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.
Сам корабль, получивший рабочее название «Марсианский экспедиционный комплекс» («МЭК»), предполагалось создать на околоземной орбите путем автоматической стыковки двух беспилотных блоков массой примерно по 75 тонн, выводимых в космос ракетами «Н-1М». Первый блок – марсианский орбитальный комплекс («МОК») и марсианский посадочный комплекс («МПК»), второй – комплекс электроракетной двигательной установки с ядерным источником энергии.
Конструкция марсианского корабля представляла собой удлиненную иглу с вынесенным для радиационной безопасности реактором и коническим тепловым радиатором. В отличие от проекта «ТМК-Э» на поверхность Марса садился один аппарат конической формы с разворачивающимся лобовым щитом. Численность экипажа была уменьшена до четырех человек, а мощность ядерного реактора увеличена до 15 МВт. Габариты «МЭК»: полная длина – 175 м, максимальный диаметр – 4,1 м, полная масса – 150 т.
После стыковки блоков предполагался медленный разгон корабля по постепенно раскручивающейся спирали. Как только «МЭК» выйдет из зоны радиационных поясов Земли, следовало осуществить подсадку экипажа на комплекс с использованием лунных кораблей типа «7К-Л1», оснащенных средствами сближения и стыковки на высокой околоземной орбите и запускаемых на траекторию полета с помощью ракеты-носителя «Протон-К».
Предполагалось, что после окончания активного участка разгона Земля – Марс электроракетные двигатели выключаются, энергетическая установка переходит в режим «холостого хода» и комплекс в течение 150 суток совершает пассивный полет. Затем начинается второй активный участок полета к Марсу – торможение перед входом в сферу действия красной планеты (60 суток) и полет по скручивающейся спирали для выхода на орбиту искусственного спутника Марса (24 суток).
Во время тридцатисуточного пребывания на околомарсианской орбите от комплекса отделяется «МПК», который совершает мягкую посадку на поверхность Марса. «МПК» имел раскрываемый аэродинамический экран, снаружи которого крепился сбрасываемый навесной отсек. Он также был оснащен посадочной ступенью с жидкостным ракетным двигателем, цилиндрическим жилым отсеком, соединенным с кабиной космонавтов посредством люка-лаза, и двухступенчатым возвращаемым аппаратом.
Для проекта «Аэлита» тоже разрабатывался свой марсианский «поезд», проходивший в документах под обозначением «ПИК» («Планетный исследовательский комплекс»). Сначала взялись за самый тяжелый по массе и сложный по исполнению вариант «ПИК», который обеспечивал получение наибольшего количества научной информации. В результате спроектировали трехзвенный шестиколесный поезд высокой проходимости с экипажем из трех человек, который рассчитывался на тридцать суток автономного движения по марсианской поверхности со средней скоростью около 12 км/ч. Головное звено представляло собой лабораторию – жилой блок с кабиной управления движением, санузлом, каютами членов экипажа, шлюзом для выхода на поверхность и рабочей лабораторией. Второе звено поезда – ракета возвращения на орбиту с приспособлением для установки ее в вертикальное положение перед стартом. Третье звено – энергоблок с ядерным реактором типа «Ромашка», теневой радиационной защитой и теплоизлучателем. Предполагалось, что такой поезд сможет за месяц пребывания на Марсе преодолеть заранее намеченный маршрут длиной 1500 км и получить большой объем научной информации.
Вариант «ПИК» с поездом получился весьма тяжелым из-за радиационной защиты реактора. Возникла идея использовать марсианский грунт в качестве защиты в звене энергоблока и тем самым снизить массу поезда. Был спроектирован вариант, где энергоблок выглядел как пологий контейнер со шнековым устройством, которое на поверхности обеспечивало его автоматическое заполнение грунтом. Масса «ПИК» при этом составила 122 т.
Конструкторы рассматривали и варианты «ПИК» меньшей массы. В частности, был разработан так называемый «бинарный» вариант: в нем «ПИК» десантировался на Марс по частям. Затем был предложен проект «ПИК» общей массой 80 т, где основную роль должны были играть стационарная лаборатория и колесный «джип» для исследования поверхности с радиусом действия до 20 км. Еще позднее разработали «ПИК» с массой 45 т, который был рассчитан на семь суток и экипаж из трех человек. И наконец, появился проект самого легкого «ПИК» массой 23 т, который был рассчитан на двух человек с автономным пребыванием на планете длительностью не более четырех суток. Его назвали «приоритетным», поскольку основной задачей такого комплекса было водрузить флаг Советского Союза на поверхности Марса – на серьезную исследовательскую программу просто не оставалось ресурсов.