Космические миссии на Марс. Технологические разработки для исследования Красной планеты

Дональд Рапп
Космические миссии  
на Марс 

Donald Rapp
Human Missions  
to Mars
Enabling Technologies  
for Exploring the Red Planet
Third Edition

Дональд Рапп
Космические миссии  
на Марс
Технологические разработки  
для исследования Красной планеты
Москва, 2024

УДК	 001.18
ББК 20
Р23
Рапп Д.
Р23 	 Космические миссии на Марс / пер. с англ. В. И. Бахура. – М.: ДМК Пресс, 
2024. – 694 с.: ил. 
ISBN 978-5-93700-279-2
Запуск пилотируемых миссий на Марс представляет собой кульминационный 
этап освоения Солнечной системы на ближайшие полвека. Помимо исследования 
Марса, такие полеты станут вдохновляющим инженерным достижением и откроют 
новую эру космической экспансии человечества. Ввиду того, что реализация марсианских миссий потребует серьезных технологических усилий, а также огромных 
затрат, на сегодняшний день они остаются лишь футуристическими концепциями, 
нашедшими свое воплощение в научных работах теоретиков, идейных вдохновителей, энтузиастов и, что особенно важно, инженеров-конструкторов.
Книга представляет собой первую скептическую работу на тему космических 
полетов на Марс и предлагается в качестве альтернативы оптимистическому настрою, который всеми так широко пропагандируется.
УДК  001.18
ББК  20
First published in English under the title Human Missions to Mars, Third Edition by Donald 
Rapp. This edition has been translated and published under licence from Springer Nature 
Switzerland AG. Springer Nature Switzerland AG takes no responsibility and shall not be made 
liable for the accuracy of the translation.
Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения 
владельцев авторских прав.
ISBN 978-3-031-20725-9 (англ.) 	
Copyright © Donald Rapp, under 
exclusive license to Springer Nature 
Switzerland AG, 2023
ISBN 978-5-93700-279-2 (рус.) 	
©  Перевод, оформление, издание,  
ДМК Пресс, 2024

Содержание
От издательства.......................................................................................................13
Предисловие.............................................................................................................14
Что нового в третьем издании?.........................................................................16
Глава 1. Зачем исследовать Марс?....................................................................17
1.1. Введение................................................................................................................17
1.2. Роботизированная разведка с позиции разработчика...................................20
1.3. Мнение ученых-скептиков о поисках жизни на Марсе.................................23
1.4. Зачем отправлять людей на Марс? Точка зрения энтузиастов.....................26
1.5. Отправка людей на Марс. Точка зрения скептиков........................................31
Список литературы.....................................................................................................32
Глава 2. Планирование космических кампаний и миссий........................34
2.1. Архитектуры.........................................................................................................34
2.2. Кампании..............................................................................................................35
2.3. Планирование космических миссий.................................................................35
2.4. Миссия как серия последовательных этапов...................................................37
2.5. Архитектуры миссий на Марс............................................................................42
2.6. Системные инженеры.........................................................................................45
Список литературы.....................................................................................................46
Глава 3. Более 60 лет проектирования пилотируемых миссий  
на Марс.......................................................................................................................47
3.1. Концепция фон Брауна.......................................................................................48
3.2. Самые ранние концепции NASA.......................................................................50
3.2.1. Первоначальные исследования..................................................................50
3.2.2. Исследования начала 1960-х годов............................................................51
3.2.3. Разработка ядерной ракеты........................................................................53
3.3. Исследование компании Boeing 1968 года.......................................................54
3.4. Первые планы по исследованию Марса вне NASA.........................................59
3.4.1. Планетарное общество и анализ SAIC.......................................................60
3.4.2. Обоснование проекта Mars II......................................................................61
3.5. NASA в конце 1980-х годов.................................................................................62
3.5.1. Проект LANL..................................................................................................62
3.5.2. Исследование Салли Райд...........................................................................62
3.5.3. Корпорация SAIC..........................................................................................62
3.5.4. Кейсы Управления по исследованиям (1988 г.)........................................63

