Mars w 1995 roku! (1980-1981)

0

Program wahadłowca kosmicznego NASA został określony pod koniec lat sześćdziesiątych jako pojazd transportowy wielokrotnego użytku, który miałby obniżyć koszta związane z logistyką dostarczania ładunków oraz rotacji załóg na planowaną stację kosmiczną, umieszczoną na orbicie Ziemi. W 1969 roku projekt zaczął być postrzegany jako element Planu Programu Zintegrowanego (Integrated Program Plan – IPP), który obejmował także zmodernizowane rakiety Saturn V; kosmiczne holowniki (space tugs) wielokrotnego użytku; napędzane silnikami jądrowymi promy księżycowe; stacje kosmiczne na orbicie Ziemi i Księżyca; baza na księżycowej powierzchni oraz załogowe wyprawy na Marsa – a wszystko w połowie lat osiemdziesiątych. Jednakże, ta wizja przyszłości Ameryki w Kosmosie wzbudziła znikome zainteresowanie w Białym Domu pod rządami Nixona oraz w Kongresie. W 1973 roku ze śmiałych planów pozostał tylko program promu kosmicznego.

Przez pewien czas Europejska Organizacja Badań Kosmicznych (European Space Research Organization – ESRO), starała się dostarczyć NASA kosmiczny holownik wielokrotnego użytku, który zostałby wyniesiony na niską orbitę Ziemi w ładowni wahadłowca, by następnie przemieszczać się na orbity nieosiągalne dla promu. Jednak w sierpniu 1973 roku, NASA i ESRO zaaprobowały opracowanie systemu Spacelab, specjalnego modułu z częścią ciśnieniową i drugą, wystawioną na działanie próżni. Spacelab mógłby funkcjonować wewnątrz ładowni Orbitera, pełniąc rolę tymczasowej stacji kosmicznej.

Kiedy prom kosmiczny wystartował po raz pierwszy w kwietniu 1981 roku, NASA oczekiwała misji polegających na wystrzeleniu satelitów i sond międzyplanetarnych poza orbity dostępne dla wahadłowca, wykorzystując do tego celu dodatkowe stopnie napędowe. Największym i najpotężniejszym z nich miał być Centaur G, stopień napędzany paliwem chemicznym, posiadający dość problematyczną historię swojego rozwoju. Centaur G był miał być wykorzystywany jako główny stopień napędowy NASA przeznaczony do wynoszenia sond, mających badać inne planety Układu Słonecznego – na przykład do skierowania sondy Galileo na trajektorię międzyplanetarną.

Podczas rozwoju wahadłowca w latach siedemdziesiątych, budżet NASA był bardzo ograniczony i planowanie zaawansowanych misji – na przykład załogowych lotów na Marsa – zostało wewnątrz agencji przerwane. Według niektórych osób z NASA, atmosfera panująca w owym czasie była tak bardzo nieprzychylna, że rozmowa na temat bazy księżycowej i załogowych lotów marsjańskich była równoznaczna z popełnieniem zawodowego samobójstwa. Kiedy wznowiono planowanie misji marsjańskich, pierwsze studia pochodziły więc spoza agencji. Zwolennicy eksploracji tej planety, którzy znajdowali się poza NASA mieli nadzieję, że wahadłowiec będzie tanim sposobem na wyniesienie komponentów, paliwa i załóg pojazdu, mającego udać się na Marsa. Sądzili, że także będzie źródłem hardware, który po niezbyt kosztownych modyfikacjach mógłby posłużyć w załogowej misji marsjańskiej.

Robert Parkinson, inżynier w brytyjskim PERME (Propellants, Explosives, and Rocket Motor Establishment) był jedną z pierwszych osób, które podjęły na nowo temat załogowej misji na Marsa, tym razem opartej o prom kosmiczny i powiązany z nim sprzęt. Zainspirowany wizjami Artura C. Clarke’a i Wernhera von Brauna, Parkinson dołączył do Brytyjskiego Towarzystwa Międzyplanetarnego (British Interplanetary Society) w 1956 roku. W serii opracowań powstałych w latach 1980-1981 opisał koncepcję misji marsjańskiej, wykorzystującej wahadłowiec i pojazd będący jego rozwinięciem, a także elementy modułu Spacelab i pojazdów-holowników orbitalnych OTV (Orbital Transfer Vehicle). Parkinson nazwał swoją propozycję „Mars w roku 1995!”.

