ракеты-носителя тяжелого класса и один шаттл). Те, кто помнит, что для каждого из «Аполлонов» требовался всего один запуск, почешут в затылке и подумают: «В прошлый раз долететь до Луны было не так тяжело…» В течение десяти лет эти лунные корабли должны были переместить на Луну все необходимые материалы и оборудование, чтобы создать обширную лунную базу. Вместе с орбитальными сооружениями она стала бы основой для строительства серии действительно громадных кораблей – тяжелее 1000 тонн – как «Звездный крейсер "Галактика"» – для полетов на Марс. Эти корабли работали бы на реактивной тяге и за счет других технологий, совершенно отличных от тех, использовались бы в лунных кораблях и, следовательно, потребовали бы больших затрат на разработку и на дополнительную инфраструктуру. В первых миссиях на Марс дорога заняла бы около полутора лет, причем на орбите Марса экипаж мог бы провести около одного месяца. Затем на поверхность планеты должен был спуститься маленький космический аппарат, способный поддерживать жизнь и работу небольшой команды исследователей в течение примерно двух недель, тем самым давая возможность астронавтам установить флаг США и совершить некоторые другие действия. Космические корабли вылетали бы к Марсу тяжело нагруженными и возвращались на орбиту Земли совсем легкими, сбросив все лишнее после каждой миссии (пустые топливные баки, марсианские роверы, подушки аэроторможения), таким образом навязывая дополнительные расходы на каждую последующую операцию вроде установки флага на Марсе. «90-дневный отчет» не включал оценки стоимости программы, однако в итоге эта информация просочилась в прессу. Минимальная оценка составляла 450 миллиардов долларов.
Вряд ли при такой стоимости программу можно было воспринимать всерьез. Длительность получалась большой, а разрекламированные преимущества колонизации космоса не вызывали энтузиазма у публики, заинтересованной в космических исследованиях. Предложения, озвученные в «90-дневном отчете», также были восприняты скептично. До тех пор пока предложенную стоимость программы в 450 миллиардов долларов не удалось бы значительно уменьшить, ИИК была нежизнеспособна. Это стало очевидно в последующие месяцы и годы, когда Конгресс продолжал отклонять каждый финансовый проект НИК, который попадал на рассмотрение.
На самом деле в «90-дневном отчете» не было ни внутренней логики, ни по-настоящему новых идей. Скорее, это был пересказ навязчивых идей, перекликавшийся с Die Marsprojekt – шестидесятилетней давности проектом пилотируемых миссий на Марс, который немецкий конструктор ракет Вернер фон Браун и его коллеги начали разрабатывать в конце 1940-х годов. Его техническая часть легла в основу программы пилотируемого полета к Марсу в рамках миссии «Аполлон», которая была предложена НАСА, но отклонена в 1969 году. Для фон Брауна и его сотрудников пилотируемая межпланетная миссия была поводом для самых смелых конструкторских фантазий: огромный межпланетный космический корабль (или еще лучше флот из огромных межпланетных космических кораблей), собранный на космической станции и запущенный с околоземной орбиты. Что происходило бы потом на поверхности Марса, было делом второстепенной важности. На базе этой навязчивой идеи – гигантские космические станции для сборки гигантских космических кораблей – обширный коллектив, работавший над «90-дневным отчетом», продолжал предлагать технологии, которые или уже существовали, или планировались в рамках программы технологического развития НАСА. Чтобы привлечь к процессу как можно больше людей, совет разработал самые сложные варианты архитектуры миссии, какие только можно было придумать, – вот пример того, как не нужно заниматься проектированием.
Создание логически последовательной Инициативы исследования космоса
К концу 1989 года для многих стало очевидно, что архитектура миссии, описанная в «90-дневном отчете», была внутренне противоречивой. В попытке разработать систематизированный критический анализ я написал следующий меморандум, который я впоследствии использовал в качестве введения к каждой большой серии статей о плане «Марс Директ» (см., например, [12]). По сути, этот меморандум обобщает рассуждения, которые привели к разработке миссии «Марс Директ», и я привожу его здесь в полном объеме.
