Еще один дракон, которого мы встречаем на пути к Марсу, – это угроза невесомости. Говорят, что длительное воздействие невесомости на организм человека грозит ему серьезным истощением мышц и костной ткани и поэтому, прежде чем отправить астронавтов на Марс, мы должны изучить долгосрочное воздействие невесомости на людей на борту Международной космической станции. На эту программу потребуется несколько десятилетий, многие миллиарды долларов на «научные исследования жизни в условиях микрогравитации» и два-три десятка человек, готовых пожертвовать своим здоровьем ради «научных исследований».

Я считаю этот аргумент странным. Безусловно, верно, что длительное пребывание в невесомости вызовет истощение сердечнососудистой системы, вымывание кальция и солей из костей и общее ухудшение мышечного тонуса из-за отсутствия физических упражнений. Невесомость также угнетает некоторые реакции иммунной системы организма. Эти эффекты хорошо задокументированы не только по опыту американских астронавтов станции «Скайлэб», которые проводили на орбите до трех месяцев, и экипажей Международной космической станции, где стандартная вахта длится шесть месяцев, но и советских космонавтов – некоторые из них провели в невесомости на орбитальной станции «Мир» почти восемнадцать месяцев, что почти в три раза больше продолжительности пути по маршруту Земля – Марс или обратно в миссии «Марс Директ». Во всех этих случаях происходит почти полное восстановление мускулатуры и иммунной системы при возвращении на Землю и привыкании к земной силе тяжести. Минеральный баланс костей нормализуется довольно быстро, но восстановление костей до предполетного состояния, по-видимому, очень длительный процесс. В Советском Союзе экспериментировали с различными способами противодействовать невесомости, включая интенсивные упражнения, медицинские препараты и эластичные костюмы «Пингвин», которые заставляют космонавта прилагать значительные физические усилия для обычных движений. Как и следовало ожидать, программы интенсивных (три часа в день) упражнений доказали свою эффективность в поддержании общего мышечного тонуса и в некоторой степени в поддержании хорошего состояния сердечнососудистой системы. Однако все опробованные на данный момент меры показали малую эффективность в замедлении деминерализации костей. Следует понимать, что, хотя все эти последствия ощутимы и, безусловно, нежелательны, они не слишком катастрофичны; они никоим образом не помешали астронавтам или космонавтам удовлетворительно выполнять свои обязанности, находясь на орбите, и даже после самых долгих полетов члены экипажа успевали прийти в себя и в основном вернуться к обычной жизни за 48 часов после посадки. Например, через неделю после посадки члены экипажа 84-дневной миссии на станции «Скайлэб-3» смогли играть в теннис. Время восстановления после шестимесячного полета на Марс должно быть меньше, потому что экипажу придется после прибытия на Марс приспосабливаться к силе тяжести, составляющей только 0,38 g, вместо того чтобы испытывать шок от 1 g после входа в атмосферу Земли. Дело в том, что уже проведено очень много исследований в этой области, и мы знаем, каких последствий ждать. Поэтому мы можем задать резонный вопрос: а так ли необходимо, или даже этично, подвергать следующие экипажи астронавтов таким испытаниям исключительно ради более исчерпывающего исследования? Я думаю, что нет. На самом деле, учитывая то, что нам известно сегодня о воздействии невесомости на организм, я бы классифицировал предложенную программу как неэтичную и бесполезную, и я знаю многих астронавтов, которые согласны со мной. Просто бессмысленно подвергать десятки астронавтов большим «дозам» невесомости, чем в предполагаемом длительном полете на Марс, только чтобы «обеспечить безопасность» совсем небольшого экипажа миссии. Это примерно то же самое, что тренировать пилотов бомбардировщиков, заставляя их лететь под обстрелом зенитных орудий. Привыкнуть к последствиям длительного воздействия невесомости на здоровье астронавты могут непосредственно во время полета на Марс.