Parkinson utworzył katalog hardware pochodzącego z promu kosmicznego o którym uważał, że mógłby być dostępny do roku 1990 jako część planowanych przez NASA operacji na orbicie okołoziemskiej. Zawierał on również potężną rakietę HLV (Heavy Lift Vehicle), zdolną do wyniesienia na orbitę Ziemi ładunków większych niż mogła pomieścić ładownia wahadłowca, a także wysoko-wydajne pojazdy OTV; Ciężki Stopień Napędowy (Heavy Boost Stage) o wielkości z grubsza zbliżonej do stopnia S-IV rakiety Saturn V, który NASA wykorzystała do kierowania pojazdu Apollo w kierunku Księżyca; rozkładane panele ogniw fotowoltaicznych generujące do 25 kW energii elektrycznej; orbitujące swobodnie moduły Spacelab; systemy podtrzymywania życia na stacji kosmicznej o obiegu zamkniętym i specjalistyczne moduły cumownicze. Parkinson opiniował, że rozwój tych systemów „prawdopodobnie tylko czeka na uwolnienie funduszy, które obecnie związane są z [rozwojem]wahadłowca”.

Ponieważ, pomijając lądownik, systemy te stałyby się dostępne dla misji na orbitach okołoziemskich, ekspedycja marsjańska mogłaby zostać przeprowadzona w latach 90-tych przy minimalnych kosztach rozwoju. W swojej pierwszej pracy „Mars w 1995 roku!”, Parkison założył koszt wyprawy wynoszący zaledwie 3,3 miliarda dolarów, z czego budowa i testy lądownika marsjańskiego pochłonęłyby około 740 milionów dolarów tej sumy. W kolejnej publikacji podniósł prognozowaną sumę kosztów do wysokości 4,844 miliarda dolarów, z czego 2,359 miliarda miało być przeznaczone na rozwój lądownika. Zauważył jednak, że nawet ta wyższa kwota była około pięciokrotnie mniejsza niż obu misji marsjańskich Viking. Dodał również, że „w odpowiednich okolicznościach, wysłanie człowieka [na Marsa]jest tańsze, niż próba osiągnięcia tego samego celu z użyciem tuzinów ekspedycji robotycznych”.

Wyprawa projektu Parkinsona rozpoczęłaby się ośmioma startami wahadłowców kosmicznych pomiędzy wrześniem i październikiem 1994 roku. Odzwierciedlając optymistyczne szacunki wczesnego okresu projektowania wahadłowca kosmicznego, Parkinson założył, że każdy ze startów będzie kosztować tylko 28,75 miliona dolarów. Montaż trzech pojazdów ekspedycyjnych Orbital Assembly (OA) miałby miejsce na 400 kilometrowej orbicie kołowej. Ósmy prom kosmiczny przeniósłby pięć osób załogi pojazdu marsjańskiego i następnie oczekiwałby na orbicie, obserwując początek wyprawy. W przypadku wystąpienia problemów, wahadłowiec mógłby ponownie przejąć załogę i powrócić z nią na Ziemię.

Dwa pojazdy OA, oznaczone jako Orbitery, opuściłyby orbitę Ziemską składając się ze stopni napędowych HBS, pary 30 tonowych OTV (po jednym na wejście i zejście z orbity Marsa), moduł ciśnieniowy oparty o Spacelab i zawierający sekcję wystawioną na działanie próżni oraz węzeł cumowniczy. Nowy moduł załogowy powstały dzięki wcześniejszej konstrukcji laboratoriów Spacelab, zapewniałby zarówno przestrzeń mieszkalną jak i przeznaczoną do pracy dla całej załogi oraz ochronę przez sześcioma rozbłyskami słonecznymi, który według założeń Parkinsona z pewnością zdarzyłyby się w ciągu 18-miesięcznej ekspedycji.

Orbiter 1 o masie startowej równej 211,312 tony i zabierający trzyosobową załogę posiadałby również sześciometrowej średnicy antenę wysokiego zysku, zapewniającą przesyłanie danych na Ziemię z wysoką prędkością (bitrate) oraz dwie atmosferyczne sondy Wenus. Orbiter 2, o masie blisko 211 ton i dwuosobową załogą zostałby wyposażony w ważący 1750 kilogramów Moduł Cumowniczy z czterema węzłami umożliwiającymi dokowanie. Dodatkowo znajdowałyby się na nim dwa rozkładane panele ogniw fotowoltaicznych. Oba pojazdy byłyby w stanie utrzymać całą pięcioosobową załogę w sytuacji zagrożenia.

