Первую группу возглавлял Глеб Максимов. Проект пилотируемой космической системы, получивший название «Тяжелый межпланетный корабль» («ТМК»), выдвинутый этой группой, основывался на использовании сверхтяжелого носителя «Н-1». С его помощью на околоземную орбиту выводились трехместный межпланетный корабль и ракетный блок, который обеспечивал разгон корабля в направлении Марса. Затем по баллистической траектории совершался полет к красной планете, ее облет и возвращение на Землю.
«ТМК» включал следующие отсеки: жилой, рабочий (со шлюзом для выхода в открытый космос), биологический и агрегатный. В состав комплекса также входили спускаемый аппарат и корректирующая двигательная установка. После выведения на траекторию полета на корабле развертывались солнечные концентраторы и батареи электропитания, а также антенны связи с Землей. Габариты «ТМК»: полная длина – 12 м, максимальный диаметр – 6 м, полная масса – 75 т. Стартовать к Марсу «ТМК» должен был 8 июня 1971 года. После трехлетнего путешествия, 10 июля 1974 года, экипаж вернулся бы на Землю.
Позже, когда в бюро приступили к реальному планированию экспедиции, разработки группы Максимова легли в основу проекта «МАВР» («Марс и Венера разом»), предусматривавшего полет к Марсу с промежуточным облетом Венеры.
По плану «МАВР» должен был стартовать в 1975 году и лететь по траектории в течение 480–600 суток с использованием гравитационного маневра в поле Венеры. На поверхность планет при их пролете должны были сбрасываться автоматические исследовательские зонды. Интересно, что в состав корабля был введен отделяемый автономный отсек для научных исследований – астрономический телескоп с кабиной для наблюдателя («астроблок»).
Вторую группу бригады Тихонравова, разрабатывавшую вариант пилотируемой экспедиции с высадкой на поверхность Марса, возглавил будущий космонавт Константин Феоктистов. Его проект поначалу основывался на сложной многопусковой схеме со сборкой «ТМК» на орбите и последующим разгоном корабля к Марсу. Межпланетный комплекс должен был состоять из пяти модулей: кабина космического корабля, аппарат для полета в марсианской атмосфере, два модуля для высадки на поверхность планеты (основной и запасной), ядерный реактор в защитном кожухе. После выхода на орбиту вокруг Марса предполагалось исследовать атмосферу планеты с помощью атмосферного аппарата, а на поверхность планеты доставить два посадочных модуля с тремя членами экипажа. Трое других должны были дожидаться их возвращения на орбите. После завершения программы исследований корабль с космонавтами стартовал к Земле.
Проектанты, имеющие опыт создания пилотируемых кораблей, вскоре поняли, что уложиться в заданные пределы стартовой массы вряд ли возможно. Стремясь получить резерв, они обратили внимание на электроракетные двигатели, отличающиеся высокой экономичностью и дающие реальную возможность либо снизить стартовую массу, либо увеличить полетную массу всего «ТМК».
Благодаря применению электроракетных двигателей группе Феоктистова удалось разработать проект «ТМК-Э» со стартовой массой около 75 т, что позволяло надеяться на его выведение за один пуск ракеты «Н-1». При этом масса корабля на траектории полета к Марсу составляла 30 т.
К сожалению, крупным недостатком проекта было то, что из-за малой тяги электроракетных двигателей разгон корабля должен был производиться по раскручивающейся спирали в течение нескольких месяцев. Еще одной серьезной проблемой, препятствующей широкому использованию таких разгонных блоков, является то, что для их функционирования необходимо наличие на борту космического аппарата очень мощного источника электроэнергии. Например, для «ТМК-Э» требовались панели солнечных батарей площадью около 36 000 м2. Конечно же, о выведении в космос такой крупногабаритной конструкции в то время не могло быть и речи. Поэтому для электропитания двигателей марсианского корабля было предложено использовать компактный ядерный реактор с безмашинным способом преобразования тепловой энергии. Новый вариант «ТМК-Э» включал: ядерный реактор мощностью 7 МВт, электроракетный двигатель, удлиненный конический бак с рабочим телом для двигательной установки и огромный радиатор-испаритель в форме длинного цилиндра. Габариты «ТМК-Э» при этом составили: полная длина – 175 м, максимальный диаметр – 6 м, полная масса – 150 т.
