Введение

Межпланетные космические полеты или межпланетные путешествия – это пилотируемые или беспилотные путешествия между звездами и планетами, обычно в пределах одной планетной системы. На практике космические полеты такого типа ограничиваются путешествиями между планетами Солнечной системы. Беспилотные космические зонды достигли всех наблюдаемых планет Солнечной системы, а также карликовых планет Плутон и Церера, и нескольких астероидов. Орбитальные аппараты и посадочные модули предоставляют больше информации, чем аппараты, выполняющие пролетные миссии. Пилотируемые полеты совершили посадку на Луну, а полеты на Марс, Венеру и Меркурий планировались неоднократно. В то время как многие ученые высоко ценят знания, получаемые в результате беспилотных полетов, ценность пилотируемых миссий вызывает больше споров. Авторы научной фантастики предлагают ряд преимуществ, включая добычу полезных ископаемых на астероидах, доступ к солнечной энергии и возможность колонизации в случае глобальной катастрофы на Земле. Разработан ряд технологий, направленных на повышение экономической эффективности межпланетных перелетов. Достижения в области вычислительной техники и теоретической науки уже улучшили некоторые из этих технологий, а новые предложения могут привести к повышению скорости, экономии топлива и безопасности. Методы перемещения должны учитывать изменения скорости, необходимые для перехода от одного небесного тела к другому в Солнечной системе. Для орбитальных полетов требуется дополнительная корректировка для согласования с орбитальной скоростью целевого тела. Другие разработки направлены на совершенствование ракетных двигателей и систем запуска, а также на использование нетрадиционных источников энергии. Использование внеземных ресурсов для получения энергии, кислорода и воды позволит снизить затраты и улучшить системы жизнеобеспечения. Любой пилотируемый межпланетный полет должен соответствовать определенным конструктивным требованиям. Системы жизнеобеспечения должны быть способны поддерживать жизнь человека в течение длительного времени. Необходимо принимать профилактические меры для снижения воздействия радиации и обеспечения оптимальной надежности.

Современные достижения в межпланетных путешествиях

Удаленно управляемые космические зонды пролетели мимо всех наблюдаемых планет Солнечной системы от Меркурия до Нептуна, а зонд New Horizons пролетел мимо карликовой планеты Плутон, а космический аппарат Dawn в настоящее время вращается вокруг карликовой планеты Цереры. Самые удаленные космические аппараты, «Вояджер-1» и «Вояджер-2», покинули Солнечную систему 8 декабря 2018 года, в то время как «Пионер-10», «Пионер-11» и New Horizons находятся на пути к её покиданию. В целом, планетарные орбитальные аппараты и посадочные модули возвращают гораздо более подробную и всестороннюю информацию, чем аппараты, выполняющие пролетные миссии. Космические зонды были выведены на орбиту вокруг всех пяти планет, известных древним: Венеры (Venera 7, 1970), Марса (Mariner 9, 1971), Юпитера (Galileo, 1995), Сатурна (Cassini/Huygens, 2004) и, совсем недавно, Меркурия (MESSENGER, март 2011), и передали данные об этих телах и их естественных спутниках. Миссия NEAR Shoemaker в 2000 году совершила орбитальный полет вокруг крупного околоземного астероида 433 Eros и даже успешно совершила на нём посадку, хотя изначально не была рассчитана на такой маневр. Японский ионный космический аппарат «Хаябуса» в 2005 году также совершил орбитальный полет вокруг небольшого околоземного астероида 25143 Итокава, ненадолго приземлившись на него и доставив на Землю образцы его поверхностного материала. Другая ионная миссия, Dawn, совершила орбитальный полет вокруг крупного астероида Веста (июль 2011 – сентябрь 2012 года), а затем перелетела к карликовой планете Церере, прибыв в марте 2015 года. Удаленно управляемые посадочные модули, такие как Viking, Pathfinder и два марсохода, совершили посадку на поверхность Марса, а несколько аппаратов Venera и Vega приземлились на поверхность Венеры, причем последние развернули аэростаты в атмосфере планеты. Зонд «Гюйгенс» успешно приземлился на спутник Сатурна, Титан. Экипажные миссии ни к одной планете Солнечной системы не отправлялись. Однако программа «Аполлон» NASA доставила на Луну двенадцать человек и вернула их на Землю. Американская концепция освоения космоса, первоначально предложенная президентом США Джорджем Бушем и реализованная в рамках программы Constellation, ставила долгосрочную цель в конечном итоге отправить астронавтов на Марс. Однако 1 февраля 2010 года президент Барак Обама предложил отменить эту программу в 2011 финансовом году. Ранее NASA проводила значительное планирование пилотируемого пролета мимо Венеры в рамках миссии Manned Venus Flyby, но проект был отменен после прекращения программы Apollo Applications Program из-за сокращения бюджета NASA в конце 1960-х годов.