Trzeci pojazd OA, pozbawiony załogi Lander Assembly (LA), posiadałby masę wynoszącą 193,482 tony. Oprócz modułu napędowego HBS, zawierałby także pojedynczy OTV, kabinę załogi o trzymetrowej średnicy wyposażoną w węzeł cumowniczy; także moduł zaopatrzeniowy w kształcie bębna zawierający zapasy ekspedycji i wyposażony w dwa punkty cumownicze; trzy bezzałogowe lądowniki typu ‘sample return’ o masie 1225 kilogramów każdy; ważący 938 kilogramów pakiet napędowy, pozwalający jednemu z lądowników automatycznych na powrót z marsjańskiego bieguna wraz z próbkami; sześć penetratorów o masie 31 kilogramów; satelitę telekomunikacyjnego o masie 473 kilogramów, który zostałby umieszczony na orbicie Marsa i umożliwiłby centrum kontroli na nieprzerwaną łączność z załogą przebywającą na Marsie; oraz ważący 15.983 kilogramów Moduł Lądownika.

Ósmego listopada 1994 roku, trzy pojazdy OA uruchomiłyby swoje stopnie napędowe HBS aby opuścić orbitę Ziemi. W ciągu kilku orbit, statki kosmiczne OA odpalałyby swoje moduły HBS podczas przechodzenia przez perycentrum (najniższy punkt orbity) aby zwiększyć swoje apocentrum (najwyższy punkt orbity). Manewr w apocentrum dostosowałby płaszczyznę orbity ekspedycji do orbity Marsa, a następnie ostatnie uruchomienie silnika w perycentrum wypchnęłoby trzy pojazdy OA z uchwytu grawitacyjnego Ziemi i skierowało na trajektorię wiodącą na Marsa.

Po opuszczeniu Ziemi, trzy pojazdy OA odrzuciłyby swoje zużyte moduły napędowe HBS i zacumowały ze sobą tworząc konfigurację, w której odbyłyby lot do Marsa. Orbiter 1 i 2 zacumowałyby przednimi częściami do modułu cumowniczego, umieszczonego między nimi. Lądownik LA oraz kabina załogi odłączyłyby się od Modułu Zaopatrzenia oraz Modułu Lądownika, a następnie oba zacumowałby do bocznych portów cumowniczych. Po ostatnim dokowaniu załoga miałaby do dyspozycji 1125 metrów sześciennych przestrzeni życiowej. Po zakończeniu procedur związanych z relokacją elementów astronauci rozwinęliby dwa panele ogniw fotowoltaicznych, umieszczone na module cumowniczym.

Statki kosmiczne OA osiągnęłyby Marsa 10 czerwca 1995 roku. Krótko przed dotarciem do celu załoga zwinęłaby panele ogniw fotowoltaicznych, aby ochronić je podczas manewru wejścia na orbitę marsjańską. Następnie Orbiter 1 odłączyłby się od modułu cumowniczego, a LA z pojazdem OTV, kabiną załogową, modułem zaopatrzeniowym oraz lądownikiem odłączyłyby się od modułu cumowniczego i Orbitera 2, by do siebie zadokować. Wkrótce potem trzy pojazdy OA uruchomiłyby silniki swoich OTV by zwolnić na tyle, aby marsjańska grawitacja mogła je pochwycić na orbitę o parametrach 23678 na 3748 kilometrów o okresie orbitalnym równym około 13,5 godziny. Tak duża orbita eliptyczna była podyktowana koniecznością oszczędności paliwa – nadal posiadając prędkość stosunkowo bliską ucieczkowej, pojazdy kosmiczne mogłyby w sposób bardziej ekonomiczny opuścić Marsa i udać się w podróż na Ziemię.

Następnie oba Orbitery odrzuciłyby swoje OTV użyte do wyhamowania i zacumowały ze sobą, a trzeci pojazd – LA – ponownie  rozdzieliłby się, a jego komponenty zajęłyby swoje miejsca na Module Cumowniczym. Ponieważ LA posiadałby mniejszą masę niż Orbitery, po wejściu na orbitę Marsa jego OTV nadal zawierałby około 7 ton hipergolicznych składników napędowych – tetratlenku diazotu jako utleniacza oraz hydrazyny jako paliwa – i nie zostałby odrzucony.

Po zbadaniu potencjalnych miejsc lądowania z orbity w trakcie przelotu przez perycentrum, Moduł Lądownika o stożkowatym kształcie zostałby przygotowany do lotu na powierzchnię Marsa. Trójka astronautów następnie zajęłaby swoje miejsca w kapsule powrotnej tego lądownika, by odłączyć się od modułu zawierającego zaopatrzenie. W apocentrum uruchomiliby zainstalowane na lądowniku silniczki systemu kontroli orientacji RCS, aby obniżyć perycentrum do wysokości 50 kilometrów, gdzie pojazd miałby wejść w atmosferę Marsa. Podczas ognistego przelotu ochronę pojazdu zapewniałaby osłona termiczna w kształcie misy, wymodelowana na bazie osłon lądowników Viking.

