Используя методы исследования планет автоматическими зондами, можно сделать полеты астронавтов к астероидам и Марсу более быстрыми и менее затратными.В октябре 2009 г. небольшая группа исследователей космоса с помощью автоматических зондов решила отвлечься от любимой работы и устроить мозговой штурм для поиска новых способов полета человека в космос. Подтолкнуло нас к этому то, что комиссия Августина — группа экспертов под руководством Нормана Августина (Norman Ralph Aug'ustin), созданная в том же году Бараком Обамой для изучения вопроса о космическом шаттле и его вероятном преемнике, доложила, что «программа США космических полетов человека, по-видимому, несостоятельна». Имея впечатляющую программу космических зондов, позволившую исследовать Солнечную систему от Меркурия «до самых до окраин», мы попытались найти технический подход для решения политических и бюджетных проблем NASA.
Вот некоторые наши идеи: использовать ионные двигатели для доставки компонентов лунной базы; лучом передавать энергию роверам на спутнике Марса— Фобосе; снабдить Международную космическую станцию (МКС) мощными ионными двигателями на эффекте Холла и перевести ее на орбиту вокруг Марса; распределить ракеты с химическим топливом вдоль межпланетной траектории, чтобы астронавты по пути могли воспользоваться ими; вместо скафандров использовать индивидуальные капсулы, как в фильме «2001 год; космическая одиссея»; не посылать астронавтов к астероиду, а доставлять астероид (очень маленький) к астронавтам на космическую станцию. Подсчитав, мы увидели, что электрический реактивный двигатель— ионный или ему подобный — может значительно уменьшить стартовую массу, необходимую для посылки человека к Марсу или астероидам.
Это было похоже на возврат в NASA 1960-х гг., разве что без сигаретного дыма. Стремясь не зацикливаться на критике, мы обсуждали, что и как можно сделать. После предварительного анализа мы устроили семинар с коллегами из Лаборатории реактивного движения NASA, на котором обобщили все выводы и расчеты. Затем всю весну и лето мы встречались с инженерами и учеными, заинтересовавшимися нашими разработками и предлагавшими разные идеи для их улучшения. Мы познакомились с результатами экспериментов, проведенных в NASA и других организациях: от испытаний мощных электрических двигателей до конструкций легких и высокоэффективных солнечных батарей. Наши дискуссии переросли в широкий инженерный поиск на многих уровнях — от космического агентства до аэрокосмичсской промышленности.
Сейчас мы собрали все наиболее удачные предложения с проверенной и надежной технологией для разработки плана посылки астронавтов к околоземному астероиду 2008 EV5 в 2024 г. В качестве подготовки полета на Марс. Этот проект разработан в рамках нынешнего бюджета NASA, причем — что важно — разбит на ряд последовательных задач, что позволит форсировать или замедлять темп работы в зависимости от финансирования. Коротко говоря, наша цель — использовать наработки беспилотных исследований для обновления техники пилотируемых полетов.
Малыми шагами к гигантскому скачку
Доклад комиссии Августина вызвал мощное политическое противостояние, которое привело к решению передать большую часть задач по запуску астронавтов на орбиту частным компаниям (см.: Фридман Д. Старт ор-| витальной экономики // BMII, № 2, 2011). Теперь NASA может заняться новыми технологиями и продвигать человечество к новым рубежам. Но как это агентство будет двигаться вперед без политической поддержки и ресурсов, имевшихся у него в счастливые дни лунной программы «Аполлон»?
Возможности космических роботов постоянно растут: § появляются новые технологии, позволяющие ставить | все более сложные задачи. Вместо того чтобы детально разрабатывать стратегию достижения одной цели, программа беспилотных исследований использует новейших технологии для достижения разнообразных целей.
Разумеется, все в мире несовершенно, и эта программа 5 тоже имеет свои проблемы и недостатки. Но она по крайней мере не сворачивается при смене политического ветра или задержке с развитием технологий. Похожую стратегию можно использовать и для пилотируемых полетов. Нет необходимости начинать с «гигантского скачка», как это было в случае «Аполлона». Лучше продвигаться небольшими шагами с опорой каждого следующего на предыдущий.
