Ляпы фильма «Марсианин»
Часть 1. Космические ляпы
Прежде чем начать выявление ляпов известного фильма «Марсианин», надо бы сформулировать, как бы это сказать, исходные данные, то есть положения, на которых зиждется сюжет. Сол – марсианские сутки – длятся 24 часа 37 минут, почти полное совпадение с земными. Кстати, продолжительность года на Марсе больше, чем на Земле – 668 солов, но к сюжету фильма это не относится. Итак, на Марс прибывает экспедиция из 6 человек и намеревается пробыть там не менее месяца, но пробыла только 18 солов, и вынуждена из-за бури спешно покинуть планету, «забыв» на поверхности одного члена экспедиции – Марка Уотни. Почему именно 18? Это сделано, чтобы облегчить главному герою подсчет и понимание для зрителей, сколько осталось запасов. Всего завезли еды на 68 солов на 6 человек. В распоряжении Марка остается такой резерв: (68-18)*6 = 300 (то есть еды хватит на 300 солов, которую Марк обязуется растянуть на 400).
Нам сказали, что, для обеспечения работы экспедиции и проведения научных исследований, вокруг Марса вращаются 12 спутников. Запомним это число, нам это пригодится.
Ну, поехали. Мы не будем придираться к мелочам. Все, кто интересуется темой, прекрасно знают, что на Марсе очень высокая радиация, и человеку там не выжить. Это одна из главных причин, почему Марс до сих пор не освоен. Причина радиации – отсутствие магнитного поля (и поэтому не отклоняются заряженные частицы, прилетающие из космоса) и очень слабой атмосферой (нет озонового слоя, частицы не тормозятся в плотном слое воздуха). Кстати, поэтому и компас на Марсе работать не будет, вся надежда на спутники навигации (!). То есть, если хотим послать людей на Марс, сначала надо создать там местную систему GPS, запомним это тоже.
Ну, допустим, изобрели материалы, которые хорошо задерживают радиацию. Да, не будем придираться к мелочам. Наша задача – разоблачить идиотизм.
Мы также не будем (я, по крайней мере, не буду) придираться к тому, что скафандры астронавтов не раздуты. Давление на Марсе в 160 раз меньше земного, поэтому скафандр должен быть надут как раз до 1 атмосферы – примерно, как футбольный мяч или в два раза слабее, чем хорошо накаченная велосипедная шина. Если скафандр идет складками, значит, в нем давление такое же, как снаружи, то есть, такое, как на высоте 35 км на Земле. При таком давлении человек умирает примерно за 2-3 минуты. Но, поскольку почти во всех фильмах про космос скафандры ведут себя именно так, то есть демонстрируют отсутствие давления внутри (даже в вакууме), мы не будем считать это ляпом, а будем считать традицией.
Дальше пойдем по сюжету фильма.
Ляп № 1. На холодке. Марк остается, потому что в живот ему попадает штырь от упавшей антенны. Парень теряет сознание, а когда очнулся – друзья уже улетели. Он кое-как добирается до станции и обнаруживает, что остался один. Он пролежал на марсианском песке несколько часов. Давайте вспомним, какая на Марсе температура.
Летом: днем до +20 °С, ночью до –53 °С.
Зимой: днем –43 °С, ночью –100 °С.
В фильме не сказано, какое время года, но судя по тому, как быстро вымерзла картошка на станции после разгерметизации, скорее, все-таки ближе к зиме. Да это и не имеет значения. Металлический стержень, воткнувшийся в живот Марка, был также несколько часов воткнут в песок, охлажденный до очень хорошего минуса, и за эти часы должен быть выморозить внутренности Марка до полного летального исхода, и фильм на этом можно было бы заканчивать. Даже, если бы Марк выжил, он бы просто мучился еще какое-то время от гангрены.
Самое прикольное, что создатели фильма прекрасно об этом знали. Когда Марк раздумывает о том, как бы поездить в ровере, он забирается внутрь и чуть не помирает от холода, стоит ему снять шлем. То есть, мы понимаем, что всё вокруг охлаждено до очень хорошего минуса.
Ляп № 2. Марк заходит на станцию в скафандре. Давно известно, что на Марсе песок размолот в очень тонкую пыль. Уже сейчас разработаны скафандры, позволяющие оставлять их снаружи, чтобы не заносить эту пыль (потенциально опасную для здоровья) внутрь жилого модуля. Космонавт присоединяется спиной к особому люку и вылезает из скафандра внутрь помещения, а скафандр остается снаружи. Само собой, не буквально снаружи, а в специально предназначенном для этого шлюзовом помещении.
