Koncepcje
misji załogowych na Marsa cz. 2 – Warianty Misji Wzorcowej NASA.
Wstęp.
W trzecim numerze „Astronautyki” i na stronie Mars Society Polska w zeszłym roku przedstawiłem ewolucję koncepcji misji załogowej na Marsa, począwszy od planu Wernera Von Brauna z 1952 roku, poprzez Mars Direct Roberta Zubrina do Mars Semi-Direct (znaną także jako Misja Wzorcowa) z lat 90-tych. Ze względu na to, że od tego artykułu upłynęło dużo czasu i zaszły duże zmiany w planowanych misjach na Marsa, przedstawię w niniejszym artykule modyfikacje tej ostatniej i dlatego zacznę od przypomnienia zarysu koncepcji wersji 3.0 Misji Wzorcowej.
Misja
Wzorcowa NASA 3.0 i jej modyfikacje.
W latach 1997 - 1998 NASA przedstawiła zmiany wprowadzone do planu Misji Wzorcowej i wynikiem tego była następująca koncepcja.
Na każdą wyprawę przypadały 3 statki: statek powrotny, statek startowy z instalacją do produkcji paliwa (ISPP) oraz habitat załogowy. Każdy ze statków składał się z 2 części: ładunku użytecznego oraz stopnia napędowego z cieplnym silnikiem jądrowym, który miał wprowadzić ładunek użyteczny na trajektorię prowadzącą do Marsa. Każdą z tych części miała wynosić rakieta Magnum o nośności 80 ton opracowana na potrzeby wyprawy. Montaż każdego statku miał odbywać się na orbicie okołoziemskiej. W pierwszym rzucie leciały 2 statki: statek startowy z instalacją ISPP oraz statek powrotny. Po około 180 dniach oba statki wchodziły na orbitę Marsa przy użyciu hamowania atmosferycznego. Statek powrotny zostawał na orbicie i czekał na załogę, a statek startowy lądował na planecie i przystępował do produkcji paliwa z atmosfery. Ich zadaniem było umożliwienie powrotu pierwszej załodze. Po 2 latach leciał drugi rzut składający się z 3 statków: powrotnego, startowego i habitatu z pierwszą załogą. Dwa pierwsze służyły jako rezerwa dla pierwszej lub jako zaplecze do powrotu dla drugiej załogi na Ziemię. Po wejściu na orbitę okołomarsjańską, na planecie lądowały habitat i statek startowy. Załoga po wylądowaniu przystępowała do badań planety. Pobyt załogi miał trwać do 500 dni. Po tym okresie, kiedy planety ustawiały się w konfiguracji pozwalającej na powrót, załoga wyruszała statkiem startowym na orbitę okołomarsjańską i przechodziła na pokład statku powrotnego. Statek powrotny przywoził załogę po 180 dniach na Ziemię, a załoga lądowała na Ziemi w kapsule na spadochronie tak, jak w przypadku wypraw księżycowych. Na potrzeby Misji Wzorcowej rozważano użycie napędu jonowego, połączenie ładunków użytecznych, użycie elementów nadmuchiwanych (TransHab)
[HABITAT ZAŁOGOWY MISJI WZORCOWEJ 3.0]
Na konferencji Międzynarodowej Federacji Astronautycznej w Amsterdamie w październiku 1999 roku, naukowcy z ESA przedstawili w oparciu o prace własne i plan Misji Wzorcowej scenariusze wyprawy, które były obiecujące pod względem ekonomicznym. W dokumencie „Comparison of Promising Concepts for the First Manned Mars Mission”. W nim przedstawiono 5 scenariuszy:
1) Misja na Marsa według planu NASA z 1997-98 roku, gdzie było 6 rakiet nośnych i użycie energii jądrowej do napędu statku startowego, statku powrotnego i modułu załogowego jako odnośnik do pozostałych scenariuszy.
2) Modyfikacja 1 scenariusza, tj. napęd jądrowy zastąpiono napędem chemicznym na tlen i wodór. Wzrosła jego masa do 120 ton i potrzeba dwie rakiety Magnum, aby wynieść dwie połowy stopnia napędowego i zmontować na orbicie oprócz oczywiście wyniesienia ładunków użytecznych wyprawy. W sumie wypadało po 3 starty na moduł załogowy, statek powrotny i statek startowy, czyli 9 rakiet na 1 wyprawę.