Некоторые считают, что для исследований нужны роботы. а человека вообще не нужно использовать. Если бы единственной целью NASA были научные открытия, то зонды-роботы были бы предпочтительны из-за их дешевизны и отсутствия риска для людей. Но цель NASA — не только наука. Наука — всего лишь одна из причин тяги людей к исследованиям. Изучение космоса привлекательно не только для ученых, но и для обычных людей, которые хотят когда-нибудь сами соприкоснуться с ним. Зонды-роботы делают лишь первый шаг в исследовании Солнечной системы. Вторым шагом будут экспедиции астронавтов, финансируемые правительством, а третьим станет поиск своей судьбы и приключений в космосе самими гражданами. Прежние инвестиции NASA пошли на развитие технологий, ставших основой для конкурирующих теперь коммерческих проектов по созданию капсул для полетов к космической станции и ракетопланов, взлетающих над пустыней Мохаве (см.: Хорват Д. Космический туризм // BMII, № 7, 2004). Теперь NASA может разрабатывать новые технологии, которые нужны для более глубокого проникновения в космос.
Наш лозунг — гибкость!
В основе наших рекомендаций лежат три принципа. Первый из них — «гибкий подход», одобренный комиссией Августина и принятый президентом Обамой и Конгрессом. Этот подход заменяет устаревшее требование четкого плана «Земля — Луна — Марс» на широкий выбор возможных направлений. Нам следует начинать с ближайших целей, таких как точки Лагранжа (области пространства, где объект движется синхронно с планетами под действием их гравитации) и близких к Земле астероидов.
Гибкий план предусматривает использование новых технологий, особенно электрореактивных двигателей. Мы предлагаем применять двигатели на эффекте Холла (тип ионного двигателя), питаемые от солнечных батарей. Такой системой оснащен зонд «Рассвет» (Dawn), запущенный к астероиду Веста, после чего он направится к карликовой планете Церера и должен прибыть к ней в 2015 г. (см.: Чуэйри Э. Новый рассвет электрических ракет // DMII № 5, 2009). Традиционные ракеты на химическом топливе дают мощный, но кратковременный поток газа, а электрический двигатель испускает слабый, но длительный поток частиц. Такой двигатель эффективен, поскольку он потребляет меньше топлива (фактически — космический вариант гибридного автомобиля Toyota Prius). Но ценой этой эффективности стала слабая тяга, так что некоторые экспедиции могут затянуться. Считается, что электрические двигатели слишком медленны для полетов с экипажем, но эту проблему можно решить. Идея, возникшая при нашем первом мозговом штурме, состоит в том, чтобы использовать электрореактивный двигатель для беспилотной доставки ракет с химическим топливом в ключевые точки траектории, создавая что-то вроде тропинки из хлебных крошек. Когда тропинка сформирована, астронавты смогут переходить из своего корабля в следующий, и так по всему пути: получается экономия топлива за счет электрического двигателя и сохраняется скорость химической ракеты.
Электрический двигатель экономит деньги. Раз кораблю не нужно заправляться большим количеством топлива, его масса уменьшается на 40-60%. Стоимость космической экспедиции находится почти в прямой зависимости от стартовой массы корабля. Таким образом, уменьшение массы вдвое в столько же раз снижает расходы.
Многие энтузиасты космонавтики спрашивают, почему мы хлопочем о путешествии к астероидам, тогда как все мечтают о полетах на Марс? Но ведь астероиды — действительно идеальная цель при подготовке экспедиций к Марсу. Тысячи из них движутся в пространстве между Землей и Марсом, образуя удобные «ступеньки» на пути в дальний космос. У астероидов очень слабая гравитация, поэтому посадка на них требует гораздо меньше энергии, чем на Луну или Марс. Весьма трудно организовать длительную межпланетную экспедицию, — от шести до 18 месяцев, — без создания сложных кораблей, способных садиться и взлетать. А полеты к астероидам позволят сосредоточиться на том, что мы считаем самой сложной проблемой дальних экспедиций: на защите астронавтов от вредного влияния невесомости и космической радиации (см.: Паркер Ю. Защита космических путешественников // ВМП, № б, 2006). Когда NASA накопит опыт в преодолении этих проблем, настанет время создавать корабли для полетов на Марс.