Ляп №. 3. Скафандр. Марк заходит на станцию и быстро снимает с себя скафандр. При этом скафандр очень легко расстегивается на спине. Причем Марк не тратит на расстегивание застежки каких-либо усилий. Правильно ли такое расположение застежки? Как ни странно, да. Но всё остальное – огромный чудовищный ляп. Первая часть этого ляпа – отсутствие какого-либо средства для крепления шлема. Вместо этого – резиновый воротник, как будто это не скафандр, а гидрокостюм (а меня не покидает ощущение, что так оно и есть).
Но как должно быть на самом деле? Разумно ли делать молнию на спине? Я раньше думал, что молния на спине бывает только у женских платьев. К счастью, нашелся один человек, который взялся объяснить человечеству, как устроен американский космический скафандр. Это известный «разрушитель легенд» Адам Сэвидж. В настоящих скафандрах молния тоже на спине! Это нужно для того, чтобы человек мог просунуть голову в кольцо, к которому крепится шлем. Если хотите понять, в чем тут проблема, попробуйте надеть свитер, держа его не спереди, а сзади. Проблемы будут примерно такие же.
Но из этого следует, что кто-то должен помочь застегнуть молнию. Поскольку космонавты в одиночку не работают, особой проблемы нет. Исхитрившись, наверное, молнию можно застегнуть и самостоятельно. Но расстегнуть ее самостоятельно (не сломав) намного труднее (но, наверное, тоже можно).
Ляп №. 4. Угол падения. Экспедиция срочно улетает, потому что ракета сейчас наклонится на 12° и упадет. Какой идиот ее проектировал? Мы не будем выяснять, может ли «ураган» на Марсе, атмосфера которого в 160 раз более разреженная, чем на Земле, повалить многотонную ракету. Попробуем представить себя на месте проектировщиков. Известно, что Марсе песчаный грунт. Куда именно сядет ракета, неизвестно. Грунт может «поехать», осесть и т.д. Так ли уж сложно спроектировать опоры так, чтобы ракета практически не могла опрокинуться (ну, пока не ляжет набок)? Скажем спроектировать ее внешние контуры в виде тетраэдра (пирамидки)? Аэродинамические свойства не важны – атмосферы почти нет. Другой вариант: система стабилизации. Уж если создатели фильма декларировали, что опоры ракеты снабжены пневмо- или гидроцилиндрами (что ясно видно на фотографии), то почему бы не добавить к функциям амортизации еще и функцию выравнивания? Причем ракету не надо поднимать гидроцилиндрами. Достаточно, стравливая давление, опускать ее на стороне, противоположной наклону. Неужели это так сложно?
Ляп №. 5. Странная конструкция. Рядом с дюзами ракеты расположены какие-то странные бочки. Из одной из них Марк будет сливать гидразин. Вы когда-нибудь видели такие бочки с топливом на реальных ракетах? Зачем они?
Всего в ракете 6 двигателей, но они расположены в два яруса. Поэтому струи огня, вырывающиеся из верхних дюз, будут неизбежно повреждать всё, что находится ниже.
Вход в ракету сделан в виде широкой трубы с лестницей, проходящей через весь корпус. Тем самым проектировщики вывели из использования довольно большой внутренний объем. А как же аппаратура, топливо? Даже если предположить, что всё удалось разместить, лишний внутренний объем – это увеличенные размеры, а значит, увеличенный вес. А здесь не надо бороться за каждый лишний килограмм веса?
Поражает воображение и размер кабины. Судя по всему, в ней можно разместить не только 6 астронавтов, а даже 12. Теоретически можно предположить, что НАСА собирается отправлять более многочисленные экспедиции, да вот только в реальности так не делается. Всегда используют минимально достаточную конструкцию, потому что и так решаемая задача неимоверно трудна и требует компромиссов и отказа от многих важных и полезных вещей. А тут пожалуйста – возим в космос пустой объем (и не будем забывать, что лишний объем – это лишний вес корпуса).
Кстати, в баке такого размера (на глаз 25 м3) может находиться примерно 20 тонн несимметричного диметилгидразина (НДМГ). Для двигателя, имеющего сопло такого размера, этого хватит приблизительно на 0,13 секунды работы. Сама ракета чистенькая, как будто ее двигатели никогда не включались. Даже если принять рост Мартинеса в скафандре как 1,6 м, то диаметр сопла двигателя не менее 2 метров. Запомним этот параметр, он нам понадобится. Количество конструктивных идиотизмов можно было бы перечислять и дальше, но уже надоело.