Корабль предполагалось собирать на околоземной орбите из отдельных модулей, выводимых тяжелой ракетой-носителем. После стыковки всех элементов и проверки систем корабль стартовал в сторону Марса с экипажем из шести человек, трое из которых (пилот-планетолог, врач-биолог, инженер-механик и по совместительству также пилот) вместе с оборудованием совершали посадку на поверхность красной планеты. Для ее осуществления «ТМК-Э» нес целый исследовательский комплекс из пяти отделяемых аппаратов. После посадки они соединялись в марсианский «поезд» на крупногабаритных колесных шасси. В течение года он должен был пройти по поверхности Марса от южного полюса до северного, провести исследования поверхности и атмосферы, передавая информацию на корабль, обращающийся по околомарсианской орбите, откуда она ретранслировалась на Землю. После окончания работ на поверхности Марса экипаж с образцами грунта и другими результатами исследований возвращался на корабль, находящийся на околомарсианской орбите, а затем стартовал к Земле.
Учитывая большую продолжительность экспедиции (три года), конструкторы уделили особое внимание системе жизнеобеспечения экипажа. Созданные к тому времени системы, основанные на запасе кислорода, воды и продуктов без их возобновления, не позволяли реализовать программу из-за недопустимо большой массы этих запасов. Поэтому нужны были новые системы с так называемым «замкнутым циклом». Для регенерации кислорода из выдыхаемого космонавтами углекислого газа должны были применяться контейнеры с водорослями хлорелла. Для пополнения рациона в бортовой гидропонной оранжерее корабля предполагалось выращивать овощи, что позволило бы снизить массу продуктов на величину от 20 до 50 %. Так как оранжерея составляла неотъемлемую часть всех проектов тяжелых межпланетных кораблей, серьезной проблемой стал подвод света к растениям. Эта задача решалась применением крупногабаритных наружных солнечных концентраторов.
Для отработки прототипа замкнутой системы жизнеобеспечения бюро Сергея Королева в содружестве с Институтом медико-биологических проблем и заводом «Звезда» построило аналог жилого отсека «ТМК» – наземный экспериментальный комплекс (НЭК), в котором три испытателя (Герман Мановцев, Борис Улыбышев и Андрей Божко) провели целый год, начиная с 5 ноября 1967 года. О результатах уникального по тем временем эксперимента Андрей Божко написал в книге «Год в „Звездолете“» (1975). Аналогичные испытания замкнутой системы жизнеобеспечения продолжительностью девяносто суток с экипажем из четырех человек были проведены в США значительно позже – в июле-сентябре 1970 года.
Однако в середине 1960-х годов почти все силы творческого коллектива бюро Сергея Королева были брошены на реализацию приоритетной программы высадки на Луну, что сильно затормозило разработку «ТМК-Э».
Проект «Аэлита»
О полете к Марсу советские специалисты вновь заговорили в 1969 году. Лунная «гонка» была проиграна, и для восстановления потерянного престижа в СССР всерьез рассматривали возможность затеять марсианскую «гонку».
Инициатива исходила от академика Мстислава Келдыша, который на Совете главных конструкторов 27 января 1969 года заявил следующее (цитирую по книге Бориса Чертока «Ракеты и люди. Лунная гонка»):
«Меня беспокоит, что у нас нет… ясной цели. Сегодня есть две задачи: высадка на Луну и полет к Марсу. Кроме этих двух задач, ради науки и приоритета никто ничего не называет. Первую задачу американцы в этом или следующем году решат. Это ясно. Что дальше? Я за Марс. Нельзя делать такую сложную машину, как „H1“, ради самой машины и потом подыскивать для нее цель. 1973 год – хороший год для беспилотного полета тяжелого корабля к Марсу. <…> Мы можем в 1975 году осуществить запуск пилотируемого спутника Марса двумя носителями „H1“ со стыковкой на орбите. Если бы мы первыми узнали, есть ли жизнь на Марсе, это было бы величайшей научной сенсацией. С научной точки зрения Марс важнее Луны».
Итак, задача была сформулирована. В качестве носителя должна использоваться ракета «Н-1» (или модифицированная версия «Н-1М»). На нее и ориентировались инженеры группы Константина Феоктистова, которому был поручен новый проект, получивший название «Аэлита». 30 июля 1969 года появился приказ министра общего машиностроения № 232 о разработке ракетно-космического комплекса (РКК), обеспечивающего экспедицию на планету Марс.
Основные параметры проекта «Аэлита» предполагались следующими: продолжительность полета – 630 дней; пребывание на околомарсианской орбите – 30 дней; пребывание на Марсе посадочного модуля с космонавтами – 5 дней.