Астронавты смогут посетить несколько интересных с научной точки зрения астероидов за время полета, который займет от полугода до полутора лет. Для этого можно использовать электрический двигатель мощностью 200 кВт, более совершенный, чем применялись до сих пор. Уже сейчас на МКС панели солнечных батарей дают суммарную мощность 260 кВт. Такой полет должен открыть путь к далеким космическим путешествиям. Он станет первым шагом к двух- и трехгодичным путешествиям с двигателем мощностью 600 кВт, который нужен для полета на Марс.
Второй важный принцип нашего плана состоит в том, что NASA не придется создавать все абсолютно новые системы, как это было в 1960-е гг. Некоторые системы, особенно для борьбы с невесомостью и защиты от радиации, потребуют новых подходов. Но для всего остального уже есть готовые решения. Корабль для межпланетных полетов можно собрать из нескольких специализированных блоков. Например, корпус, солнечные батареи и системы жизнеобеспечения, используемые на МКС, могут быть адаптированы. Многие частные компании и космические агентства других стран накопили в этой области большой опыт, и NASA сможет им воспользоваться.
Третий принцип заключается в создании программы, обеспечивающей продвижение вперед даже в том случае, если один из ее компонентов столкнется с проблемами или вообще не реализуется. Этот принцип нужно применить и в отношении самого важного компонента космической политики, обсуждаемой в Конгрессе: в отношении ракеты-носителя для доставки астронавтов и научных зондов с поверхности Земли на орбиту. Конгресс предписал NASA построить новую мощную ракету Space Launch System (SLS, система взлета в космос). Как объявили в прошлом сентябре, NASA планирует разрабатывать этот корабль пошагово, начав примерно с половины грузоподъемности аполлоновского «Сатурна-5» и затем совершенствовать его. Сейчас работают над первым носителем систем SLS и капсулой «Орион», на которых астронавты смогут отправиться в трехнедельное путешествие к лунной орбите и точкам Лагранжа. Но для более далеких путешествий следует совершенствовать систему.
К счастью, для межпланетных путешествий не нужно ждать, пока будет создана SLS. Уже сейчас можно заняться усовершенствованием систем жизнеобеспечения и электрореактивных двигателей, которые понадобятся для путешествий за орбиту Луны. Создавая такие системы еще на этапе разработки новых ракет, NASA сможет оптимизировать под них конструкцию SLS и сделать ее более пригодной для межпланетных путешествий. Эти компоненты нужно сконструировать даже так, чтобы они сопрягались с коммерческими и иностранными носителями, а затем собирать из них конструкции на орбите, как это было с МКС и станцией «Мир». Использование уже существующих ракет могло бы придать импульс изучению межпланетного пространства. Имея на вооружении набор гибких решений, NASA сможет проводить больше исследований даже при ограниченном бюджете.
Экспедиция к астероиду 2008 EV5
По нашему плану возрождение NASA начнется с создания межпланетного корабля. Ионный двигатель на солнечных батареях обеспечит полет, а новый жилой блок станет надежным убежищем вдали от дома. Типичный межпланетный корабль должен состоять из двух модулей, которые сможет доставить на низкую околоземную орбиту самая малая из новых ракет SLS. Но можно использовать и три коммерческие ракеты: две для компонентов корабля и одну для припасов в путешествие.
Как ни странно, первый рейс окажется самым скучным. В течение двух лет управляемый с Земли беспилотный корабль будет подниматься по спирали с низкой околоземной орбиты сквозь радиационные пояса на высокую околоземную орбиту. Это экономное, но слишком долгое сточки зрения радиационной безопасности астронавтов путешествие. Когда корабль достигнет внешней границы области гравитационного контроля Земли, легкий толчок сможет послать его в облет Луны, чтобы совершить маневр для изменения орбиты и успешного полета дальше. Вот тогда астронавты и подсядут на корабль, взлетев с Земли на обычной химической ракете.