Ляп №. 6. А можно вообще улететь с Марса на такой ракете? И как должен воспринимать этот фильм человек, который, скажем, имеет некоторое образование и интересуется космической техникой? Попробуем это определить.
Вопрос первый. А можно улететь на ракете просто так, без всякого космодрома? Представьте себе, да! И это уже доказано. Самое интересное, что пилотируемая космонавтика в США именно с этого и начиналась.
Первые полеты в космос американцы совершили на ракетах Редстоун по программе «Меркурий». Такие ракеты вообще не требовали для старта сложной пусковой установки. Достаточно было простого стартового стола (ниже показано, как он выглядит). Всё оборудование космодрома требовалось лишь для того, чтобы установить ракету на стартовый стол (и заправить). В принципе, вместо стартового стола могли существовать и опоры, прикрепленные к ракете, но это лишний вес, который в данном случае не был оправдан. Уже тогда первую (и единственную) ступень американцы снабдили парашютом, она опускалась на воду в относительно целом виде.
Ракета Редстоун – настоящий космический стимпанк, ее разрабатывали на основе немецкой Фау-2, но уже тогда было доказано, что без космодрома можно обойтись.
Сама ракета не очень большая по современным меркам, но Алан Шепард улетел на ней в космос (на три недели позже Юрия Гагарина) и поднялся на высоту около 180 км. Это был суборбитальный космический полет, то есть капсула Шепарда через несколько минут вернулась обратно по баллистической траектории. Даже если бы на этой высоте мимо пролетала некая космическая станция, Шепард никак не смог бы пристыковаться к ней. В этом и заключается главное отличие настоящей, профессиональной, космонавтики от туристической.
А если бы такая ракета оказалась на Марсе, была бы от нее польза?
Видимо надо сравнить преимущества и недостатки, существующие на Земле и Марсе.
На Земле – только два недостатка: в два раза большая сила тяжести и плотная атмосфера, мешающая разгону. Остальное – преимущества: легко пополнить запасы топлива, есть станции слежения, первую ступень можно отбросить, летит один космонавт в небольшой капсуле.
На Марсе – только два преимущества: намного меньшая сила тяжести и почти полное отсутствие атмосферы. Зато улететь должны 6 человек, ракета многоразовая (а значит, тяжелая), топливо в дефиците, при расчете траектории в распоряжении только свой компьютер.
Что перевесит, сразу сказать трудно. Мы можем лишь принять характеристики ракеты Редстоун за некий базис. Это минимум для того, чтобы хотя бы на несколько минут улететь в космос. Итак:
Стартовый вес: 30 т
Сила тяги двигателя на уровне моря: 35,6 т (на Марсе было бы немного больше)
Скорость истечения газов из сопла двигателя: 2105 м/с
Массовый расход топлива: 166 кг/с
Время полета до отделения первой ступени: 141 с (т.е. было потрачено около 23 т топлива)
Высота подъема: 187 км
Дальность полета: 487 км
Скорость при отделении первой ступени: 2,25 км/с
Высота при отделении первой ступени: около 32 км
Наклон траектории при отделении первой ступени: 41°
Время полета до достижения максимальной точки траектории: 314 с
Шепард провел в невесомости 5 минут, и я думаю, многие нынешние космические туристы были бы не против повторить его полет. Но нас в первую очередь интересуют показатели ДО отделения первой ступени, то есть в тот период, когда ракета конструктивно не отличалась от многоразовой. Итак, мы видим, что она поднялась более чем на 30 км и развила скорость более 2 км/с.
Это не так уж и плохо! Но если бы Шепарду надо было лететь с Марса на космический корабль «Гермес», то набранная скорость должна быть минимум в 2 раза больше, а высота в 3-6 раз больше (далее мы разберемся, почему). Но на Марсе тяготение 0,38 от земного, это преимущество! Кстати, если ракета весит несколько десятков тонн, то вес дополнительных 5 человек мало что меняет. В общем, эти характеристики можно принять за основу. Примерно такие показатели и должна иметь ракета, которая сможет увезти хотя бы одного космонавта с Марса.
И обратим внимание вот на что: полет проходил не вертикально, а под углом к горизонту. А в точке апогея капсула вообще летела параллельно земной поверхности. То есть, во время первой половины полета был совершен поворот на 90°. Для нас это важный фактор.
