遠く離れた1957年11月-ソビエト連邦が508ポンドの衛星2に乗って犬ライカを宇宙に打ち上げた同じ月に-ルイス研究センターの約20人のエンジニアが、惑星間飛行に核、イオン、ロケットエンジンを使用する可能性の研究を開始しました。 1958年10月1日、NASAの結成直後、ルイスセンターは庁の支援を受け、1959年4月に専門家が議会に報告し、火星への飛行の可能性を調査するための資金を求めました。 議会は同意し、有人原子力火星飛行の最初の米国の研究に先送りした。
1961年1月の報告書では、彼らの研究の簡単な説明を提供することになっていたが、研究者たちは飛行が地球の軌道から始まることになっていることを示した。 7人の乗組員用に設計された宇宙船自体は、組み立てられた形で地球から打ち上げられるか、部品で宇宙に置かれ、軌道上で組み立てられ、その後旅に出されます。
有人宇宙船の一般的なビュー。 Aは核ロケットエンジンです。 B-中央タンク、C、D-液体水素タンクのクラスター、E-乗員室、F-火星着陸モジュール、G-地球着陸モジュール。 NASAのイメージ。
目標に到着した後、エンジンを使用して、船は火星の重力がそれを捕らえることができる速度まで減速し、しばらくの間、赤い惑星の人工衛星になったはずでした。 次に、地球への打ち上げに適した次の打ち上げウィンドウを見越して、宇宙飛行士は火星着陸モジュールのコックピットで火星の深紅の表面に降り、打ち上げと着陸に化学ロケットエンジンを使用しなければなりませんでした。 しばらく惑星の表面を探索した後、彼らは再び軌道に乗って残っている宇宙船に会うために再び離陸し、再び原子力エンジンを発射して、乗組員を地球に連れて帰りました。 地球に戻った後、地球の着陸モジュールは船から分離し、大気中でブレーキ操作を行うことで乗組員を地球の表面に送り、惑星間宇宙船自体がさらに飛行して、太陽の周りの安全な「ゴミ」軌道に向かいます。
彼らの報告書では、研究者は、地球の軌道からの離脱時のデバイスの最終質量に対する3つの相互に関連する要因（ミッション期間、大気に関するブレーキ操作、乗組員が許容できる放射線被曝レベル）の影響の研究に焦点を当てました。
明らかに、火星へのより短い飛行には、一般に、より長い燃料（ 例えば、加速するために他の天体の重力を使用する-約 ）よりも大量の燃料（研究者の計画によると、液体水素である必要があります）が必要です。 一方、飛行が遅い場合は、乗組員が必要とする空気、水、食料などの大量の貨物を運ばなければなりません。 最終的に、研究者は、火星の軌道での40日間の「待機期間」を含む420日間続くミッションに決着しました。 純粋に分析的な目的で、彼らは1971年の打ち上げ日を選択しましたが、「これは実際のフライトがこの時間に予定されているという意味ではありません」と強調しました。 出発点として、地球の周りの480キロメートルの軌道が選択されました。
最適な打ち上げ日は1971年5月19日に選択されました-地球から火星への飛行に必要なデルタVが毎秒19.78キロメートルになる場合-原子力エンジンの推力により加速とブレーキが完全に通過したことを考慮して。 [1]このシナリオでは、必要なDelta-V値は、反応器からエンジンの作動流体を加熱し、ロケットノズルから排出することで達成されます。 このように、明らかに、デルタVを大きくする必要があるほど、作動流体（液体水素）の必要量が多くなります。 比較のために、300日間のミッションの場合、必要なデルタVは毎秒26.55キロメートルであり、950日間の飛行の場合、わずか12.39キロメートル/秒です。
[1] [Delta-V ] は、操作を成功させるために達成しなければならない速度の差を意味すると理解されています。 さらに、速度ベクトルの方向は考慮されません。つまり、宇宙船が0から1 km / sに加速し、その後再び0に減速する必要がある場合、デルタVは2 km / sになります。
著者は、車両の飛行速度を下げるために、大気に対するブレーキ操作が完全に適していることを示しました。これは、船の質量を減らすのに役立ちます（エンジンのブレーキに必要な作動流体の量によって）。火星への接近時と地球への帰還時の両方に適用された場合、エンジンの助けを借りて取得する必要があるデルタVの値は半分になります。
しかし、これらの数値は、大気を通過するときに乗組員を船の加熱から保護するはずだった熱シールドに質量がないと仮定した場合にのみ当てはまります。 実際には、制動操作は、船自体の質量に加えて、地球に戻るために必要なタンク内の水素の質量も制動しなければならないという事実によって妨げられました。 同時に、液体水素の密度は非常に低いため、貯蔵には大きなタンクが必要になります。 これを考慮すると、乗員室と燃料タンクの両方を保護できる熱シールドの推定重量は非常に大きかったため、火星の大気についてのブレーキ操作で質量の25％を節約できましたが、約3％しか節約できませんでした。
