¿Cómo hacemos un viaje de ida y vuelta a Marte?

Si el gobierno de EE. UU. alguna vez vuelve a ponerse en marcha, puede leer Design Reference Architecture 5.0 (DRA 5) de la NASA para misiones humanas a Marte. (Tengo una copia, pero no veo la forma de subirla aquí). Aquí hay un resumen .

La idea básica es usar varios Saturn V o equivalentes y colocar piezas de la misión. Algunas partes se ensamblan en la órbita terrestre, otras se encuentran en la superficie de Marte o en la órbita de Marte. El documento muestra variaciones que requieren de siete a doce vehículos de lanzamiento Ares V, donde cada Ares V es aproximadamente igual a 1,5 Saturn V. En la variante de propulsión química, alrededor de 2/3 de los lanzamientos son etapas de cohetes con propulsor.

En cuanto a cómo hacer que volver parezca algo factible, se aplican algunos trucos. En primer lugar, se usa el encuentro en la órbita de Marte, tal como usamos el encuentro en la órbita lunar para Apolo. Luego, los humanos solo necesitan un cohete en Marte lo suficientemente grande como para ponerlos en la órbita de Marte, y una cápsula en la que solo necesitan sobrevivir durante horas o días. Su vehículo de regreso en órbita alrededor de Marte, con el propulsor para salir de Marte y los suministros para sobrevivir al viaje, no tuvo que aterrizar, lo que redujo enormemente la masa requerida. En segundo lugar, el cohete en Marte se alimenta principalmente de carbono y oxígeno extraídos de la atmósfera de CO _{2 .} (Traen hidrógeno para producir metano). En tercer lugar, el vehículo de retorno en órbita entró en órbita alrededor de Marte mediante el uso de aerocaptura, reemplazando una gran cantidad de propulsor con un aeroshell, ahorrando algo de masa.

Aunque preguntaría: ¿por qué necesitamos proporcionar una forma de volver? La capacidad de regresar es algo así como 2/3 del costo de la misión. Sería mucho más barato enviarlos en un viaje de ida, seguido de misiones de reabastecimiento mucho más pequeñas y económicas para mantenerlos vivos y productivos indefinidamente. No faltarían voluntarios altamente calificados.

En lugar del enfoque de la NASA, que sin un cambio en la financiación no sucederá dentro de ninguna perspectiva previsible, permítanme ver el enfoque de SpaceX.

Combinando las tecnologías ISRU (utilización de recursos in situ, esencialmente producción de combustible fuera de la Tierra) y los frenos de aire, se pueden lograr grandes ahorros en combustible.

Permítanme describir las misiones de manera similar a como se va con el Programa espacial Kerbal, comenzando desde el final y agregando más etapas, más propulsores, cohetes más pesados ​​a medida que uno se acerca al lanzamiento.

Apolo era todo en uno:

1. Reentrada y aterrizaje en tierra: aerofrenado; una cápsula robusta con un escudo térmico pesado, sin combustible.
2. Retorno a la Tierra desde la órbita lunar: ~1km/s con lo anterior, más un motor y un tanque para eso. (también, propulsar el vehículo de ascenso, punto 3., aunque fuera innecesario)
3. Ascenso lunar - Módulo de Ascenso Lunar. Una nave pequeña, liviana, de paredes delgadas como el papel, para dos personas, con ~1 km/s de delta-V, suficiente combustible RCS y capacidad para encontrarse con la cápsula en órbita lunar.
4. Descenso y aterrizaje lunar: una etapa de descenso lunar de ~ 1 km / s que lleva lo anterior con todo su combustible a un aterrizaje en una superficie blanda. También patas de aterrizaje y un montón de equipo que no se necesita en el ascenso.
5. Inserción lunar: propulsar todo hasta ahora a aproximadamente 1 km/s hacia la órbita lunar baja, usando el tanque y el motor de (2.)
6. Transferencia lunar: propulsión igual que la anterior desde LEO, nuevamente el mismo motor. Unos 4 km/s. Esto se hizo en la última etapa del lanzador, con la carga útil anterior en un carenado masivo ("etapa IV/B").
7. 8. y 9. Terminar el ascenso orbital con lo mismo que 6 + aceleración hasta casi la velocidad orbital con la etapa II (junto con un sistema de escape de lanzamiento) y levantarlo todo y dar la patada inicial con la etapa 1. Durante casi 10 km/s en total.