Но всё это предположения. Можно ли подкрепить вышесказанное числами? Я думаю, можно предложить простой вариант для таких оценок. Для того чтобы упростить расчет, надо провести его для условий, когда ракета взлетает вертикально. В этом случае вектор силы тяжести направлен по одной линии с вектором тяги, и уравнения значительно упрощаются. Сделать оценку для баллистической траектории тоже можно. Если принять угол наклона траектории 45°, то полученный результат для вертикального взлета надо разделить на 1,4 (квадратный корень из двух). Иными словами, если мы хотим не просто взлететь, а вывести космический аппарат на орбиту, нам потребуется больше ресурсов: это связано «с поворотом на 90°», о котором уже говорилось.
Для расчета нам понадобятся несколько формул, доступных даже для школьников. Часть их получается на основе уравнения Мещерского – для движения тела с переменной массой, другие есть в каждом учебнике физики. Наша задача определить, какую скорость может развить ракета, до какой высоты может подняться и какую полезную нагрузку может нести. И, само собой, сколько топлива для этого надо. Будем рассматривать все ракеты как единое целое, то есть как многоразовые и не имеющие возможности расстыковки после израсходования топлива.
Кстати, интересно, что для ракеты Редстоун американцы вообще не использовали термин «1-я ступень». Вместо этого они использовали термин «ускоритель» (booster). То есть, они даже не предполагали, что эта ракета может быть многоступенчатой. Поскольку на Марсе еще не скоро построят заводы, которые будут выпускать первые, вторые, третьи ступени ракет, такой подход устраивает нас больше всего.
Интересно и то, что диаметр корпуса ракеты Редстоун составлял 1,8 м, то есть, меньше чем диаметр одной дюзы космического корабля, показанного в фильме.
Для начала освоим несколько формул.
Для расчета нам потребуется величина Vг – скорость истечения газов из сопла ракеты. Она однозначно связана с удельным импульсом двигателя, который обычно указывают в Интернет-публикациях. Т – время работы двигателя. Еще один важный параметр Мр – массовый расход топлива, выраженный в килограммах в секунду. Мо – стартовая масса ракеты. Все эти параметры мы знаем для полета Шепарда из отчетов НАСА. Под каким бы углом ни летела ракета, расход топлива, а значит, и время работы двигателя, а также скорость истечения газов не будут изменяться, что важно для наших расчетов. Зная расход топлива и величину Т, легко подсчитать, что двигатель ускорителя, поднимавшего капсулу Шепарда в космос, сжег всё топливо, прежде чем ускоритель отделился (то есть, всё было точно рассчитано). Еще в наших расчетах понадобится константа – ускорение свободного падения на Земле (g). Используя эти данные, можно также определить максимальную скорость (важнейший для нас параметр) и высоту подъема после того, как двигатель будет выключен.
Итак, если бы ракета Редстоун взлетала вертикально, то за 141 секунду она поднялась бы примерно на 68 км и достигла бы скорости 1700 м/с, затем поднялась бы еще на 146 км. Причем эта высота была бы одна и та же с отделившимся ускорителем или с пристыкованным. Затем ракета начала бы падать обратно к Земле под действием силы тяжести.
Кстати, отвлекаясь от темы. Заманчиво было бы сразу улететь в космос на 214 км, что сразу сняло бы вопросы, летал Шепард в космос или нет. Почему же полет не был осуществлен именно так? Проблема в том, что когда капсула вернулась бы в атмосферу на высоту 68 км, она снова разогналась бы до скорости 1700 м/с, и эта скорость продолжала бы расти. В те времена не было систем, позволяющих осуществлять возврат на Землю в таких режимах, так что Шепард летел по пологой баллистической траектории с максимальным подъемом 187,5 км.
Вернемся к Марсу. Если бы такая же ракета взлетела на Марсе (ускорение свободного падения 3,7 м/с2), результаты были бы другие. С работающим двигателем: подъем на высоту 130 км, максимальная скорость 2500 м/с. И далее с неработающим двигателем: подъем еще на 881 км. Забегая вперед, скажем, что этого недостаточно. То есть, если бы космонавт на Марсе использовал такую ракету, он не смог бы пристыковаться к «Гермесу». И можно сказать, что результата удалось бы достигнуть, получив в аналогичной ситуации скорость около 4500 м/с. Такую скорость можно получить, если увеличить в 4 раза запас топлива (92 т против 23 т) и увеличить в 2 раза расход топлива через двигатель (до 332 кг/с). По современным меркам – ничего особенного. Но этого невозможно было бы добиться, не увеличив вес пустой ракеты, но это уже вопросы конструирования, которых мы касаться не будем.