В настоящее время существует необходимость разработать для Инициативы исследования космоса логически последовательную архитектуру. Под логически последовательной архитектурой следует понимать прозрачный и логичный набор целей и простой, четкий и экономически оправданный план их реализации. Выбранные цели должны вести к максимальному результату и возможности достигнуть еще более амбициозных целей в будущем. Чтобы упростить план, сделать его более надежным и дешевым, нужно отказаться от создания взаимозависимых миссий (то есть лунных, марсианских и околоземных орбитальных), поскольку в такой зависимости нет необходимости. В то же время план должен опираться на использование довольно разнообразных технологий, которые позволят достичь большого количества целей, – таким образом можно снизить расходы за счет многофункциональности оборудования. И, наконец, самое главное – следует выбрать технологии, которые повысят эффективность миссий. Недостаточно просто слетать на Марс, важно сделать что-то полезное, когда мы там окажемся. Миссии, не дающие весомых результатов, не имеют никакой ценности.
Несмотря на то что вышеизложенные принципы могут показаться очевидными, от них отступали много раз при разработке деталей ИИК (то есть «90-дневного отчета»), и, в результате ИИК стала такой дорогой и непривлекательной, что финансирование программы Конгрессом оказалось под сомнением. Высокая стоимость объясняется тем, что в плане предлагалось использовать совершенно разные ракеты-носители для полетов к Луне и к Марсу и принципиально разные
;устройства для передвижения по поверхности Луны и Марса. Кроме того, план навязывал полностью искусственную зависимость полетов на Марс от лунных миссий и требование связать лунные миссии с огромным орбитальным комплексом космической станции «Фридом», где производилась бы сборка и заправка космических кораблей. Более того, обе исследовательские миссии, и лунная, и марсианская, имели бы близкую к нулевой научную значимость, не было сделано серьезных попыток обеспечить мобильность аппаратуры на поверхности небесных тел, а исследователи Марса должны были провести на Красной планете меньше 5 % времени всего путешествия.
Чтобы сделать план внутренне согласованным, достаточно изменить структуру ИИК в нескольких строго определенных направлениях.
1. Простота и четкость требуют, чтобы лунные и марсианские миссии не зависели от любого рода инфраструктуры на низкой опорной орбите Земли. Помимо того что такую инфраструктуру чрезвычайно дорого проектировать, строить и обслуживать, она еще и крайне ненадежна, и ее трудно ремонтировать, а ее использование увеличивает риски для всех связанных с такой станцией межпланетных миссий, поскольку качество любой космической конструкции сложно проверить. Отказ от инфраструктуры на НОО приведет к использованию усовершенствованных разгонных блоков и/ или топлива, произведенного на планете назначения. Оба варианта позволят сократить массу миссии до такого значения, при котором сборка корабля на орбите вообще не требуется.
2. Низкая стоимость требует, чтобы для миссий к Луне, Марсу или даже другим планетам использовались одинаковые ракеты-носители, разгонные технологии и (по возможности) транспортные средства для исследования поверхности выбранного небесного тела. Также необходимо отказаться от инфраструктуры на земной НОО, так как запуск с ее помощью многоразовых ракет-носителей позволит сэкономить недостаточно средств, чтобы оправдать стоимость самой инфраструктуры. По текущим оценкам, она обойдется примерно в тысячу раз дороже, чем элементы будущего космического аппарата (двигатели, бортовая электроника) – то есть все то, на чем ремонт на орбите позволил бы сэкономить. Другими словами, потребуется подготовить к полету около тысячи миссий, прежде чем такой план окупится. Также, чтобы уменьшить расходы, мы всегда должны использовать наиболее экономичные траектории – то есть проводить запуски в те моменты времени, когда Марс находится в соединении с Землей (что означает экономию топлива и длительную экспедицию на поверхности Марса), – и отказаться от первоначально запланированных миссий с запуском во время противостояния Марса и Земли (большие затраты топлива, краткосрочное пребывание экипажа на поверхности Марса). Последние к тому же требуют принципиально иного оборудования.