3) Tak, jak (2), tylko bez produkcji materiałów pędnych na Marsie. Skutki: Dodatkowo do statku powrotnego doszły 2 loty Magnum z powodu 2 krotnego powiększenia masy statku powrotnego i dostarczenia mu paliwa na wyniesienie załogi z powierzchni Marsa (miał on lądować na planecie). Zwiększyła się ilość zapasów dla załogi, aby skompensować brak produkcji z instalacji ISPP na potrzeby ludzi. W sumie 11 startów rakiet nośnych.
[JEDEN ZE STATKÓW MISJI WZORCOWEJ 3.0]
4)
Wariant ten był hipotetyczny, bo zakładał się występowanie wody na Fobosie i
opracowanie wydobycia wody z wiecznej zmarzliny na powierzchni Marsa. Planowano
jeden statek na Marsa. Stopień załogowy o masie 182 ton miał zbudowany przez 4
loty rakiet Magnum, a 6 stopni napędowych na wodór i tlen dolatywałoby kolejnymi
rakietami. Trasa wyprawy wiodła przez Fobosa, gdzie uzupełniano paliwo,
zostawiano tam habitat z zapasami na drogę powrotną i lądowano na Marsie
korzystając z silnika głównego. Tam załoga spędzała 500 dni badając Marsa, a
statek produkował paliwo (wodór i tlen) na start z Marsa. Następnym byłby lot
do Fobosa, połączenie z habitatem powrotnym, uzupełnienie paliwa na powrót na
Ziemię i lot do domu. Całość trwałaby 1000 dni.
5) Wykorzystanie napędu jonowego z ksenonem, zasilanego energią słoneczną zamiast silników jądrowych. Dodatkowo opcjonalnie w celu zwiększenia ciągu możliwym było zastosowanie silników plazmowych mających mniejszy impuls właściwy, lecz większy ciąg. Baterie słoneczne byłyby z krzemu lub arsenku galu o powierzchni od 23520 (Si) do 8700 (AsGa) m2. Uzyskano oszczędność masy w porównaniu z napędem chemicznym, ale dużo czasu zajęłoby rozpędzenie ładunku użytecznego wyprawy. (Obecnie silnik VASIMR Chang-Diaz`a pozwolić może na zmniejszenie okresu rozpędzenia do 30 dni). W tym czasie załoga byłaby wystawiona na promieniowanie pasów Van Allena. Rozwiązaniem tego było dowiezienie załogi do rozpędzonego statku tzw. taksówką kosmiczną.
Koszty powyższych wypraw wyceniono od 42 do 38 mld dolarów po kursie z 1999.
Ostatni znany wariant Misji Wzorcowej pod numerem 4.0 z 1999 roku przewidywał zmianę funkcji przydzielonych poszczególnym statkom wyprawy. Nie zmieniła się funkcja statku startowego. Statek powrotny stał się statkiem podróżnym dla załogi w obie strony. Habitat dla załogi miał lecieć bez załogi. Zmieniło to kolejność lotu poszczególnych statków. Najpierw poleciałyby na Marsa statek startowy i habitat mieszkalny dla załogi, z których pierwszy wylądowałby na powierzchni planety i rozpocząłby produkcję paliwa, a drugi czekałby na orbicie 26 miesięcy do momentu, kiedy przybyłaby załoga statkiem podróżnym. Po przesiadce na habitat, załoga lądowałaby nim obok statku startowego i rozpoczęłaby program badawczy. Po 500 dniowym pobycie na powierzchni planety, statek startowy dostarczyłby załogę na pokład statku transferowego. Na jego pokładzie załoga powróciłaby na Ziemię.
Terminy przeprowadzenia Misji Wzorcowej przewidywały pierwsze loty najpierw w 2007 roku (statki bez załogi) i w 2009 pierwszy lot załogowy dla wersji 1.0. Potem przesunięto datę na odpowiednio 2011 i 2014 dla wariantu 3.0. by skończyć na latach 2020 i 2022. Niestety, z powodu utraty 2 sond marsjańskich w grudniu 1999 oraz pojawienie się alternatywnego planu lotu na Marsa z nowym napędem, Misja Wzorcowa została odłożona do lamusa. Nowy konkurentem Misji Wzorcowej stał się napęd VASIMR Franklina Chang-Diaza.
Andrzej Kotarski
Mars Society Polska