Нам интересно другое. Даже простейший старт с Марса требует наличия десятков тонн горючего, которое надо сначала на Марс доставить. В свете этой задачи отходит на второй план проблема извлечения воды из говна космонавтов, потому что таким способом можно сэкономить несколько десятков литров (килограммов), а объемы поставок, как мы видим, должны быть на три порядка больше.
Вопрос второй. Каковы могут быть орбитальные параметры космического корабля «Гермес», который дожидался космонавтов за пределами атмосферы Марса?
Существует однозначная зависимость между радиусом орбиты и скоростью космического аппарата, который по такой орбите движется. Невозможно на заданной орбите двигаться с той скоростью, с которой захочется.
Итак, «Гермес». С какой скоростью он должен двигаться по орбите вокруг Марса?
Фактическая толщина атмосферы Марса невелика: 11 км. Но бури поднимают песок на высоту в несколько десятков километров. Вопрос: на какой высоте должен летать базовый корабль, чтобы не возникал слишком сильный эффект торможения частицами атмосферы, и корабль не сошел с орбиты (напомню, максимальный срок пребывания экспедиции на Марсе – 68 солов). Создатели фильма могли, скорее всего, ориентироваться на американский опыт: автоматическая орбитальная станция «Марс Одиссей» вышла на орбиту Марса в 2001 году и проработала там много лет. Так вот, эта станция не приближалась к Марсу ближе, чем на 200 км. Уже перед самым выходом фильма, в 2014 году, на орбиту Марса вышла другая автоматическая станция MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN). Она предназначалась для исследования атмосферы Марса, но приближалась к планете не более чем на 150 км (орбита не была круговой, но нам важно знать минимальное расстояние до планеты). В общем, всё сводится к тому, что для «Гермеса» создатели фильма должны были выбрать высоту орбиты в пределах от 100 до 200 км. При их любви к целым числам это, скорее всего, 100, 150 или 200 км. Но для определения орбитальной скорости не имеет значения точная высота, поскольку учитывается радиус от центра планеты. Радиус Марса 3390 км, и лишняя сотня километров не сильно изменит искомую величину. С точки зрения разумного проектировщика радиус орбиты надо выбрать побольше. В этом случае «Гермес» будет дольше находиться в зоне прямой радиосвязи, пролетая над станцией (если, конечно, у космонавтов возникнет желание поддерживать с ним радиосвязь). А вот если бы мы захотели «подвесить» космический корабль постоянно над какой-либо точкой Марса, он должен летать по орбите на расстоянии 17000 км от Марса (синхронная орбита). Для «Гермеса» это неприемлемо, слишком далеко пришлось бы до него лететь с поверхности (почти час). Ниже приведен расчет для орбиты высотой 200 км.
Много это или мало: 3,45 км/с? Это более чем в 5 раз быстрее, чем летал сверхзвуковой самолет «Конкорд» и летает американский истребитель F-16 (0,6 км/с) и в 3,5 раза быстрее во многом рекордного самолета Lockheed SR-71 Blackbird (0,98 км/с). Если бы космонавты поднялись на ракете с Марса вертикально вверх, и вышли бы в точку встречи с «Гермесом», они бы увидели свой базовый корабль, пролетающий мимо них со скоростью несколько километров в секунду. Разумеется, в таком случае ни о какой стыковке не может быть и речи. Поэтому единственный вариант – лететь так, как летал Шепард (и все его последователи). То есть, двигаться по искривленной траектории и в апогее достичь горизонтальной составляющей скорости 3,45 км/с. Обеспечить встречу двух космических аппаратов, движущихся с такими орбитальными скоростями – сложнейшая задача, которую невозможно решить без применения компьютера и корректирующих маневров. Но даже в этом случае, при небольших ошибках в расчетах и небольших изменениях в тяге двигателя остается вероятность столкновения. Поэтому стыковку с орбитальным аппаратом всегда выполняют в два приема: сначала выходят на орбиту, чтобы гарантированно не столкнуться (то есть, космический корабль или станция на орбите должны находится достаточно далеко), а потом выполняют маневры на орбите, когда взаимная скорость невелика, чтобы подойти поближе на совсем уже небольшой скорости. У земных космонавтов это занимает минимум сутки. То есть, когда Марк Уотни вытаскивал металлический стержень из живота, его коллеги как раз должны были заниматься маневрами сближения с «Гермесом». Вот только странно, что между станцией на поверхности Марса, ракетой-челноком и «Гермесом» не было никакой радиосвязи и обмена данными.