6    Содержание
3.5.5. Кейсы Управления по исследованиям (1989)...........................................64
3.5.6. Инициатива по исследованию космоса и ее продолжение....................65
3.5.7. Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса  
(LANL).......................................................................................................................67
3.6. Независимые исследования 1990-х годов........................................................68
3.6.1. Советский Союз.............................................................................................68
3.6.2. Проект Mars Direct........................................................................................69
3.6.3. Миссия Mars Society......................................................................................74
3.7. Эпоха до создания эталонных миссий (DRM) .................................................78
3.8. Эталонные миссии NASA 1993–2007 гг.............................................................79
3.8.1. Эталонная миссия-1 (DRM-1)......................................................................79
3.8.2. Эталонная миссия-3 (DRM-3)......................................................................93
3.8.3. Сопоставление массовых показателей: DRM-3 и DRM-1........................96
3.8.4. Система ISRU для DRM-3.............................................................................98
3.8.5. Эталонный проект Mission-4 (DRM-4).....................................................101
3.8.6. Миссия с двумя посадочными аппаратами............................................101
3.8.7. Эталонный проект архитектуры-5 (DRA-5).............................................102
3.8.8. Практикум по стратегии исследования (2006).......................................105
3.9. Другие концепции миссий на Марс................................................................109
3.9.1. Подход TeamVision к исследованию космоса.........................................109
3.9.2. Исследование Массачусетского технологического института.............110
3.9.3. Исследование ЕКА по программе параллельного проектирования 
(2003).......................................................................................................................112
3.9.4. Миссия HERRO к Марсу для орбитального исследования  
поверхности с помощью телероботов...............................................................114
3.9.5. Boeing в XXI веке.........................................................................................117
3.9.6. Миссии с баллистическим возвращением..............................................119
3.9.7. Краткосрочные и долгосрочные миссии.................................................120
3.9.8. Архитектуры на базе траекторий облета и баллистического 
возвращения..........................................................................................................124
3.9.9. Пилотируемая миссия VASIMR® на Марс (2011)....................................125
3.9.10. Скоростная ядерная миссия (2013)........................................................126
3.9.11. Марсианский базовый лагерь (2016)......................................................126
3.9.12. Варианты пилотируемых полетов на Марс на ядерноэлектроракетных двигателях..............................................................................128
3.9.13. Анализ миссий с ЯТП компании Aerojet Rocketdyne...........................128
3.9.14. Исследование IAA 2011–2015 гг..............................................................129
3.9.15. Миссия Phobos...........................................................................................130
3.9.16. Пребывание на поверхности Марса в течение 24 суток.....................131
3.9.17. Аскетичная пилотируемая миссия на Марс..........................................132
3.10. Проекты NASA в XXI веке...............................................................................132
3.10.1. Основные направления деятельности NASA в 2009–2015 годах.......132
3.10.2. Целесообразность полета человека на Марс к 2033 году....................137
3.10.3. Деятельность команды NASA по изучению Марса  
в 2017–2018 годах.................................................................................................138
3.10.4. Планы NASA по освоению Марса человеком в 2021 году...................140
3.10.5. Программа NASA по пилотируемым миссиям на Марс (2022 год)....142

Содержание    7
3.11. Численность экипажа и его функции............................................................146
3.11.1. Численность и состав экипажа...............................................................146
Список литературы...................................................................................................158
Глава 4. Туда и обратно.......................................................................................162
4.1. Импульсные двигательные установки............................................................162
4.1.1. Требования к топливу импульсной ступени для космических 
перелетов...............................................................................................................163
4.1.2. Ракетное уравнение...................................................................................166
4.1.3. Сухая масса ракеты.....................................................................................170
4.2. Анализ траекторий импульсного движения..................................................172
4.2.1. Основы ракетной науки.............................................................................173
4.2.2. Продолжительность полета на Марс и требования 
 к двигательной установке...................................................................................190
4.2.3. Более реалистичные модели.....................................................................193
4.3. От Земли к низкой околоземной орбите........................................................194
4.4. Отправление с НОО...........................................................................................195
4.4.1 Необходимое значение Δv..........................................................................195
4.4.2. Отправка массы на Марс...........................................................................197
4.4.3. Ядерно-тепловая двигательная установка для перехода 
на траекторию до Марса (TMI)............................................................................199
4.4.4. Солнечные электрические двигатели для подъема на орбиту............201
4.5. Переход на орбиту Марса..................................................................................204
4.6. Подъем с поверхности Марса...........................................................................208
4.6.1. Масса топлива и масса полезной нагрузки.............................................208
4.7. Переход с орбиты Марса на траекторию до Земли.......................................211
4.8. Переход на околоземную орбиту.....................................................................211
4.9. Коэффициенты передачи..................................................................................212
4.9.1. Введение.......................................................................................................212
4.9.2. Расчеты коэффициентов передачи..........................................................214
4.9.3. Коэффициент передачи для старта с Земли...........................................215
4.10. Переход с НОО на орбиту Марса....................................................................215
4.11. От низкой околоземной орбиты до поверхности Марса...........................219
4.12. Величина IMLEO для полетов на Марс..........................................................221
4.12.1. Химическая двигательная установка и аэроассистент.......................221
4.12.2. Использование ядерной тепловой тяги................................................222
4.12.3. Использование установок ISRU..............................................................223
4.13. Марсианские миссии с использованием ядерно-тепловой тяги..............225
4.13.1. Ядерная тепловая двигательная установка..........................................225
4.13.2. Работы Боровски и соавторов.................................................................226
4.13.3. Однолетняя краткосрочная миссия.......................................................227
4.13.4. Марсианские миссии Aerojet с использованием ЯТП.........................229
4.14. Сравнение химических и ядерных двигателей...........................................231
4.15. Марсианские миссии с использованием солнечной электрической  
тяги..............................................................................................................................232
Список литературы...................................................................................................233