Но на самом деле совсем не нужно лететь на Марс в условиях невесомости. В космическом аппарате во время перелета можно создать искусственную гравитацию. Для этого нужно раскрутить корабль с использованием той же центробежной силы, что позволяет маленькому ребенку вращать ведро с водой, не проливая ни капли. Уравнение, описывающее этот эффект, может быть записано как:

где F – центробежная сила в единицах g, W – скорость вращения в оборотах в минуту, a R – длина плеча в метрах. Я записал уравнение в такой форме, чтобы было видно, что для заданной силы с ростом W уменьшается R. Например, для получения нормальной марсианской силы тяжести (F = 0,38) при W = 1 обороту в минуту R = 345 метрам. Но при W = 2 оборотам в минуту R составляет 86 метров, если W = 4 оборотам в минуту, R = 22 метра, и если W = 6 оборотов в минуту, R составляет 10 метров. Таким образом, существуют два способа создания искусственной силы тяжести. Либо вращать корабль быстрее при малой длине плеча, либо медленнее – при большой длине плеча. Под «плечом» я подразумеваю расстояние между местонахождением экипажа и центром тяжести корабля, вокруг которого он вращается. Если космический аппарат будет цельной жесткой конструкцией, его можно будет легко раскрутить с помощью небольших ракетных двигателей, размещенных на каждом из его концов и выпускающих боковые струи в противоположных направлениях. Однако, если искусственная гравитация для такого корабля должна быть значительной, единственным жизнеспособным вариантом является быстрое вращение при коротком плече. В 1960-е годы НАСА провело эксперименты с участием людей на вращающихся конструкциях, и было обнаружено, что после некоторой первоначальной дезориентации люди могли приспособиться и жить и передвигаться по конструкциям, вращающимся со скоростью до 6 оборотов в минуту [21]. Системы искусственной гравитации, организованные по принципу быстрого вращения и короткого плеча, легче всего разработать и реализовать с инженерной точки зрения, но они также имеют некоторые недостатки. Например, если R составляет 10 метров, то у человека ростом в 2 метра, стоящего в таком гравитационном поле, голова будет находиться на R = 8 метров и испытывать только 80 % силы тяжести, которую испытывают ноги. Эта большая разница будет ощутимой и может привести в замешательство, по крайней мере поначалу. С другой стороны, если длина плеча составляет 100 метров, то голова двухметрового человека будет испытывать 98 % той силы тяжести, которую испытывают ноги, и, вероятно, такая разница окажется неощутимой. К тому же, если бы член экипажа попытался быстро пройти по прямой линии, он бы испытал действие силы Кориолиса, поскольку корабль (вместе с полом, по которому идет астронавт) не только двигался бы, но и быстро изменял направление. И еще раз повторю, при 6 оборотах в минуту этот эффект весьма заметен, но при 2 оборотах в минуту он незначителен. Таким образом, если вы хотите чувствовать себя в искусственном поле тяжести так же, как на Земле (это желательно, но не обязательно – моряки достаточно хорошо адаптируются к очень неустойчивым условиям с силой тяжести и силой Кориолиса во время качки на море), лучше всего использовать медленное вращение и длинное плечо. Такое длинное плечо можно получить, разделив корабль на несколько частей, которые соединены друг с другом на большом расстоянии (от сотен до тысяч метров) с использованием кабелей или тросов.

Хотя по сути своей идея отличная, в прошлом к таким системам искусственной гравитации с тросом, как правило, относились с неодобрением, потому что для традиционных космических аппаратов наподобие звездного крейсера «Галактика» единственной достаточно массивной частью, способной служить противовесом для одной из функциональных частей корабля могла стать только другая его функциональная часть. Иначе говоря, если вы хотите обеспечить искусственную силу тяжести в обитаемом модуле экипажа на одном конце троса, вам, вероятно, придется разделить корабль пополам и поместить большую часть топливных баков на другом конце троса. Такая конфигурация хорошо работает на бумаге, но на практике станет для миссии началом конца. Если трос запутается, когда вы будете его сматывать, значительная часть критически важных для миссии средств, таких как запас топлива на обратную дорогу, окажется недоступна, и, как следствие, миссия потерпит неудачу. В плане «Марс Директ» с этим проблем не будет. Поскольку экипаж летит на Марс в относительно легком жилом модуле, а не на межпланетном крейсере, космический корабль несложно уравновесить с помощью отработавшей верхней ступени ракеты, которая отправит экипаж на Марс, расположенной на противоположном конце троса (рис. 5.2). Эта часть корабля не является критически важной для миссии – она уже отслужила свое, и ее не придется возвращать на корабль. Похожую схему с тросом можно задействовать и во время полета домой, используя отработавшую верхнюю ступень ВЗА и кабину ВЗА. Таким образом, за исключением небольших промежутков времени непосредственно перед выходом на траекторию к Марсу и к Земле, непосредственно перед входом в атмосферу Земли и Марса и сразу после проведения маневра аэродинамического торможения в атмосфере Марса экипаж пилотируемой марсианской миссии не будет подвергаться воздействию невесомости.