Ответим сразу на простой вопрос: можно ли использовать вращение Марса, чтобы сэкономить топливо? Иными словами: с какой скоростью движется поверхность Марса за счет вращения планеты вокруг оси? Известно, что эта скорость максимальна на экваторе. Подсчитать просто: длина экватора Марса 21338 км, один оборот совершается за 24,6 ч. Соответственно, линейная скорость поверхности 0,24 км/с. Это максимальная скорость, которую можно добавить к горизонтальной составляющей скорости ракеты, и, как видим, это совсем немного. Причем это на экваторе. В других местах эта скорость будет определяться длиной окружности, которую в географии называют параллелью. Чем дальше от экватора, тем длина параллели и скорость меньше, а на полюсе эти значения становятся равными нулю.
А можно, используя сделанные нами расчеты, оценить маневр выхода на орбиту? Можно, и достаточно легко. Когда выключаются двигатели ракеты, она ведет себя в соответствии с физической моделью, которую называют «движение тела, брошенного под углом к горизонту». Эту задачу обожают школьные учителя. Все формулы хорошо известны, есть масса примеров решенных задач. Сопротивлением воздуха обычно пренебрегают, это как раз наш случай, потому что выключение двигателей обязательно произойдет там, где атмосферы практически нет. Схема предельно проста. Если вектор достигнутой скорости Vo наклонен под углом альфа к горизонту, скорость раскладывают на вертикальную и горизонтальную составляющие.
Тело движется по параболе, в верхней точке параболы вертикальная составляющая равна нулю, а горизонтальная составляющая на всей траектории постоянна (и определяется только исходной скоростью и углом наклона вектора скорости), а в нашем случае это и должна быть точка выхода на заданную орбиту. Если горизонтальная скорость будет меньше, тело продолжит двигаться по баллистической кривой к поверхности планеты, так как для орбиты меньшего радиуса скорость должна быть больше. Если скорость будет больше требуемой, космический аппарат перейдет на более высокую орбиту (то есть, скорость его снизится, но он получит дополнительную потенциальную энергию).
Обратим внимание, что характеристики такого движения не зависят от массы. Это означает, что если для разгона космического аппарата используется только одна ступень, то после того, как двигатели ее выключатся, не будет иметь никакого значения, отделится ступень-ускоритель или нет, поскольку траектория движения в обоих случаях будет той же самой.
В реальных условиях угол наклона траектории, когда выключаются двигатели, составляет менее 45°. Это необходимо для минимизации как гравитационных потерь, так и потерь на сопротивление воздуха. Например, в полете Шепарда этот угол составлял 41°. В нашем теоретическом примере мы можем легко вычислить, какую орбитальную скорость может получить «модернизированная ракета Редстоун» с углом наклона траектории, к примеру, 39°:
4500 cos(39°) = 3497 м/с
Делаем вывод, что проблема не в самой ракете, а в наличии достаточного количества топлива для нее. Возвращаясь к фильму: не сделана даже слабая попытка затронуть эту проблему.
Вопрос третий. А почему настоящие космонавты не улетают с Земли на таких ракетах, как в фильме? Для того чтобы три человека в небольшом космическом корабле улетели с Земли в космос, строят космодромы, привозят на них ракеты высотой с многоэтажный дом, заправляют эти ракеты сотнями тонн топлива (и мы уже понимаем, почему!) и только потом «поехали». А тут сел, как в свой автомобиль, кнопку нажал и вжик, на орбиту. Значит, нельзя? Постойте, постойте, а как же современные проекты для космических туристов? Тут всё как раз именно так: не очень мощная ракета, комфортный космолет с окнами, рассчитанный человек на восемь-десять? Значит, всё-таки можно? Может быть для космического туризма предполагается использовать какое-то особое топливо, сверхкалорийное, которого нет у настоящих космонавтов? Ха. Ха. Ха.
В общем, ответ уже получен, но сформулируем его еще раз. Когда настоящих космонавтов запускают в космос, определяющее значение имеет не высота запуска, а достигнутая скорость. Именно та скорость, когда космический аппарат начинает лететь параллельно поверхности планеты, то есть, по орбите. Если же нам надо только подняться на несколько минут над атмосферой, а потом камнем рухнуть вниз, сгодятся и более простые системы.
Вопрос четвертый. Можно ли найти и оценить «аналог» марсианской ракеты среди космических систем, используемых сейчас на Земле?
