Луна vs Марс. Пригодность для колонизации

После завершения программы «Аполлон» все начали думать о полёте на Марс. В этой статье я опишу все плюсы и минусы полётов как на Марс, так и на Луну.

1. Длительность полёта

Луна: 3 дня.

Марс: около 250 дней по Гомановской траектории, около 145 дней по "Быстрой траектории ^[1]". (Для неё нужны лишние 400 м/с dV).

2. Энергитические затраты на полёт

Луна: около 3000 м/с для перехода на траекторию полёта к Луне с НОО + 800 м/с для торможения и выхода на орбиту Луны.

Марс: примерно 4000 м/с для перехода на траекторию полёта на Марс (4400 м/с для Быстрой траектории ^[1]). После перелёта к Марсу возможно 3 варианта:

1. Баллистический захват ^[2]: Космический аппарат летит перед планетой, но со скоростью, меньшей чем у планеты. Затем планета «наползает» на КА, и захватывает его на свою орбиту. Затем можно будет тормозить об атмосферу, как это делал MRO ^[3]:

Плюсы: Малые затраты топлива.
Минусы: Нужны точные расчёты, чтобы не «промахнуться» мимо Марса.

2. Атмосферное торможение. Вход в атмосферу на скорости около 6 км/с.

Плюсы: Наименьшие затраты топлива, расчёты для полётов проще, чем для баллистического захвата.
Минусы: Необходима теплозащита, способная выдержать вход в атмосферу Марса на скорости около 6 км/с.

3. Выход на орбиту с помощью собственной двигательной установки.

Плюсы: Расчёты намного проще, чем для баллистического захвата и атмосферного торможения.
Минусы: Большие топливные затраты.

Второй способ будет оптимальным для грузового корабля. Для пилотируемого лучше всего подойдёт 3-й (в случае наличия эффективного ионного двигателя) либо первый при его отсутствии/экономии топлива.

3. Радиация

Луна: Можно лететь «в окно» когда Солнце наименее активно, и здоровью космонавтов ничего не угрожает.

Марс: Попасть «в окно» невозможно из-за большой длительности полёта. В проекте Mars One предлагается защитить космонавтов водой ^[4]. Плотность защиты составит 40 г/см2 для «убежища» на случай солнечной вспышки и 15 г/см2 для остальной части корабля. Радиационная защита увеличивает массу корабля в несколько раз.

4. Посадка

Луна: Посадочная ступень будет весить 60% от полезной нагрузки. Аэродинамическое торможение невозможно т.к. атмосферы у Луны нет.

Марс: Все Марсианские миссии использовали аэродинамическое торможение. Curiosity затормозил до 410 м/с с помощью теплозащитного экрана, и затем до 100 м/с с помощью парашюта. После этого его спустил «небесный кран». Если же не использовать парашют, то для посадки после аэродинамического торможения понадобится примерно 500-600 м/с dV. Поэтому масса посадочной ступени будет составлять примерно 30% от массы полезной нагрузки (с учётом теплозащитного экрана).

5. Взлёт

Луна: Масса полезной нагрузки при выходе на орбиту Луны составит 40%.

Марс: Масса полезной нагрузки при выходе на орбиту Марса составит примерно 25%.
Тут всё понятно: 1-я космическая скорость для Луны 1.68 км/с, а для Марса 3.55 км/с.

6. Минимальная длительность пребывания

Луна: Улетать можно сразу после посадки/выхода на орбиту спутника. Можно даже не выходить на орбиту, как пришлось сделать во время миссии Аполлон-13 ^[5].

Марс: После выхода на орбиту нужно ждать около 17 месяцев, чтобы планеты выстроились в благоприятное для полёта положение. Можно улететь и раньше, пересекая орбиту Венеры. Но это требует больших энергетических затрат.

7. Гравитация
Время пребывания людей на Луне было очень маленьким, и поэтому оценить влияние малой гравитации на человека не удалось.
Рекорд пребывания на орбитальной станции — 437 дней ^[6].
Соответственно за 145-260 дней полёта на Марс с космонавтами ничего пагубного от отсутствия гравитации не произойдёт.
Луна: 16.5% от силы притяжения Земли.

Марс: 37.8% от силы притяжения Земли.

8. Условия окружающей среды

Луна: Лунная пыль абразивна. Она может выводить из строя механизмы, от неё возможны внутренние микрокровотечения в лёгких. На лунном грунте невозможно что-либо вырастить, но зато из него можно добывать металлы и затем возводить из них сооружения.
Температура на Луне колеблется от -180 до 120 градусов.

Марс: Марсианская пыль не столь абразивна, как Лунная. Атмосфера Марса «слабее» атмосферы Земли в 110-150 раз в зависимости от сезона. Точный состав Марсианского грунта неизвестен, поэтому прокомментировать возможность добычи чего-либо из него кроме воды я не могу. В 2018 году SpaceX планировал отправить миссию ^[7] для взятия образцов Марсианского грунта и доставки их на Землю, но затем эту миссию перенесли на 2022 год. Температура на Марсе колеблется от -140 до 20 градусов. В температурном плане Марс благоприятней Луны.
На Марсианском грунте можно выращивать растения. Подробнее об этом написано тут ^[8] и тут ^[9].

9. Вода

Луна: На Луне доказано наличие ^[10] примерно 600.000.000 м3 льда на Северном полюсе.

Марс: Если бы весь лёд на Марсе растаял, то планета могла бы покрыться водой на 22 метра. Но на самом деле этого не произойдёт т.к. атмосфера слишком слабая для удержания воды в жидком состоянии.
Подробнее о воде на Марсе писал Зелёный Кот тут ^[11] и тут ^[12].

10. Солнечная энергия
Луна: Мощность солнечного излучения на Луне составляет около 1400 Вт/м2. КПД солнечных батарей составляет 20-40%, это позволит получать получать 280-560 Вт/м2 электроэнергии.
Марс: Марс удалён от Солнца дальше, чем Земля и Луна. Мощность солнечного излучения около 600 Вт/м2. Солнечные батареи позволят получать 120-240 Вт/м2.

Планы по полётам на Марс есть у NASA, на Луну — у Роскосмоса. Но всех может опередить SpaceX. Илон Маск собирается ^[13] организовать полёт на Марс в 2025 году.

Автор: Saturn_V

Источник ^[14]