В испытательном полете астронавты выведут корабль на окололунную орбиту, которая позволит им большую часть времени оставаться над южным полюсом Луны, откуда они смогут управлять роботами, исследующими древние отложения льда в вечно темных кратерах бассейна Эйтксн. Такая экспедиция позволит сочетать длительные исследования с высоким уровнем безопасности всего в нескольких днях полета от Земли. После возвращения экипажа на Землю межпланетный корабль останется на высокой околоземной орбите, ожидая дозаправки и профилактики для своего первого полета к астероидам.
Мы обдумали разные варианты таких экспедиций. В некоторых из них астронавты должны встретиться с малыми объектами (диаметром менее 100 м) невдалеке от Луны и вернуться обратно менее чем через полгода. В других они должны лететь почти до Марса к объектам § крупнее километра и вернуться обратно в течение двух лет. Если ограничиться самыми легкими вариантами, g то исследования могут затормозиться, и мы окажемся | в технологическом тупике. С другой стороны, стремление к самым сложным вариантам может постоянно приводить к отказу от важных экспедиций, поскольку намеченная цель слишком далека и труднодоступна. Между этими крайностями мы ищем золотую середину. Например, это может быть годичное путешествий в 2024 г. 8 к астероиду 2008 EV5 с проведением его исследований
Астероид Веста, вокруг которого сейчас летает зонд NASA Dawn. На зонде установлен высокоэффективный ионный двигатель, который в будущем смогут использовать для межпланетных полетов астронавты. (Это стереоизображение можно рассматривать в красно-синих очках.)
в течение 30 суток. Этот астероид диаметром около 400 м относится к тому типу, который интересен многим планетологам, —углеродистые астероиды типа С. вероятные остатки формирования Солнечной системы и возможный первоисточник органического вещества на Земле.
Простейший способ отправиться к астероиду — использовать притяжение Земли для маневра, известного как эффект Обсрта. Это способ обратный тому, который обычно применяют для перевода межпланетных зондов на околопланетную орбиту. Для подготовки к нему межпланетный корабль дополнят ступенью с химическим двигателем высокой тяги; и доставит с Земли буксир с ионным двигателем. После того как ступень пристыкуют и экипаж взойдет на борт, межпланетный корабль начнет падать из окрестностей лунной орбиты почти до атмосферы Земли, чтобы набрать большую скорость. Затем в определенный момент двигатель высокой тяги запускают, и корабль за минуту преодолевает притяжение Земли. Этот маневр лучше всего работает в тот момент, когда корабль с максимальной скоростью движется вблизи Земли, т.к. прирост энергии корабля пропорционален его скорости. Эффект Обсрта— исключение из правила, гласящего, что ионный двигатель эффективнее химического. Чтобы полностью использовать преимущество такого маневра, нужна большая тяга, и только мощная ракета на химическом топливе может его обеспечить. Сочетание ионного двигателя и эффекта Обсрта (с применением химического двигателя) сокращает количество топлива для преодоления земного притяжения на 40% по сравнению с чисто химической ракетой.
Преодолев притяжение Земли, астронавты включают двигатель на эффекте Холла и устремляются к цели. Поскольку ионный двигатель даст постоянную тягу, он обеспечивает выбор вариантов. В ходе экспедиции есть возможность в любой момент изменить траекторию для возвращения в случае нештатной ситуации. Например, японский астероидный зонд Ilayahasa смог восстановиться после нескольких неудач именно благодаря своему ионному двигателю. Если технические или финансовые проблемы помешают нам создать к сроку межпланетный корабль для полета к астероиду 2008 EV5, молшо выбрать другую цель. Столкнувшись с техническими трудностями, мы сможем импровизировать. Например. если высокоэффективное рабочее тело для ионного двигателя трудно хранить в межпланетном пространстве, то мы можем перейти на менее эффективное и соответственно изменить планы. Возможны любые варианты.
Выгоды индивидуальных капсул
По нашему плану у астронавтов будет месяц для изучения астероида. Они смогут применять опыт подводных исследований в автономных аппаратах, т.е. вместо скафандров использовать индивидуальные капсулы. Космический скафандр — это туго надутый баллон, и астронавту при каждом движении приходится бороться с давлением воздуха, что затрудняет космическую прогулку и ограничивает действия. Капсула с автоматической рукой-манипулятором не только решает эту проблему, но и служит помещением для еды и отдыха. В капсуле астронавт может работать несколько дней. NASA сейчас создаст Исследовательский космический аппарат (Space Exploration Vehicle, SEV), который можно будет использовать как капсулу для изучения астероидов. Эту же конструкцию позже можно переделать в луноход и марсоход.