Все-таки, хочется сравнить ракету, показанную в фильме, с чем-то реальным, используемым в наши дни. Тогда можно было бы определить физические характеристики и понять, насколько пригодна ракета из фильма. Так используется ли сейчас похожая ракетная система? Представьте себе, да! Тоже шесть двигателей, дюзы которых имеют диаметр, близкий к 2 метрам, тоже заправляется гидразином (точнее, несимметричным диметилгидразином), и диаметр корпуса примерно такой же. Даже не верится, что столько совпадений. Так что это? Российская ракета Протон-М, точнее ее первая ступень. Главное отличие Протона-М в том, что двигатели у него расположены правильно, на одном уровне.
Если размер дюз оценивать по фотографии, но очевидно, что диаметр меньше двух метров, то есть, меньше, чем на марсианской ракете. На глаз – около 1,5 м. Значит, марсианская ракета должна потреблять топлива не меньше, а сколько заправляют в Протон, мы знаем. В общем, если бы надо было вот прямо сейчас сделать такую же ракету, как в фильме, надо взять первую ступень ракеты Протон-М, прикрепить внизу опоры, как в фильме, а сверху установить кабину для экипажа, как в фильме. Вот только коридор внутри сделать бы не удалось, поскольку внутри – баки с топливом и окислителем. Пришлось бы космонавтам карабкаться наверх по наружной лестнице.
Основные характеристики первой ступени Протон-М известны:
Длина: 21 м
Диаметр: 7,4 м
Масса конструкции: 31 т
Масса в заправленном состоянии: 459 т
Время работы двигателей 121 с
Расход топлива 1 двигателем 528 кг/с
В марсианской ракете к этой массе добавится масса опор (3 т), масса жилого отсека (15 т). Массу жилого отсека приблизительно можно определить по массе космических кораблей Crew Dragon (12 т) и Orion (15 т). Какое-то количество топлива необходимо для маневров на орбите. Ориентировочно можно принять его как 30 т.
Как такая ракета может выглядеть, показано ниже.
В качестве двигателей можно выбрать (для расчета) 6 двигателей РД-275 (обратите внимание, я не стараюсь использовать рекордные характеристики, есть движки и получше).
В результате получится некая гипотетическая ракета (назовем ее Протон-1-ММ, т.е. на основе 1-й ступени ракеты Протон, марсианская, многоразовая) со следующими характеристиками:
Масса конструкции: 49 т (в том числе отсек массой 15 т для размещения 6 человек)
Масса топлива для маневров в космосе 30 т
Масса топлива для старта с Марса 350 т
Расход топлива для 6 двигателей 3168 кг/с
Скорость истечения газов из сопла двигателя 2890 м/с
Если применить наш метод расчета вертикального старта, то такая ракета могла бы, стартуя с Марса, подняться с работающими двигателями на высоту 174,7 км, развив скорость 4,481 км/с (время работы двигателей 110 с). Затем могла бы подняться с выключенными двигателями на дополнительную высоту 2714 км.
Если же принять наклон траектории в момент отключения двигателей 39°, то горизонтальная составляющая скорости составит 3,482 км/с. Можно сделать вывод, что есть запас, потому что при расчете запуска с помощью компьютера наверняка удалось бы многое оптимизировать.
Итак, ракета, показанная в фильме, выглядит вполне достоверно (за исключением очевидных конструктивных недостатков), хотя размеры сопел могли бы быть и поменьше (будем считать это не ляпом, а художественным преувеличением). Но рядом с этой ракетой должны просматриваться хранилища топлива и окислителя на несколько сот тонн и хоть какая-нибудь техника, позволяющая заправлять ракету. И уж если Марку Уотни потребовался гидразин, он должен был бы идти за ним к такому хранилищу, а не к непонятно откуда взявшемуся остову ракеты с непонятным бачком (иначе не скажешь) гидразина, притороченного непонятно зачем прямо под дюзами.
Я думаю, что в реальных экспедициях космонавты будут использовать для старта с Марса твердотопливные ускорители, наподобие тех, которые использовались для запуска шаттлов (только меньшего размера). Их будут доставлять на Марс заранее, космонавтам придется пристыковывать их к ракете, потом ускорители будут отстреливаться в полете, когда израсходуют топливо. Но доставлять их будут, естественно, в специальных контейнерах, примарсианивать подальше от станции, чтобы случайно не разбомбить ее, а на Марс придется доставить нечто вроде марсианского автокрана, чтобы поднимать и перевозить такие грузы. Что-то мне подсказывает, что отработка этих технологий и будет первоочередной задачей первых экспедиций на Марсе, а собирание образцов грунта в баночки отойдет на второй план.