3. Чтобы добиться высокой эффективности, астронавты должны получить три основных ресурса, как только достигнут места назначения. Эти ресурсы следующие.
A. Время.
B. Мобильность.
C. Энергия.
Само собой, время потребуется, если астронавтам предстоит выполнять какие-либо полезные исследования, что-то строить или экспериментировать с использованием ресурсов на поверхности планеты назначения. Это означает, что семейство марсианских миссий в противостоянии (полтора года полета и 20-дневное пребывание на поверхности Марса) не представляет интереса. Это также означает, что архитектура миссии с использованием лунного или марсианского орбитального рандеву (ЛОР, МОР) очень нежелательна по простой причине: если время пребывания на поверхности будет большим, то таким же будет время пребывания на орбите. Возникает затруднительное положение: или кого-то из членов экипажа придется оставить без дела в основном корабле на орбите на время длительной высадки на поверхность, подвергая воздействию космических лучей и суровых условий невесомости; или оставить основной корабль беспилотным на долгое время и надеяться на то, что он сохранит свою функциональность к возвращению экипажа. Если корабль окажется хотя бы частично поврежден, положение астронавтов безнадежно.
Альтернативой ЛОР и МОР являются такие варианты, где предусмотрено прямое возвращение с Марса на Землю. Это возможно, если речь идет о полете на Луну с использованием топлива земного производства, однако содержательную часть такой миссии можно было бы значительно расширить, если использовать для возвращения на Землю жидкий кислород, произведенный на Луне. Непосредственное возвращение астронавтов на Землю с поверхности Марса возможно только при использовании топлива марсианского производства.
Мобильность абсолютно необходима, если на небесном теле размером с Марс или даже Луну запланирована любая полезная исследовательская деятельность. Мобильность также требуется для транспортировки природных ресурсов из отдаленных мест на базу, где их можно переработать, и для того чтобы экипаж мог посетить удаленные объекты, такие как группа оптических и радиотелескопов на Луне. Ключ к мобильности как на Луне, так и на Марсе – производство топлива из местных ресурсов для заправки энергоемких роверов и реактивных летательных аппаратов. Самый важный ресурс для топлива на Луне – жидкий кислород, который может быть сожжен с земными компонентами топлива вроде водорода или метана. На Марсе комбинации химического топлива и окислителя, такие как смесь метана и кислорода или угарного газа и кислорода, можно производить как для устройств, передвигающихся по поверхности, так и для и летательных аппаратов, и, кроме того, можно использовать реактивные аппараты, работающие за счет «сырого» топлива – углекислого газа, нагретого тепловым ядерным двигателем.
В больших количествах энергию, необходимую для производства ракетного топлива из местных компонентов и на Луне, и на Марсе, можно генерировать только с помощью ядерных реакторов. Когда нужное количество топлива на Марсе будет заготовлено, реакторы станут очень удобным подспорьем для запасания ядерной энергии, тем самым обеспечивая исследователей ее мобильными источниками, например генераторами на 100 кВт, работающими независимо от двигателя внутреннего сгорания лунохода или марсохода. Наличие больших запасов энергии и на базе, и на удаленных объектах имеет принципиально важное значение для астронавтов, поскольку дает им возможность проводить широкий спектр научных исследований и использовать природные ресурсы. Таким образом, мы видим, что требования простоты, четкости, низкой стоимости и высокой эффективности приводят ИИК к варианту, который предполагает непосредственный запуск на Луну или Марс с помощью существующих средств запуска и передвижения в космосе, а также прямой возврат на Землю с поверхности планеты за счет топлива «местного» производства, которое также используется для передвижения по поверхности и служит мобильным источником энергии [12].