Причины межпланетных путешествий

Стоимость и риски межпланетных путешествий широко освещаются в прессе. Яркими примерами служат неисправности или полные провалы беспилотных зондов, таких как Mars 96, Deep Space 2 и Beagle 2 (полный список приведен в статье «Список зондов Солнечной системы»). Многие астрономы, геологи и биологи полагают, что исследование Солнечной системы дает знания, которые невозможно получить с помощью наблюдений с поверхности Земли или с орбиты вокруг нее. Однако они расходятся во мнениях относительно того, вносят ли пилотируемые миссии существенный научный вклад: одни считают роботизированные зонды более дешевыми и безопасными, другие утверждают, что астронавты или ученые, работающие в космосе и консультируемые с Земли, могут более гибко и эффективно реагировать на новые или неожиданные особенности исследуемого региона. Те, кто финансирует такие миссии (преимущественно из государственного сектора), скорее заинтересованы в выгодах для себя или для человечества в целом. На данный момент единственными подобными выгодами стали технологии-«шпины», разработанные для космических миссий, которые впоследствии оказались не менее полезными в других областях (NASA публикует информацию о таких технологиях). Другие практические мотивы для межпланетных путешествий носят более спекулятивный характер, поскольку наши нынешние технологии еще недостаточно развиты для проведения тестовых проектов. Однако писатели-фантасты обладают довольно точным предвидением будущих технологий, например, геостационарных спутников связи (Артур Кларк) и многих аспектов компьютерных технологий (Мэк Рейнольдс). Многие научно-фантастические произведения содержат подробные описания того, как люди могут добывать минералы из астероидов и энергию из различных источников, включая орбитальные солнечные панели (не затененные облаками) и мощное магнитное поле Юпитера. Некоторые утверждают, что такие методы могут быть единственным способом обеспечить повышение уровня жизни, не сталкиваясь с проблемами загрязнения или истощения ресурсов Земли (например, пик добычи нефти). Наконец, колонизация других частей Солнечной системы предотвратит полное уничтожение человеческого рода в результате одного из множества возможных событий (см. статью «Вымирание человечества»). Одним из таких событий является падение астероида, которое, возможно, привело к мелово-палеогеновому вымиранию. Хотя различные проекты Spaceguard отслеживают Солнечную систему в поисках объектов, представляющих опасность для Земли, существующие стратегии отклонения астероидов являются примитивными и непроверенными. Усложняет задачу и то, что углеродистые хондриты имеют темный цвет и поэтому их трудно обнаружить. Хотя углеродистые хондриты считаются редкими, некоторые из них очень велики, и предполагается, что «убийцей динозавров» мог быть именно углеродистый хондрит. Некоторые ученые, в том числе сотрудники Института космических исследований, полагают, что в конечном итоге подавляющее большинство человечества будет жить в космосе и получит от этого пользу.

