Несмотря на то, во что нас заставляет верить "Звездный путь", межпланетные путешествия - это довольно сложный путь. Возьмем, к примеру, полет на Марс. Зонды, отправленные на Красную планету НАСА и другими космическими агентствами, проводят в космосе около семи месяцев, прежде чем прибывают в пункт назначения. Путешествие для человека, вероятно, будет более длительным - скорее всего, в масштабах нескольких лет.
Человеческому экипажу для выживания необходимо многое, чего нет у роботов, например, пища, вода, кислород и достаточное количество припасов для возвращения - вес которых может замедлить космический корабль. По расчетам НАСА, при нынешних технологиях полет экипажа на Марс и обратно, плюс время пребывания на поверхности, может занять от двух до трех лет. "Мы точно знаем, что три года вполне осуществимы", - говорит Мишель Рукер, возглавляющий группу НАСА по архитектуре Марса в Управлении полетов по исследованию и эксплуатации человека.
Однако НАСА стремится сократить эти сроки, отчасти потому, что это сделает полет на Марс более безопасным для человека - мы до сих пор не знаем, насколько хорошо человеческий организм может выдержать длительное пребывание в космосе. (Агентство инвестирует в проекты по разработке новых двигательных технологий, которые позволят ускорить космические полеты.
Кривой путь на Марс
В научно-фантастическом мире космический корабль отрывается от Земли и направляется прямо на Марс. Такая траектория, безусловно, обеспечит более быстрое путешествие. Но реальные космические путешествия гораздо сложнее, чем просто путешествие из точки А в точку Б.
"Если бы у вас было столько тяги, сколько вы хотите, вы могли бы игнорировать тот факт, что в нашей Вселенной существует гравитация, и просто пронестись через всю Солнечную систему", - говорит Мейсон Пек, профессор астронавтики в Корнельском университете, который с 2011 по 2013 год был главным технологом НАСА. "Но сейчас такой сценарий невозможен".
Такая прямая траектория сопряжена с рядом трудностей. Когда космический корабль отрывается от Земли, ему необходимо избежать гравитационного притяжения планеты, что требует значительной тяги. Затем, в космосе, сила гравитации Земли, Марса и Солнца тянет космический аппарат в разных направлениях. Когда он окажется достаточно далеко, он выйдет на орбиту вокруг Солнца. Для преодоления этой силы тяжести требуются маневры, требующие больших затрат топлива.
Вторая проблема заключается в том, что планеты не остаются на одном месте. Они вращаются вокруг Солнца, каждая со своей скоростью: Марс не будет находиться на том же расстоянии от Земли в момент запуска космического аппарата, что и Красная планета, скажем, семь месяцев спустя.
По словам Пека, самый экономичный маршрут к Марсу проходит по эллиптической орбите вокруг Солнца. Только в одну сторону этот маршрут покрывает сотни миллионов миль и занимает в лучшем случае более полугода.
Но разработка миссии с экипажем на Красную планету заключается не только в том, чтобы выяснить, как быстро космический корабль сможет добраться туда и обратно. Речь идет о "балансе", - говорит Патрик Чай, руководитель группы НАСА по архитектуре Марса, отвечающей за двигательную установку в космосе. "Есть целая куча решений, которые мы должны принять с точки зрения того, как мы оптимизируем определенные вещи. Где мы обменяем производительность на время?" говорит Чай. "Если вы просто смотрите на одну единственную метрику, вы можете принять решения, которые действительно хороши для этой конкретной метрики, но могут быть проблематичными в других областях".
Один из основных компромиссов в пользу скорости связан с количеством груза на борту. При нынешней технологии каждый маневр, направленный на сокращение времени полета на Марс, требует больше топлива.
Если вы водите автомобиль, вы знаете, что для того, чтобы ускорить автомобиль, вы нажимаете на газ. То же самое происходит и на космическом корабле, за исключением того, что при торможении и поворотах также расходуется топливо. Например, чтобы замедлиться, космический корабль запускает свои двигатели в направлении, противоположном движению вперед.