Ляп №. 7. Гидразин. Спору нет, гидразин – хорошее ракетное топливо. Его используют во многих ракетных системах, потому что оно обеспечивает надежность конструкции двигателя, не говоря уже о том, что позволяет включать двигатель многократно. Используют гидразин и для космических аппаратов. Например, космический телескоп «Хаббл», космические станции «Вояджер» используют гидразин в системе ориентации. Ракеты-носители тоже используют гидразин. Но, то что хорошо на Земле, на Марсе может оказаться проблемой. Температура плавления (а значит, и замерзания) несимметричного диметилгидразина составляет −57 °C, как раз до таких температур Марс охлаждается ночью (летом). Температура плавления окислителя, который обычно используют в этом случае – тетраоксида диазота – еще выше −11 °C, то есть перед стартом ракеты с Марса, заправленной таким топливом, придется обеспечить разогрев нескольких сотен тонн топлива. Уже одно это исключает срочный старт.
Для телескопа «Хаббл» решить такую проблему проще, поскольку количество топлива сравнительно невелико (несколько десятков килограммов на много лет эксплуатации), да и если система ориентации «Хаббла» даст сбой, это в худшем случае огорчит нескольких астрономов. А если куски затвердевшего топлива попадут в трубопроводную систему ракеты при старте – всё, конец.
Ляп №. 8. Срочный старт с орбиты. А почему, собственно, экипаж «Гермеса» рванул к Земле так, как будто за ним гнались все марсианские демоны? Экспедиция не доработала на поверхности Марса 13 солов – почти две недели. Разве не логичнее было бы выполнить еще какую-нибудь исследовательскую программу на орбите? Ведь послать такой космический корабль к Марсу стоит очень дорого. Может стоило связаться с Землей и выработать разумную программу действий? Но в этом случае они обязательно должны были бы делать фотографии покинутой станции и обнаружили бы, что Марк Уотни жив. Но если бы они обнаружили, что Марк жив, они всё равно ничем не смогли бы ему помочь, потому что второй раз опустится на поверхность не могли (иначе зачем было улетать к Земле). Драматизм бы только нарастал. А потом они вынуждены были бы стартовать к Земле, потому что ресурсы «Гермеса» не безграничны. Что, фильм от этого стал бы хуже? Картошку не надо было бы выращивать?
Ляп №. 9. Тотальное отсутствие радиосвязи. Очень легко перечислить, что из средств радиосвязи есть в распоряжении экспедиции: рации в скафандрах. И, видимо, очень слабенькая радиостанция на станции. Теперь можно перечислить, чего в распоряжении экспедиции нет: система связи наземная станция – «Гермес», система связи наземная станция – спутники, система связи ровер – спутники, автоматические метеостанции со своими средствами связи для передачи данных на спутники (как минимум). Возьмем, к примеру, ровер. Он должен иметь систему GPS, в противном случае на нем от станции больше, чем на километр, не уедешь, он должен иметь средство связи для использования тем членом экспедиции, который на ровере едет, причем эта рация (по определению) должна быть более мощной, чем та, которая есть в скафандре, и должна обеспечивать связь через спутники (а как еще обеспечивать связь, когда ровер находится за горизонтом!). И аварийную рацию надо бы. И антенна хорошая должна быть. Самое разумное использование роверов после того, как экспедиция закончит работу, поставить их так, чтобы их системы видеонаблюдения транслировали на спутники «картинку». Это дорогого стоит – получить картинку с Марса.
Но ничего этого нет. Ах да, у них же там антенна упала. Вот именно так экспедиции на Марс и надо планировать: вышла из строя одна антенна – всей связи кранты.
Кстати, на старенькой ракете Редстоун было установлено 9 (девять) антенн. Для связи с Шепардом, для управления, для снятия телеметрии.
Ляп №. 10. Давайте используем гравитационный маневр. Особое умиление вызывает эпизод, когда директору НАСА рассказывают, что такое гравитационный маневр. Это, как если бы директору автомобильного концерна рассказывали о том, что автомобили заправляют бензином. А как, по-вашему, американские астронавты летали к Луне? А вот так и летали, при помощи гравитационного маневра. Луна искривляла траекторию их движения, и они поворачивали обратно к Земле. А как летают американские космические станции через всю Солнечную систему? Тоже с помощью гравитационных маневров (когда надо приблизиться к определенной планете). Все знают про гравитационный маневр кроме директора НАСА. А может, фильм как раз об этом?
Продолжение следует
Ссылки по теме:
Документ НАСА о ракете Редстоун
Характеристики двигателя РД-275
21.02.2020
© А. Гончаров, 2020