Экономичные методы путешествия

Одна из главных проблем в межпланетных путешествиях – создание очень больших изменений скорости, необходимых для перемещения от одного тела к другому в Солнечной системе. Из-за гравитационного притяжения Солнца космический аппарат, удаляющийся от Солнца, будет замедляться, а приближающийся к Солнцу – ускоряться. Кроме того, поскольку любые две планеты находятся на разных расстояниях от Солнца, планета, с которой стартует космический аппарат, движется вокруг Солнца с иной скоростью, чем планета, к которой он направляется (в соответствии с третьим законом Кеплера). В силу этих факторов, космическому аппарату, стремящемуся перейти на орбиту планеты, расположенной ближе к Солнцу, необходимо значительно уменьшить свою скорость относительно Солнца, чтобы её перехватить, в то время как аппарату, летящему к планете, находящейся дальше от Солнца, потребуется существенно увеличить скорость. Затем, если космический аппарат также должен выйти на орбиту вокруг планеты назначения (а не просто пролететь мимо), ему необходимо согласовать свою скорость с орбитальной скоростью планеты вокруг Солнца, что обычно требует ещё одного значительного изменения скорости. Простое достижение этого путём грубой силы – ускорение по кратчайшему маршруту к цели и последующее выравнивание скорости с планетой – потребовало бы огромного количества топлива. А топливо, необходимое для создания этих изменений скорости, должно быть запущено вместе с полезной нагрузкой, и, следовательно, для вывода на орбиту и космического аппарата, и топлива, необходимого для межпланетного путешествия, потребуется ещё больше топлива. Поэтому были разработаны различные методы для снижения потребности в топливе при межпланетных перелётах. В качестве примера изменений скорости, космическому аппарату, перемещающемуся с низкой околоземной орбиты на Марс по простой траектории, сначала необходимо изменить скорость (также известную как дельта-v), в данном случае увеличить её, примерно на 3,8 км/с. Затем, после перехвата Марса, потребуется ещё одно изменение скорости на 2,3 км/с, чтобы согласовать свою скорость с орбитальной скоростью Марса вокруг Солнца и выйти на орбиту вокруг него. Для сравнения, вывод космического аппарата на низкую околоземную орбиту требует изменения скорости примерно на 9,5 км/с.

Переводы Хомана

В течение многих лет экономичные межпланетные перелеты подразумевали использование орбиты переноса Хомана. Хоманн показал, что путь с наименьшими затратами энергии между любыми двумя орбитами – это эллиптическая "орбита", касательная к начальной и конечной орбитам. После прибытия космического аппарата, второе включение двигателей позволит замкнуть орбиту в новой точке. В случае планетарных перелетов это означает наведение космического аппарата, изначально находящегося на орбите, почти идентичной земной, таким образом, чтобы афелий орбиты переноса располагался на противоположной от Солнца стороне, вблизи орбиты другой планеты. Космический аппарат, летящий с Земли на Марс этим методом, достигнет окрестностей орбиты Марса примерно через 8,5 месяцев, но поскольку орбитальная скорость выше при приближении к центру масс (то есть к Солнцу) и ниже при удалении от него, космический аппарат будет двигаться довольно медленно, и для перевода его на круговую орбиту вокруг Марса потребуется лишь небольшое включение двигателей. Если маневр будет выполнен в нужный момент, Марс окажется непосредственно под космическим аппаратом в момент прибытия. Орбита переноса Хомана применима к любым двум орбитам, а не только к планетарным. Например, это наиболее распространенный способ вывода спутников на геостационарную орбиту после предварительного "выведения" на низкую околоземную орбиту. Однако, перелет по орбите Хомана занимает время, сопоставимое с половиной периода обращения внешней орбиты, поэтому для внешних планет это может занять много лет – слишком долгое ожидание. Кроме того, он основан на предположении, что точки на обоих концах не имеют массы, как, например, при переходе между двумя орбитами вокруг Земли. При наличии планеты в конечной точке переноса, вычисления становятся значительно сложнее.