これらの困難のため、研究者は、地球に戻ったときにのみ大気についてブレーキをかけることがより適切であると結論付けました。 15トン、7メートルの地球降下モジュールには、大気中に入ると燃える熱シールドが備わっていたため、過剰な熱が取り除かれていました（このシールドの設計は、ボストーク、ボスホッド、ジェミニ、およびアポロ船で使用され、現在まで使用され続けています）連合および神舟で）。 同時に、制動中、シールドは自重の最大10％を失い、乗組員は最大8gの過負荷を経験しました。 この場合、熱シールドの重量は、エンジンで同様のブレーキをかけるために必要な作動流体の重量の6倍になることが計算により示されました。
放射線の問題に目を向けると、研究者は「放射線の有害な影響の分野で利用可能な（当時の）知識は網羅的であるとは考えられない」と警告した。 彼らは、その影響を考慮すべき次の要因をリストしました：地球と火星の周りのヴァンアレンベルト（実際には、火星には放射線帯はありませんが、それについては知りませんでした）、宇宙放射線、太陽フレア、船自身の放射能。
水素排気は、67メートルの船を火星に向けるだけでなく、一種の放射線シールドとしても機能すると考えられていました。 地球軌道で原子力エンジンを始動した後、船のタンクから液体水素を取り始めます。 研究者によると、6個のタンクからなる2つのクラスターがそれぞれ1つの中央タンクの周りにグループ化され、そこから液体水素がエンジンに入ると想定されていました。 この場合、中央タンクは空であったため、クラスターの1つから水素を補充する必要がありました。 この配置により、エンジンと乗員室の間に常に大量の水素が存在することが保証されます。 地球の軌道から離れると、クラスター内のタンクの半分が切断されます。 後半は、火星からの出発中に中央タンクを満たし、レッドプラネットからの出発直前に切断されます。
乗員室の画像。 A-高度に放射線防護された部屋、B-居住区、C-貨物室 NASAのイメージ。
乗員室は、総容積118立方メートルの簡単に保護できるダブルデッキの「ドラム」であり、各乗員に約4,645平方メートルのスペースを提供することになっています（「長老と将校が潜水艦で持っているエリアの間にあるもの」 ） コンパートメントの中央には、約17立方メートルの高度に保護された「金庫」があります。 この保護された部屋を除いて、乗組員の部屋全体（高さ5メートル、直径10メートル[数字は一致しませんが、元の作者の良心に任せましょう。およそ ） ]の重量はわずか15トンです。 乗組員は、ヴァンアレンベルトの通過、原子力エンジンの運用、大型の太陽フレアの間、中央の安全な区画に配置されます。 宇宙放射線の影響を可能な限り減らすために、乗組員もそこで寝ています。 また、研究者は、中央コンパートメントの周囲に配置された15トンの物資が追加の保護を提供することを考慮しました[明らかに、食品は保護されるべきではないと感じていました 。
もちろん、中央コンパートメントに必要な「シールド」の総質量は、乗組員に許可される最大放射量に大きく依存することは明らかです。 大きな太陽フレアの回避と許容される放射線レベル100 Baerを考えると、23.5トンのシールドで十分でした。 50 remの最大許容放射線量と1つの大きな太陽フレアの許容度により、シールド質量はすでに140トンに達しているはずです。 「これらのデータは、宇宙放射線の人間への影響と危険性を研究することの重要性を強調しています」と報告書は述べています。
[この問題に関して、研究者はかなり楽観的であったことに注意する価値がある。 英語版ウィキペディアでは、100ベアが比較的短期間で（「十分に小さい」という意味を明記していなくても）受け取った場合、数週間以内に急性放射線障害と死亡につながると述べています。 ロシアのウィキペディアによると、チェルノブイリ事故の清算人は、約100ミリシーベルトの放射線量を受けました（「自然のバックグラウンドが増加している地球の一部の地域の住民は、20年間で約100-200 mSvに等しい放射線量を受けています」）。 1シーベルト（10倍以上）は、まったく同じ100 BeRです。 もちろん、60年代には、人間の放射線の影響はほとんど研究されていませんでした。 誰かがこの主題についてより正確な情報を持っている場合は、コメントに記入してください-約。]
最終的に、研究者は「長い飛行よりも長い放射線よりも長い飛行がより多くの燃料を必要とするにもかかわらず、「短い飛行は長いミッションよりも（重量の点で）より適切である」と結論付けました。クルー。
研究者は、100ベアの放射線量を考慮に入れた420日間の飛行の船の質量は、1971年に地球軌道から打ち上げられると想定されていた時点で約675トンになると推定しています。