Астронавты проведут полный обзор в поисках необычных минералов и перспективных мест для добычи образцов. возможно, очень древних, относящихся к эпохе формирования Солнечной системы. NASA должна послать команду, сочетающую в себе качества Индианы Длюнса и мистера Скотта: астронавты должны обладать научными знаниями, чтобы найти зарытые в пыли нужные образцы, и быть инженерами, способными справиться с любой поломкой.
В конце месяца ионный двигатель отталкивает корабль от астероида, и спустя шесть месяцев он возвращается домой. За несколько дней до приземления команда переходит в спускаемый аппарат, отделяется от основного корабля и берет курс к Земле. Пустой межпланетный корабль остается на орбите вокруг Солнца. Он пролетает мимо Земли и продолжает торможение ионным двигателем для уменьшения энергии относительно системы Земля-Луна. Поэтому через год, когда он вернется к Земле, сможет использовать гравитационный маневр вблизи Луны для перехода на высокую околоземную орбиту, где будет ждать следующей экспедиции. Ионный двигатель и жилой модуль можно будет использовать многократно.
После нескольких полетов к астероидам протяженностью в год и модернизации систем жизнеобеспечения и радиационной защиты можно проложить дорогу к Марсу. В первой экспедиции не обязательно опускаться на поверхность планеты. Лучше сначала изучить спутники — Фобос и Деймос. По сути, это будет экспедиция к астероидам, растянутая на полтора года. На первый взгляд может показаться глупым — пройти весь путь до Марса и не опуститься на его поверхность. Но посадка может сильно осложнить дело. Полет к спутникам Марса позволит астронавтам получить опыт дальних космических путешествий до того, как решиться сесть на Марс.
Инженеры работают над увеличением гибкости и снижения стоимости программы посещения поверхности Марса. Самая рациональная тактика предполагает предварительную доставку на поверхность планеты жилых блоков и научного оборудования, так, чтобы астронавты по прибытии уже имели готовую базу. Все это можно доставить на Марс медленным (ионным) буксиром. Когда-нибудь топливо будут производить на самом Марсе: либо диссоциацией атмосферной двуокиси углерода и смешиванием с доставленным с Земли водородом для производства метана и кислорода, либо же путем электролиза воды из вечной мерзлоты для производства жидкого водорода и кислорода. Посылая на Марс пустую взлетную ступень, которую можно будет заправить на месте, организаторы полета смогут заметно снизить вес космического корабля.
Относительное движение Земли и Марса позволяет астронавтам полтора земных года работать на поверхности планеты. Так что времени для разведки будет достаточно к моменту, когда планеты вернутся к удобной для возвращения конфигурации. Окончив работу на поверхности, астронавты загружаются во взлетную ступень, заправленную произведенным на месте топливом,
взлетают на около марсианскую орбиту, встречаются с межпланетным кораблем, уже использованным в экспедициях к астероидам, и возвращаются на Землю. Этот корабль вообще может совершать челночные полеты между Землей и Марсом, используя гравитационные маневры и почти не затрачивая топливо.
Даже с предварительной доставкой на планету оборудования аппарат для посадки и взлета с Марса будет очень тяжелым, и понадобятся самые мощные носители системы SLS для его запуска. Но первые межпланетные корабли можно собрать из небольших частей, запущенных легкими ракетами SLS или уже существующими. Рекомендуемый нами поэтапный подход должен сделать программу максимально гибкой и позволить NASA сконцентрироваться на решении действительно сложных проблем, таких как защита от радиации.
Сейчас у NASA есть отличная возможность переориентироваться на новый тип космических кораблей для межпланетных путешествий. Главная проблема состоит не в технических вопросах, а в том, как добиться наилучших результатов при минимальных финансовых затратах. Если NASA планирует непрерывно развивать технологии и осуществлять все более амбициозные проекты, то пилотируемые корабли смогут вырваться с низкой околоземной орбиты уже через 40 лет. А гибкое планирование позволит NASA проложить путь к далеким мирам.