Гравитационная праща

Техника гравитационного маневра использует гравитацию планет и лун для изменения скорости и направления космического аппарата без расхода топлива. В типичном случае космический аппарат направляется к далёкой планете по траектории, значительно более быстрой, чем при переходе по орбите Гомана. Обычно это означает, что аппарат достигнет орбиты планеты и продолжит движение мимо неё. Однако, если между точкой старта и целью находится планета, её можно использовать для изменения траектории в сторону цели, и во многих случаях общее время полёта существенно сокращается. Наглядным примером служат два аппарата программы "Вояджер", которые использовали гравитационные маневры для изменения траекторий несколько раз во внешней Солнечной системе. Применять этот метод для полётов во внутренней Солнечной системе сложно, хотя можно использовать другие близлежащие планеты, такие как Венера или даже Луна, в качестве гравитационных маневров при полётах к внешним планетам. Этот маневр может изменить только скорость объекта относительно третьего, не участвующего в маневре объекта – возможно, центра масс или Солнца. Скорости двух объектов, участвующих в маневре, относительно друг друга при этом не изменяются. Солнце нельзя использовать в гравитационном маневре, поскольку оно неподвижно относительно остальной Солнечной системы, вращающейся вокруг Солнца. Однако его можно использовать для отправки космического корабля или зонда в галактику, так как Солнце вращается вокруг центра Млечного Пути.

Свинцовая рога

Мощная гравитационная праща — это использование ракетного двигателя вблизи точки наибольшего сближения с небесным телом (периапсиса). Применение тяги в этой точке усиливает эффект изменения скорости (дельта-v) и обеспечивает больший результат, чем в любой другой момент траектории.

Нечеткие орбиты

Компьютеров не существовало, когда впервые были предложены орбиты переноса Гомана (1925), и они были медленными, дорогими и ненадежными, когда разрабатывались гравитационные маневры (1959). Недавние достижения в области вычислительной техники позволили использовать больше возможностей гравитационных полей астрономических тел и, таким образом, рассчитывать еще более экономичные траектории. Были рассчитаны пути, связывающие точки Лагранжа различных планет в так называемую межпланетную транспортную сеть. Такие "расплывчатые орбиты" требуют значительно меньше энергии, чем орбиты Гомана, но занимают гораздо больше времени. Они непрактичны для пилотируемых миссий, поскольку обычно занимают годы или десятилетия, но могут оказаться полезными для транспортировки больших объемов недорогих грузов, если человечество создаст космическую экономику.

Аэрофреки

Аэробрекинг использует атмосферу планеты-цели для снижения скорости. Впервые он был применен в программе «Аполлон», где возвращаемый космический корабль не выходил на орбиту Земли, а вместо этого использовал S-образный вертикальный профиль спуска (начиная с крутого спуска, затем выравнивания, небольшого подъема и возвращения к положительной скорости снижения, продолжающегося до приводнения в океане) в атмосфере Земли, чтобы уменьшить скорость до момента развертывания парашютной системы и обеспечения безопасной посадки. Аэробрекинг не требует плотной атмосферы – например, большинство марсианских посадочных аппаратов используют эту технику, а атмосфера Марса составляет всего около 1% от толщины земной. Аэробрекинг преобразует кинетическую энергию космического аппарата в тепло, поэтому необходим теплозащитный экран для предотвращения его сгорания. Следовательно, аэробрекинг целесообразен только в тех случаях, когда расход топлива на доставку теплозащитного экрана к планете меньше, чем расход топлива, необходимый для торможения незащищенного аппарата с помощью двигателей. Эту задачу можно решить, создавая теплозащитные экраны из материалов, доступных вблизи планеты-цели.