Но в космосе нет заправок. Больше топлива означает больше массы на борту. А большая масса требует больше топлива для перемещения этой дополнительной массы по воздуху... и так далее. По словам Рукера, если сократить срок полета в оба конца до двух лет, то этот компромисс начинает становиться экспоненциально менее эффективным. По крайней мере, это касается нынешней технологии.
Новые технологии для ускорения поездки
НАСА хотело бы иметь возможность значительно сократить эти сроки. В 2018 году космическое агентство запросило предложения по технологическим системам, которые могли бы позволить небольшим миссиям без экипажа долететь от Земли до Марса за 45 дней или меньше.
В то время эти предложения не получили большой поддержки. Но этот вызов вдохновил инженеров на разработку инновационных двигательных систем, которых еще не существует. И теперь НАСА начало финансировать разработку ведущих претендентов. В частности, космическое агентство положило глаз на ядерную силовую установку.
В настоящее время космические аппараты в основном полагаются на химическую тягу. "В основном вы берете окислитель и топливо, соединяете их, они сгорают, в результате чего выделяется тепло. Вы разгоняете этот нагретый продукт через сопло, чтобы создать тягу", - объясняет Чаи из НАСА.
Инженеры уже несколько десятилетий знают, что ядерная система может создавать большую тягу, используя значительно меньшее количество топлива, чем химическая ракета. Они просто еще не построили такую систему - хотя это может измениться.
Один из ядерных инвестиционных проектов NASA направлен на интеграцию ядерного теплового двигателя в экспериментальный космический аппарат. Программа Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations, или DRACO, является совместной с Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) и нацелена на демонстрацию полученной технологии уже в 2027 году.
Однако самый быстрый полет на Марс может быть осуществлен благодаря другому проекту. Эта концепция, детище исследователей из Университета Флориды и поддержанная грантом НАСА, стремится достичь того, что Чай называет "святым Граалем" ядерной тяги: комбинированной системы, которая объединяет ядерную тепловую тягу с электрической.
"Мы провели предварительный анализ, и кажется, что мы можем приблизиться к [45 дням]", - говорит руководитель этого проекта Райан Госсе, профессор-практик программы прикладных исследований Университета Флориды (Florida Applied Research in Engineering, FLARE). Одна оговорка: эти сроки рассчитаны на легкую полезную нагрузку и без людей на борту. Однако, если проект окажется успешным, технология может быть расширена в будущем для обеспечения полетов с экипажем.
Предлагаемый проект, иллюстрирующий космический корабль для испытания ядерного теплового ракетного двигателя. DARPAСуществует два типа ядерных силовых установок, и оба имеют свои достоинства. Ядерные тепловые двигатели, использующие тепло, могут быстро генерировать большую тягу из небольшого количества топлива. Ядерные электрические двигатели, использующие заряженные частицы, еще более экономичны по расходу топлива, но создают тягу гораздо медленнее.
"Пока вы находитесь в глубоком космосе, электрическая силовая установка действительно великолепна, потому что у вас есть все время в мире для тяги. Эффективность, количество миль на галлон, намного, намного выше, чем у двигателей с большой тягой", - говорит Чай. "Но когда вы находитесь около планет, вам нужен этот импульс, чтобы вырваться из гравитационного колодца".
Однако проблема заключается в том, что для обеих технологий в настоящее время требуются разные типы ядерных реакторов, говорит Госсе. А это означает наличие двух отдельных систем, что снижает эффективность использования ядерной двигательной установки. Поэтому Госсе и его команда работают над созданием технологии, которая позволит использовать одну систему для создания обоих типов движущей силы.
Команда НАСА по архитектуре Марса также работает над бимодальной концепцией, которая использует химическую двигательную систему для маневрирования вокруг планет и электрическую двигательную систему на солнечных батареях для тяги в глубоком космосе.
"Мы разрабатываем различные инструменты для инструментария", - говорит Рукер из НАСА. "Одного инструмента будет недостаточно для проведения всех исследований, которые мы хотим сделать. Поэтому мы работаем над всеми этими инструментами".