8    Содержание
Глава 5. Критические элементы марсианской миссии.............................236
5.1. Снабжение средствами для контроля окружающей среды 
и жизнеобеспечения.................................................................................................236
5.1.1. Потребности в расходуемых ресурсах (без переработки)....................236
5.1.2. Использование систем переработки – по состоянию на 2015 год......241
5.1.3. Использование систем переработки отходов – обновление  
2022 года.................................................................................................................247
5.1.4. Краткие выводы по системам ECLSS.......................................................258
5.2. Радиационное воздействие и требования к защите....................................260
5.2.1. Источники радиации..................................................................................260
5.2.2. Определения и единицы измерения.......................................................262
5.2.3. Радиационное воздействие на человека и допустимые дозы.............262
5.2.4. Радиация в космосе....................................................................................266
5.2.5. Уровни радиации при полетах на Марс..................................................268
5.2.6. Краткие выводы по радиационному воздействию...............................272
5.3. Эффекты микрогравитации.............................................................................273
5.3.1. Введение в общую картину воздействия нулевой гравитации...........273
5.3.2. Исследования воздействия малой гравитации......................................275
5.3.3. Искусственная гравитация........................................................................279
5.3.4. Планы NASA в отношении влияния низкой гравитации.....................285
5.4. Человеческий фактор в замкнутом пространстве........................................286
5.5. Варианты отмены и безопасность полета......................................................293
5.5.1. Варианты отмены и безопасность полета в лунных миссиях ESAS....293
5.5.2. Варианты отмены миссий на Марс..........................................................294
5.5.3. Приемлемые риски.....................................................................................300
5.6. Среды обитания.................................................................................................301
5.6.1. Конструкция среды обитания и человеческие факторы......................301
5.6.2. Земные аналоги марсианских сред обитания........................................303
5.6.3. Среды обитания DRM-1.............................................................................306
5.6.4. Среды обитания проекта DRM-3..............................................................309
5.6.5. Среда обитания проекта Dual Landers.....................................................309
5.6.6. Конструкции сред обитания SICSA..........................................................312
5.6.7. Другие концепции сред обитания 2022...................................................318
5.6.8. Экспедиционный пилотируемый корабль Orion...................................321
5.7. Вывод на орбиту с аэродинамической поддержкой, вход в атмосферу, 
спуск и посадка.........................................................................................................323
5.7.1. Введение.......................................................................................................323
5.7.2. Опыт эксплуатации роботизированных космических аппаратов......327
5.7.3. Требования к спуску и посадке для пилотируемых миссий на Марс....334
5.7.4. Точная посадка............................................................................................346
5.7.5. Дорожные карты разработки, испытаний и сертификации.................348
5.8. Средства передвижения....................................................................................352
5.8.1. Аппарат для взлета с Марса и процесс взлета с Марса.........................352
5.8.2. Корабль для перевозки экипажа на Марс и обратно.............................367
Список литературы...................................................................................................368