Улучшенные концепции ракет

Все концепции ракет ограничены уравнением Циолковского, которое определяет достижимую характеристическую скорость как функцию скорости истечения газов и отношения начальной (M0, включая топливо) к конечной (M1, после выработки топлива) массе. Главным следствием является то, что миссии, требующие скоростей, в несколько раз превышающих скорость истечения газов из ракетного двигателя (относительно аппарата), быстро становятся нереализуемыми, поскольку масса конструкции (масса полезной нагрузки и ракеты без топлива) падает ниже 10% от взлетной массы ракеты (масса ракеты с топливом).

Ядерные тепловые и солнечные тепловые ракеты

В ядерной тепловой ракете или солнечной тепловой ракете рабочее тело, как правило, водород, нагревается до высокой температуры и затем расширяется в ракетном сопле, создавая тягу. Эта энергия заменяет химическую энергию реакционных веществ в традиционном ракетном двигателе. Благодаря низкой молекулярной массе и, как следствие, высокой тепловой скорости водорода, эти двигатели как минимум вдвое эффективнее химических, даже с учетом веса реактора. Комиссия по атомной энергии США и НАСА испытывали несколько конструкций с 1959 по 1968 год. Конструкции НАСА рассматривались как замена верхних ступеней ракеты-носителя Saturn V, однако испытания выявили проблемы с надежностью, главным образом вызванные вибрацией и нагревом, возникающими при работе двигателей на таких высоких уровнях тяги. Политические и экологические соображения делают маловероятным использование подобных двигателей в обозримом будущем, поскольку ядерные тепловые ракеты наиболее эффективны на поверхности Земли или вблизи нее, а последствия аварии могут быть катастрофическими. Термические ракеты, основанные на делении, обеспечивают более низкие скорости истечения, чем электрические и плазменные концепции, описанные ниже, и поэтому являются менее предпочтительными решениями. Для задач, требующих высокого отношения тяги к весу, таких как покидание планеты, ядерная тепловая энергия представляется потенциально более привлекательной.

Электрический привод

Электрические двигательные системы используют внешний источник, такой как ядерный реактор или солнечные батареи, для генерации электроэнергии, которая затем используется для ускорения химически инертного рабочего тела до скоростей, значительно превышающих скорости, достигаемые в химических ракетах. Такие двигатели создают небольшую тягу и поэтому не подходят для быстрых маневров или запуска с поверхности планеты. Однако они настолько экономичны в расходе реактивной массы, что могут работать непрерывно в течение дней или недель, в то время как химические ракеты расходуют реактивную массу настолько быстро, что могут работать лишь секунды или минуты. Даже полет к Луне достаточно длителен, чтобы электрическая двигательная установка обогнала химическую ракету – миссии "Аполлон" занимали 3 дня в каждом направлении. Deep Space One от NASA был очень успешным испытанием прототипа ионного двигателя, который работал в общей сложности 678 дней и позволил зонду достичь кометы Боррелли, что было бы невозможно для химической ракеты. Dawn, первая операционная миссия NASA (то есть не технологическая демонстрация), использующая ионный двигатель в качестве основной двигательной установки, успешно вышла на орбиту вокруг крупных астероидов главного пояса – 1 Цереры и 4 Весты. Более амбициозная версия с ядерным питанием планировалась для миссии к Юпитеру без экипажа – Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO), запуск которой первоначально планировался в ближайшее десятилетие. Из-за изменения приоритетов в NASA, в пользу пилотируемых космических миссий, проект потерял финансирование в 2005 году. В настоящее время обсуждается аналогичная миссия как американская часть совместной программы NASA/ESA по исследованию Европы и Ганимеда. Многоцентровая команда NASA по оценке технологических приложений, возглавляемая из Космического центра имени Джонсона, в январе 2011 года представила "Nautilus X" – концептуальное исследование многоцелевого космического исследовательского аппарата, полезного для миссий за пределы низкой околоземной орбиты (LEO) продолжительностью до 24 месяцев для экипажа до шести человек. Хотя Nautilus X может быть адаптирован к различным двигательным установкам с различными характеристиками – низкой тягой и высоким удельным импульсом (Isp) – для иллюстрации показана ядерная ионная электрическая двигательная установка. Она предназначена для интеграции и испытаний на Международной космической станции (МКС) и будет пригодна для дальних космических миссий от МКС к Луне и за ее пределы, включая точки L1 системы Земля-Луна, L2 системы Солнце-Земля, околоземные астероиды и орбитальные пункты назначения на Марсе. Она включает в себя центрифугу с пониженной гравитацией, обеспечивающую искусственную гравитацию для поддержания здоровья экипажа и смягчения последствий длительного воздействия невесомости, а также средства защиты от космического излучения.