Рис. 5.2. Система искусственной гравитации с использованием троса требует наличия двух объектов, кружащихся вокруг общего центра тяжести. В миссии «Марс Директ» хаб (справа) уравновешивается отработавшей верхней ступенью (слева)

Используемый трос должен состоять из множества переплетенных крупных волокон, которые обеспечат ему прочность, даже если отдельные будут порваны в нескольких местах микрометеоритами или другим космическим мусором. Такие безотказные тросы были разработаны и продемонстрированы аэрокосмическими инженерами Робертом Форвардом и Бобом Хойтом. Трос также не следует использовать в качестве провода для передачи большого количества электроэнергии. В неудачной спутниковой миссии с тросом, запущенной шаттлом в феврале 1996 года, скачок напряжения в многокиловаттной системе энергоснабжения, совмещенной с тросом, привел к тому, что трос расплавился и оборвался.

Меня спрашивали, как на вращающемся космическом аппарате будут выполняться необходимые маневры, такие как корректировка ΔV примерно на 20 м/с, которые, как правило, приходится проводить в межпланетных полетах. На самом деле это не так уж трудно. Маневры на вращающихся космических аппаратах проводили и раньше. Орбитальный модуль и зонд миссии «Пионер Венера» вращались, и при этом нужно было точно выполнять команды по ориентированию на Венере. Они работали с использованием повторяющихся синхронизированных включений двигателей, что позволяло создать нужную ΔV в любом необходимом направлении.

Связка из корабля, троса и противовеса в миссии «Марс Директ» будет работать сходным образом. Например, если вы хотите создать ΔV в любом направлении, которое находится в плоскости вращения корабля, вы постоянно включаете подруливающий двигатель вдоль линии троса, пока трос не будет указывать в нужную сторону. Поскольку трос тугой, струи двигателей, которые толкают жилой модуль к верхней ступени, работают на уменьшение натяжения. Пока толчок двигателя меньше центробежной силы, трос остается тугим – вот так все просто. Поскольку система трос – корабль вращается в фиксированной плоскости, маневры в ней выполняются за счет длительности включения подруливающих двигателей. И наоборот, маневры для выхода из плоскости вращения осуществляются при непрерывной работе двигателей и очень малой тяге в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения корабля.

У пилотируемого корабля, летящего к Марсу, будет достаточно энергии (по крайней мере несколько киловатт) для эффективного голосового общения и обмена данными о телеметрии с Землей с использованием всенаправленной антенны. Хотя высокочувствительная антенна будет активно отслеживать положение Земли, пока корабль вращается, для высокоскоростной передачи видеосигнала, это не критически важно для миссии. Если в плоскости вращения связка всегда обращена к Солнцу, то положение солнечных батарей контролировать не требуется. Также можно прикрепить к жилому модулю современные навигационные сканирующие датчики, которые способны отлично работать на скоростях вращения значительно выше даже шести оборотов в минуту. Иными словами, ни один из этих инструментов не требует для успешной работы на космическом аппарате с тросом существования платформы, компенсирующей вращение аппарата.

Коротко говоря, мы вполне можем создать искусственную гравитацию на космических аппаратах «Марс Директ» и тем самым одолеть дракона-невесомость. Несколько лет назад на конференции я поговорил с чиновником из НАСА, выступавшим за то чтобы до отправки людей на Марс провести многолетние исследования того воздействия, которое оказывает невесомость на здоровье. Я спросил: «Почему бы просто не использовать искусственную силу тяжести?» «Мы не можем этого сделать, – сказал он, – все наши данные собираются для условий невесомости». Улавливаете?