Содержание    9
Глава 6. Локальное производство из местных ресурсов........................375
6.1. Достоинства ISRU...............................................................................................375
6.2. Лунные установки ISRU.....................................................................................377
6.2.1. Введение.......................................................................................................377
6.2.2. Топливо для подъема.................................................................................378
6.2.3. Потребляемые ресурсы жизнеобеспечения...........................................379
6.2.4. Топливо с доставкой на НОО с Луны.......................................................380
6.2.5. Топливо с доставкой на лунную орбиту для спуска (и подъема).........381
6.2.6. Реголит для радиационного экранирования..........................................382
6.2.7. Перспективные концепции.......................................................................382
6.2.8. Лунные ресурсы и процессы.....................................................................386
6.2.9. Анализ затрат на лунную ISRU.................................................................395
6.3. Системы ISRU для Марса...................................................................................397
6.3.1. Введение.......................................................................................................397
6.3.2. Временные рамки для запуска ISRU на Марсе.......................................399
6.3.3. Продукция ISRU на Марсе..........................................................................401
6.3.4. Процессы ISRU на Марсе............................................................................401
6.3.5. Модель полноценной ISRU на Марсе для получения кислорода  
путем электролиза CO2.........................................................................................418
6.3.6. Уменьшение IMLEO за счет ISRU в пилотируемой миссии на Марс.....428
6.4. Топливо для марсианских кораблей из внеземных ресурсов.....................430
6.4.1. Лунные ресурсы..........................................................................................430
6.4.2. Ценность лунной воды на НОО................................................................432
6.4.3. Процент добытой на Луне воды с доставкой на НОО...........................432
6.4.4. Ресурсы околоземных объектов...............................................................439
6.5. Лунный паром для лунного топлива на спуске.............................................442
6.6. Создание, сборка и дозаправка в околоземном пространстве...................444
6.6.1. Орбитальные хранилища топлива...........................................................444
6.6.2. Многоуровневый запуск с орбиты...........................................................452
6.7. Водород в космосе или на Марсе.....................................................................454
6.7.1. Варианты хранения водорода...................................................................454
6.7.2. Выкипание на борту корабля....................................................................459
6.7.3. Системы с нулевым выкипанием.............................................................465
6.7.4. Хранение на Марсе.....................................................................................470
6.7.5. Итоги и выводы...........................................................................................472
Список литературы...................................................................................................472
Глава 7. Почему NASA вряд ли отправит людей на Марс  
в ближайшие десятилетия.................................................................................477
7.1. Взаимосвязь Луны и Марса...............................................................................477
7.1.1. Различия между лунными и марсианскими миссиями........................478
7.1.2. Луна как средство снижения рисков для Марса.....................................479
7.1.3. Использование ISRU в качестве ступеньки от Луны к Марсу...............482
7.2. Характеристики марсианской кампании.......................................................484
7.3. Программы для достижения цели и программы  
для заинтересованных сторон................................................................................487

10    Содержание
7.4. Необходимость новых технологий..................................................................489
7.5. Технологические планы NASA..........................................................................489
7.6. Космическое научное предприятие (SSE).......................................................491
7.6.1. Область применения технологий космического научного 
предприятия..........................................................................................................491
7.6.2. Ведущие центры..........................................................................................496
7.6.3. Краткий анализ технологий SSE...............................................................497
7.7. Технологии исследования и освоения космоса человеком..........................498
7.7.1. Исследовательские технологии в NASA...................................................498
7.7.2. Радикальные изменения за последнее десятилетие.............................499
7.8. Будущие перспективы.......................................................................................500
7.8.1. Ограничения................................................................................................500
7.8.2. Определение вариантов миссии на Марс................................................501
7.8.3. Фундаментальные потребности...............................................................503
7.9. Обладает ли комитет по исследованиям NASA необходимым 
менталитетом?..........................................................................................................512
7.10. Выводы...............................................................................................................512
Список литературы...................................................................................................515
Приложение А. Солнечная энергия на Луне ...............................................517
А.1. Ориентация Луны в первом приближении...................................................517
А.2. Солнечное облучение на горизонтальной поверхности.............................519
А.3. Солнечное излучение на вертикальной поверхности.................................522
A.4. Облучение поверхности, наклоненной под углом широты к экватору....522
А.5. Поверхность, которая всегда перпендикулярна солнечным лучам...........523
А.6. Эффект неидеальной лунной орбиты............................................................526
А.7. Рабочая температура солнечных батарей на Луне.......................................526
А.8. Солнечные энергетические системы на экваторе........................................527
А.8.1. Краткосрочные системы (< 354 ч)............................................................527
А.8.2. Долгосрочные системы (> 354 ч)..............................................................529
А.9. Влияние пыли....................................................................................................530
А.10. Системы солнечной энергии в полярных районах....................................532
А.10.1. Полярные объекты...................................................................................532
А.10.2. Солнечные полярные исследования GRC.............................................539
Приложение В. Солнечная энергия на Марсе ............................................541
В.1. Солнечная интенсивность на современной орбите Марса.........................541
В.1.1. Введение......................................................................................................541
В.1.2. Облучение в чистой атмосфере................................................................543
В.1.3. Влияние атмосферы...................................................................................545
В.2. Солнечная интенсивность на горизонтальной и наклонной  
поверхностях.............................................................................................................554
В.2.1. Номенклатура.............................................................................................554
В.2.2. Интенсивность солнечного излучения на горизонтальной 
поверхности...........................................................................................................556