Ракеты с ядерным двигателем

Электрические двигательные миссии, уже осуществлённые или запланированные на данный момент, использовали солнечную электроэнергию, что ограничивало их возможности работы на больших расстояниях от Солнца, а также снижало максимальное ускорение из-за массы источника электропитания. Ядерные электрические или плазменные двигатели, работающие длительное время на малой тяге и питаемые от ядерных реакторов, способны достигать скоростей, значительно превышающих скорости химических двигателей.

Ракеты с синтезом

Ракеты на ядерном синтезе, использующие энергию реакций ядерного синтеза, "сжигают" такое легкое топливо, как дейтерий, тритий или <sup>3</sup>He. Поскольку в результате синтеза в энергию преобразуется около 1% массы ядерного топлива, это энергетически более выгодно, чем деление, при котором высвобождается лишь около 0,1% энергии массы топлива. Однако, как технологии деления, так и синтеза в принципе способны достигать скоростей, значительно превышающих необходимые для исследования Солнечной системы, а практическая демонстрация энергии синтеза на Земле все еще предстоит. Одним из предложений по использованию ракеты на синтезе был проект "Дедал". Другая, достаточно детальная система аппаратов, разработанная и оптимизированная для пилотируемых исследований Солнечной системы, "Discovery II", основанная на реакции D<sup>3</sup>He, но использующая водород в качестве рабочего тела, была описана группой специалистов из Исследовательского центра Гленна НАСА. Она достигает характеристических скоростей более 300 км/с при ускорении около 1,7 × 10<sup>-3</sup> g, с начальной массой около 1700 метрических тонн и долей полезной нагрузки свыше 10%. Ракеты на ядерном синтезе рассматриваются как вероятный источник межпланетных перелетов для планетарной цивилизации.

Экзотический двигатель

См. статью о космической тяге для обсуждения ряда других технологий, которые в среднесрочной и долгосрочной перспективе могут лечь в основу межпланетных миссий. В отличие от межзвездных путешествий, барьеры для быстрых межпланетных перелетов связаны с инженерными и экономическими проблемами, а не с фундаментальными законами физики.

Солнечные паруса

Солнечные паруса основаны на том, что свет, отражаясь от поверхности, оказывает на неё давление. Радиационное давление невелико и уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца, но, в отличие от ракет, солнечные паруса не требуют топлива. Хотя тяга невелика, она продолжается до тех пор, пока светит Солнце и парус развёрнут. Изначальная концепция опиралась исключительно на излучение Солнца, как, например, в рассказе Артура Кларка "Sunjammer" 1965 года. Более современные конструкции световых парусов предлагают усилить тягу, направляя на парус наземные лазеры или мазеры. Наземные лазеры или мазеры также могут помочь космическому аппарату с световым парусом замедлиться: парус разделяется на внешнюю и внутреннюю секции, внешняя секция выдвигается вперёд, а её форма механически изменяется для фокусировки отражённого излучения на внутреннюю часть, и излучение, сфокусированное на внутренней секции, действует как тормоз. Хотя большинство публикаций о световых парусах посвящены межзвёздным путешествиям, было несколько предложений по их использованию в пределах Солнечной системы. В настоящее время единственным космическим аппаратом, использующим солнечный парус в качестве основного метода движения, является IKAROS, запущенный JAXA 21 мая 2010 года. С тех пор он был успешно развёрнут и продемонстрировал ожидаемое ускорение. Многие обычные космические аппараты и спутники также используют солнечные батареи, панели терморегулирования и солнцезащитные экраны в качестве световых парусов для внесения небольших коррекций в ориентацию и орбиту без использования топлива. Некоторые даже оснащены небольшими специально разработанными солнечными парусами для этих целей (например, геостационарные спутники связи Eurostar E3000, построенные компанией EADS Astrium).