Moduł Lądownika spowolniłby do Mach 2,5 w momencie osiągnięcia wysokości lotu równej 10 kilometrom, a następnie rozłożyłby swój 20 metrowy „ballute” (połączenie balonu i spadochronu), aby wyhamować lądownik do prędkości poddźwiękowej. Pięć kilometrów nad powierzchnią Marsa rozłożyłby się właściwy spadochron. W tym samym czasie od pojazdu oddzieliłaby się niepotrzebna już osłona termiczna odsłaniając cztery zespoły silników wykorzystywanych do lądowania, trzy „nogi” lądownika, oraz skierowaną do dołu kamerę, która umożliwiłaby pilotowi Modułu Lądownika obserwację miejsca planowanego lądowania po raz pierwszy od momentu zejścia z orbity Czerwonej Planety. Silniki pojazdu zostałyby uruchomione na wysokości 800 metrów nad powierzchnią, a tuż potem odrzucono by zbędny już spadochron. Następnie pilot pokierowałby modułem do momentu jego bezpiecznego lądowania.

Moduł Lądownika projektu Parkinsona zawierał w swojej spodniej części kabinę załogi o wymiarach 2 na 3 metry. Wkrótce po lądowaniu, załoga zeszłaby przez tunel do kabiny, gdzie ubrałaby się w kombinezony przeznaczone do prac na Marsie. Po rozhermetyzowaniu pomieszczenia otworzyliby właz, zeszli po niewielkiej rampie i postawili pierwsze kroki na powierzchni innej planety.

Parkinson wzywał do 20-dniowego pobytu na powierzchni Marsa, podczas którego trójka astronautów badałaby planetę wykorzystując do tego celu 500 kilogramów instrumentów naukowych oraz ważący pół tony, odkryty łazik o większych jednak możliwościach niż pojazd LRV, użyty w trakcie misji Apollo. W trakcie eksploracji zespół zebrałby do 350 kilogramów skał marsjańskich oraz pyłu, który zostałby zabrany na Ziemie do dalszych analiz w laboratoriach.

Tymczasem dwójka astronautów na pokładzie orbitujących pojazdów OA pracowałaby nad swoim ładunkiem automatycznych próbników Marsa. Każdy z tych 2,5-metrowej średnicy, bezzałogowych aparatów typu ‘sample return’, przesłałyby w swoich kapsułach powrotnych do jednego kilograma próbek skał oraz innego materiału (na przykład lodu, w przypadku misji polarnej) na 350-kilometrową, marsjańską orbitę kołową.

Gdy nadszedłby czas opuszczenia powierzchni Czerwonej Planety, trójka astronautów przeszłaby na pokład kapsuły powrotnej Modułu Lądownika i uruchomiła trzy silniki rakietowe, podobne do silników stopnia powrotnego LEM. Startująca kapsuła uwolniłaby się od dolnej części lądownika i pozostawiłaby na powierzchni opuszczoną kabinę załogi. Podczas pracy trzech silników pierwszego stopnia paliwo byłoby podawane z czterech odrzucanych zbiorników. Po zakończeniu pracy, zbiorniki te oraz dwa z silników odłączyłyby się. Następnie, po krótkiej fazie lotu balistycznego, pozostały silnik zostałby uruchomiony ponownie, aby wprowadzić pojazd powrotny na 350-kilometrową orbitę kołową.

W momencie gdy orbitujące pojazdy OA zbliżyłyby się do apocentrum, jeden astronauta przeszedłby na pokład kabiny załogi, przyłączonej do OTV pojazdu LA i następnie odłączyłby cały zestaw od węzła dokującego Modułu Cumowniczego. Po uruchomieniu silnika zwolniłby i udał się na spotkanie z kapsułą powrotną Modułu Lądownika. Pojazd ten zostałby wyposażony w lżejszą („szkieletową”) wersję standardowego węzła cumowniczego, użytego w ekspedycji. Następnie OTV pojazdu LA i kabina załogi zacumowałaby do kapsuły, by trójka astronautów mogła z niej przejść na pokład pojazdu LA, przenosząc także zabrane przez siebie próbki, pochodzące z powierzchni planety. Po odrzuceniu pojazdu powrotnego, OTV pojazdu LA wraz z kabiną spotkałyby się z trzema niewielkimi kapsułami powrotnymi lądowników bezzałogowych. Po wykonaniu zadania, pilot pojazdu OTV uruchomiłby jego silnik, aby powrócić do orbitujących pojazdów OA. Parkinson obliczył, że nawet po wykonaniu tej serii manewrów, OTV pojazdu LA zawierałby dość paliwa by udać się w wraz z kabiną i dwuosobową załogą na 10-dniową misję do Fobosa, księżyca Marsa znajdującego się bliżej jego powierzchni.