Cada vez que llegue al siguiente punto, multiplique la masa hasta el momento, incluido el combustible hasta el momento, por el delta-V necesario y obtendrá la escala, el tamaño y la masa de la siguiente etapa (en realidad, la anterior). Como puede ver, esto se convierte en el enorme Saturno V con una pequeña cápsula al final. Nada reutilizado. Todo el combustible, incluida la quema de último retorno, transportado y propulsado todo el camino. Montones y montones de escenarios totalmente desechables.

Ahora intentemos lo mismo para la misión BFR a Marte y de regreso.

1. Aterrizaje en tierra. Propulsado, utilizando pequeños tanques de presión con criocombustibles transportados en BFS dentro de sus grandes tanques. Sólo varios cientos de m/s. aunque el vehículo es grande e incluye una protección térmica pesada.
2. reingreso a la tierra. Uso de frenos de aire, de forma gratuita (usando protección térmica en un lado del cohete)
3. Captura de tierra. Aerofrenado, gratuito, igual que el anterior.
4. Salida de la órbita de Marte y transferencia Marte-Tierra. Alrededor de 2,5 km/s de los tanques principales de BFS.
5. Reabastecimiento orbital de Marte. Un lanzamiento de 1-2 BFS desde la superficie para llevar combustible al vehículo de regreso, seguido de su regreso a la superficie de Marte. Mientras sea gratis para el vehículo de regreso, duplique o triplique el costo de todo a partir de ahora; ¡Necesitas llevarlos a Marte!
6. Ascenso a Marte. Tanques principales, que usan combustible hecho de recursos in situ de Marte. Alrededor de 4 km/s, pero esencialmente gratis aparte del costo inicial del equipo. Antes de ese paso, los tanques en todos los vehículos pueden estar vacíos, la única masa que hasta ahora ha salido a la superficie es de 3 o más BFS, ni una gota de combustible hecho en la Tierra.
7. Aterrizaje en Marte: pequeños tanques presurizados con motor, varios cientos de m/s.
8. Reentrada en Marte: libre, aerofrenado.
9. Captura de Marte: libre, aerofrenado.
10. Transferencia Tierra-Marte: alrededor de 4,5 km/s desde los tanques principales de BFS. (x3 cohetes)
11. Reabastecimiento de combustible en órbita terrestre. Ahora los números realmente crecen, porque necesitamos alrededor de 6 lanzamientos de BFR para traer todo el combustible para el punto 10. Y no pueden estar muy separados en el tiempo, debido a la evaporación, por lo que necesita una flota de al menos 9 de estos (3 a Marte, 6 para alimentarlos). Tal vez un poco menos (puedes relanzar los primeros para cuando el cuarto o más termine de alimentar a los que están en órbita). Entonces, este paso no agrega nada, solo multiplica los pasos posteriores por 7.
12. y 13 Alrededor de 9-10 km/s: ascenso de la Tierra e inserción orbital, ya sea con carga útil para viajar (alimentos, soporte vital, ciencia, tripulación) o solo carga útil de combustible, dividida entre el BFS y el propulsor BFR (reutilizable).

Y eso es. Un aterrizaje en Marte significa aproximadamente 9 BFR, cada uno de los cuales es aproximadamente del tamaño de Saturno V, y probablemente cueste de manera similar. La diferencia es que todo se recupera o permanece en el destino como infraestructura permanente para su posterior reutilización. Después de construir estos 9 BFR, si nada falla, puedes enviar tantas misiones a Marte como quieras y costarán alrededor de 18 tanques de metano y oxígeno cada uno, en recursos agotables. Mientras tanto, todo lo que queda de Apolo son algunas piezas de museo y no las vas a reutilizar.