Велоциклы

Можно разместить станции или космические корабли на орбиты, циклически перемещающиеся между разными планетами, например, марсианский циклер будет синхронно циркулировать между Марсом и Землей, требуя очень небольшого расхода топлива для поддержания траектории. Циклеры – концептуально хорошая идея, поскольку массивные радиационные щиты, системы жизнеобеспечения и другое оборудование нужно выводить на циклическую траекторию лишь однажды. Циклер может выполнять несколько функций: служить жилым модулем (например, он может вращаться для создания эффекта "искусственной гравитации"); служить базовым кораблем (обеспечивая жизнеобеспечение экипажей небольших космических аппаратов, использующих его в качестве транспортного средства). Циклеры также потенциально могут стать отличными грузовыми кораблями для снабжения колонии.

Космический лифт

Космический лифт – это теоретическая конструкция, предназначенная для транспортировки материалов с поверхности планеты на орбиту. Суть идеи заключается в том, что после завершения дорогостоящего строительства лифта, неограниченное количество грузов можно будет доставлять на орбиту с минимальными затратами. Даже самые простые проекты позволяют избежать замкнутого круга ракетных запусков с поверхности, когда топливо, необходимое для преодоления последних 10% расстояния до орбиты, должно быть поднято с поверхности, что требует еще больше топлива, и так далее. Более сложные конструкции космических лифтов снижают энергозатраты на каждую поездку за счет использования противовесов, а самые амбициозные проекты стремятся к балансировке грузов, движущихся вверх и вниз, тем самым сводя энергозатраты почти к нулю. Космические лифты также иногда называют "небесными стеблями", "космическими мостами", "космическими подъёмниками", "космическими лестницами" и "орбитальными башнями". Создание наземного космического лифта превосходит наши текущие технологические возможности, однако лунный космический лифт теоретически может быть построен с использованием существующих материалов.

Скайхук

Skyhook – это теоретический класс орбитальных систем с тросом, предназначенных для вывода полезных нагрузок на большую высоту и придание им высокой скорости. Предложения по созданию skyhook включают конструкции, использующие тросы, вращающиеся с гиперзвуковой скоростью, для захвата высокоскоростных грузов или высотных летательных аппаратов и вывода их на орбиту. Кроме того, высказывались сомнения в технической реализуемости вращающегося skyhook с использованием современных материалов.

Возобновляемость пусковой машины и космического аппарата

Космический корабль SpaceX Starship разработан для полной и быстрой повторной используемости, используя технологии повторного использования SpaceX, разработанные в период с 2011 по 2018 год для ракет-носителей Falcon 9 и Falcon Heavy. Генеральный директор SpaceX Илон Маск оценивает, что одна лишь возможность повторного использования как ракеты-носителя, так и космического корабля Starship позволит снизить общие системные затраты на тонну груза, доставленного на Марс, как минимум на два порядка величины по сравнению с тем, чего ранее достигла NASA.