Dwudziestego piątego lipca 1995 roku wyprawa rozpoczęłaby powrót z marsjańskiej orbity. Przed rozpoczęciem podróży załoga odrzuciłaby OTV i kabinę załogi pojazdu LA oraz opróżniony moduł zaopatrzenia, po czym odłączyłaby Orbiter 1 od Orbitera 2 i złożyła panele ogniw fotowoltaicznych. Następnie, w momencie przelotu przez perycentrum, oba pojazdy OA uruchomiłyby silniki swoich OTV aby opuścić orbitę Marsa i rozpocząć pięciomiesięczną podróż na Wenus. Po wyłączeniu silników OTV, załogi ponownie połączyłyby ze sobą oba Orbitery i rozłożyły panele ogniw fotowoltaicznych.

Parkinson wyjaśnił, że przelot w pobliżu Wenus umożliwiłby zwiększenie prędkości OA z jaką przemieszczałyby się one w kierunku Ziemi. Bez niej, podróż w obie strony wymagałaby trzech lat – jednak dzięki wykorzystaniu tego manewru wyprawa mogłaby zostać ukończona w przeciągu 18 miesięcy. Podczas wykonywania asysty grawitacyjnej załoga wysłałaby dwa próbniki Wenus, do tej pory stanowiące część Orbitera 1. Parkinson napisał, że sondy te byłyby oparte o Pioneer Venus Large Probe, stanowiący jeden z czterech próbników misji Pioneer Venus Multiprobe z 1978 roku, jednocześnie będąc największym z nich.

Ekspedycja marsjańska powróciłaby na Ziemię w 10 miesięcy po tym jak opuściłaby Marsa, czyli 16 maja 1996 roku. Astronauci ponownie odłączyliby Orbiter 1 od Orbitera 2 i złożyli panele ogniw fotowoltaicznych. Następnie uruchomiliby silniki swoich OTV po raz ostatni, by wejść na orbitę Ziemi o parametrach 77687 na 6800 kilometrów i okresie orbitalnym równym 24 godzinom. Po wykonaniu tej operacji pojazdy ponownie zacumowałyby do siebie i rozłożyły ogniwa fotowoltaiczne.

W międzyczasie wysłany z Ziemi prom kosmiczny przetransportowałby na niską orbitę pojazd OTV wraz z kabiną załogową, który następnie wspiąłby się na wysokość oczekujących pojazdów OA i zacumował do Modułu Cumowniczego. Załoga misji marsjańskiej przeszłaby na jego pokład zabierając ze sobą próbki pochodzące z Marsa, po czym wysłany pojazd odłączyłby się wraz z kabiną załogową i po uruchomieniu silnika powrócił do oczekującego wahadłowca. Opuszczone pojazdy OA pozostałyby na orbicie Ziemskiej jako ponadczasowy monument wczesnych dni eksploracji Układu Słonecznego. W tym czasie prom kosmiczny zszedłby z orbity, aby sprowadzić astronautów powracających z Czerwonej Planety i osłabionych niemal 18-miesięcznym pobytem w stanie mikrograwitacji na Ziemię, gdzie zgotowano by im przyjęcie godne bohaterów.

David S.F. Portree
Beyond Apollo blog

Na podstawie:
“Is Nuclear Propulsion Necessary? (or Mars in 1995!),” AIAA-80-1234, R. Parkinson; paper presented at the AIAA/SAE/ASME 16th Joint Propulsion Conference in Hartford, Connecticut, June 30-July 2, 1980.
“Mars in 1995!” R. Parkinson, Analog Science Fiction/Science Fact, June 1981, pp. 38-49.
“A Manned Mars Mission for 1995,” R. Parkinson, Journal of the British Interplanetary Society, October 1981, pp. 411-424.
“Mars in 1995!” R. Parkinson, Spaceflight, November 1981, pp. 307-312.

Załączone ilustracje © David A. Hardy (www.astroart.org). Użyte po uzyskaniu pozwolenia.
Attached images © David A. Hardy (www.astroart.org). Used with permission.

Oba pojazdy OA oraz LA połączone w jeden statek kosmiczny dzięki czteropunktowemu modułowi cumowniczemu; © David A. Hardy (www.astroart.org)

Share.

Comments are closed.