Двигательные материалы для смены

При запуске межпланетных зондов с поверхности Земли, несущих всю необходимую энергию для длительной миссии, масса полезной нагрузки неизбежно крайне ограничена из-за фундаментальных ограничений массы, теоретически описанных формулой Циолковского. Альтернативным способом доставки большей массы на межпланетные траектории является использование почти всего топлива верхней ступени при запуске, а затем дозаправка на околоземной орбите перед выведением ракеты на первую космическую скорость для гелиоцентрической траектории. Это топливо может храниться на орбите в топливном депо или доставляться на орбиту топливозаправщиком для непосредственной перекачки на межпланетный космический аппарат. Для возврата массы на Землю существует схожий вариант – добыча сырья на небесном теле Солнечной системы, его переработка, обработка и хранение продуктов реакции (топлива) непосредственно на этом теле до момента загрузки транспортного средства для запуска.

Трансферы на орбите с танкерами

С 2019 года SpaceX разрабатывает систему, в которой многоразовый первый ступень будет транспортировать пилотируемый межпланетный космический корабль на околоземную орбиту, отсоединяться, возвращаться на стартовую площадку, где на него будет установлен заправочный космический корабль, затем оба будут заправлены, а затем снова запущены для сближения с ожидающим пилотируемым космическим кораблем. Заправочный корабль затем перекачает топливо в пилотируемый космический корабль для использования во время межпланетного перелета. SpaceX Starship – это космический корабль из нержавеющей стали, приводимый в движение шестью двигателями Raptor, работающими на сжиженном метане и кислороде. Его длина составляет , диаметр в самой широкой точке – , и он способен перевозить до тонн грузов и пассажиров за один рейс на Марс, с дозаправкой на орбите перед межпланетным этапом путешествия.

Поддержка жизни

Системы жизнеобеспечения должны быть способны поддерживать человеческую жизнь в течение недель, месяцев и даже лет. Необходимо поддерживать пригодную для дыхания атмосферу с достаточным количеством кислорода, азота и контролируемым уровнем углекислого газа, следовых газов и водяного пара. В октябре 2015 года Управление генерального инспектора НАСА опубликовало отчет об опасностях для здоровья, связанных с пилотируемыми космическими полетами, включая пилотируемую миссию на Марс.

Излучение

Когда космический аппарат покидает низкую околоземную орбиту и защиту магнитосферы Земли, он попадает в радиационные пояса Ван Аллена – область с высоким уровнем радиации. За пределами поясов Ван Аллена уровень радиации обычно снижается, но может колебаться со временем. Эти высокоэнергетические космические лучи представляют опасность для здоровья. Даже минимальный уровень радиации во время этих колебаний сопоставим с текущим годовым пределом дозы для астронавтов на низкой околоземной орбите. Ученые Российской академии наук ищут способы снижения риска развития рака, вызванного радиацией, в рамках подготовки к миссии на Марс. Одним из рассматриваемых вариантов является система жизнеобеспечения, генерирующая питьевую воду с пониженным содержанием дейтерия (стабильного изотопа водорода) для потребления членами экипажа. Предварительные исследования показали, что вода, обедненная дейтерием, обладает определенными противораковыми свойствами. Следовательно, считается, что использование воды, практически не содержащей дейтерий, может снизить риск развития рака, вызванного экстремальным радиационным воздействием на марсианский экипаж. Помимо этого, корональные выбросы массы от Солнца крайне опасны и могут привести к смертельному исходу для человека в очень короткие сроки, если он не защищен массивной защитой.

Надежность

Любая серьезная неисправность космического корабля в полете, скорее всего, будет фатальной, и даже незначительная может иметь опасные последствия, если ее не устранить быстро, что сложно сделать в открытом космосе. Экипаж миссии "Аполлон-13" выжил, несмотря на взрыв, вызванный дефектным кислородным баллоном (1970).

Окна запуска

По астродинамическим причинам, экономически целесообразные космические путешествия к другим планетам возможны лишь в определенные временные окна. За пределами этих окон планеты становятся практически недоступными для полетов с Земли при использовании современных технологий. Это накладывает ограничения на траектории полетов и сужает возможности спасения в случае возникновения чрезвычайной ситуации.