Наука - Миссия «Луна»

Высота над планетой – 300 км. Четырехместный космический корабль подвешен между изогнутым дугой голубым горизонтом и усыпанным звездами космическим мраком. Мы медленно плывем на низкой околоземной орбите. Идет 2020 год, и мы присутствуем при вполне рутинной процедуре. Вдруг из кормы нашего корабля вырывается столб пламени – начинается маневр, который люди уже давно не совершали – эта попытка не повторялась ни разу при жизни большинства пребывающих сейчас на Земле людей. Рывок вперед, и корабль сходит с наезженной орбиты. Еще пять минут – и на скорости 40 000 км/ч корабль рвет гравитационные узы, соединяющие его с Землей, и устремляется в космический мрак.

Потребовалось 50 лет, чтобы пилоты прошлого века прошли путь от романтических шарфов и очков-консервов до первых отпечатков ботинок в пыли Моря Спокойствия. Чтобы вернуться на Луну, нам потребуется еще полвека. Корабль, который снова понесет к ней людей, представляет собой основу честолюбивого проекта, цель которого гораздо шире и значительнее, чем просто символические флажки, оставленные на Луне нашими предшественниками. Программа Constellation, запущенная агентством NASA для дальнейшего освоения космоса, должна привести к созданию долгосрочного форпоста на лунной поверхности – базы для экспедиции на Марс.

В 1992 году, когда прошел первое крещение Endeavour, пятый и последний космический челнок, в NASA приступили к обдумыванию нового поколения обитаемых космических кораблей. В 1996 году агентство выбрало компанию Lockheed Martin для разработки одноступенчатого орбитального космолета Х-33. Пять лет спустя технические сложности заставили отказаться от этого проекта. Тогда NASA перешло к менее претенциозному плану, названному «Орбитальный космический самолет» (OSP). Тем временем вторая катастрофа, случившаяся с космическим челноком, гибель корабля Columbia в 2003 году, подтолкнула агентство к полному переосмыслению стратегической программы. Так возникла новая концепция – «Пилотируемый исследовательский аппарат» (CEV).

В сентябре 2005 года, перебрав весь пакет первоначальных предложений, NASA огласило основной список конструктивных параметров. Публика, пристально следящая за развитием событий, была разочарована. Предложение компании Lockheed Martin, проект элегантного космического самолета, построенного по последнему слову техники, – все это было отброшено. Новый космический корабль было решено строить, используя только хорошо обкатанные технологии. Короткая и толстая капсула, напоминающая банку из-под тушенки, которую NASA выставило для всеобщего обозрения, на первый взгляд выглядела копией корабля Apollo из далеких 1960-х. Даже ракета-носитель компоновалась на базе элементов от нынешнего челнока и бустеров Saturn эпохи первых лунных полетов.

Полагаясь на уже существующие технические решения, разработчики стремились сократить срок между списанием последнего челнока в 2010 году и организацией следующей пилотируемой экспедиции. Это решение вызвало горячую дискуссию в аэрокосмическом сообществе. «Похоже, NASA решило, что если проект Apollo прошел без сбоев, то нужно просто воспроизвести его заново», – говорит Чарльз Лурио, консультант по космическим вопросам из Бостона. Берт Рутан, главный конструктор корабля SpaceShipOne, сравнил новый CEV с ископаемой окаменелостью. «Для того чтобы добраться до Марса и лун Сатурна, надо делать ставку на прорыв в технической области. Если же мы пойдем по пути, предложенному NASA, то не узнаем ничего нового».

В результате, как формулирует директор NASA Майкл Гриффин, получится «тот же Apollo, но раскормленный на стероидах». Аппарат Orion (новый CEV) будет иметь такую же коническую форму, как и Apollo. Правда, диаметр у него будет в полтора раза больше (около 5 м), а обитаемое внутреннее пространство более чем удвоится (10 м3). Таким образом, он сможет доставить шестерых астронавтов до орбитальной станции или четверых прямо до Луны.

Зато Orion продемонстрирует несколько новых фокусов – таких, как автоматическая стыковка без участия человека или способность автономного нахождения на лунной орбите в течение полугода. Вся бортовая электроника многократно дублирована (за основу взята авионика Boeing 787) и, даже несмотря на два одновременных отказа, сможет доставить аппарат на Землю. Планируется, что все электронное оборудование будет построено в концепции «открытой архитектуры», а это значит, что все его сегменты будет легко модернизировать и модифицировать.

Те или иные подробности касательно новой концепции CEV уже в течение года по каплям просачиваются в СМИ, хотя настоящая конструкторская работа только начинается. «Мы пытаемся охватить в своем сознании все возможные последствия принимаемых сейчас решений, – говорит Билл Джонс, ведущий инженер проекта Orion в компании Lockheed Martin. – Я ночами не сплю, пытаясь связать воедино все аспекты проблемы».

У астронавтов, летавших на космических челноках, не оставалось практически никаких шансов покинуть свой корабль в случае катастрофы. В момент старта они в буквальном смысле «ставили свою жизнь на кон». Orion будет установлен над ракетой-носителем, то есть в случае чего его хотя бы не завалит обломками. Возвращение к «вертикальной последовательной компоновке» позволит также реализовать систему аварийного спасения (LAS), когда в случае неприятностей вся капсула экипажа отстреливается и катапультируется на безопасное расстояние. По мнению агентства, одна только эта система сделает Orion в 10 раз безопаснее космического челнока.

Система LAS, натянутая подобно перчатке поверх капсулы экипажа, ориентирована на помощь в двух самых критических моментах – при отрыве от стартовой площадки и в точке «максимального Q», то есть в момент наибольшего аэродинамического сопротивления, который наступает примерно через минуту после старта на скорости в 2 Маха и на высоте примерно в 20 км.

В основе системы спасения лежит аварийный двигатель. При возникновении проблемной ситуации этот твердотопливный реактивный тягач с четырьмя соплами, размещенными в самом носу и направленными вниз и в стороны, автоматически включится. Он будет работать всего две секунды, но разовьет тягу в 225 тонн – больше, чем ракета-носитель Atlas, которая когда-то выбросила на орбиту Джона Гленна. В случае, если авария произойдет прямо на старте, этот короткий рывок с ускорением 15g сорвет Orion с верхушки всей конструкции, вынесет за пределы огненного ада (если взорвется носитель) и разгонит до скорости 1000 км/ч, подбросив на высоту 2 км. Тем временем восемь маневровых двигателей с помощью пары маленьких аэродинамических рулей отгонят Orion к востоку от мыса Канаверал прямо в открытый океан за 1,5 км от берега. На высоте 1200 м раскроются парашюты, и с их поддержкой аппарат мягко плюхнется в воду рядом с ожидающими наготове спасательными катерами.

Процедура спасения в точке «максимального Q» – дело несколько более рискованное. Здесь в игру вступает мощное аэродинамическое сопротивление, а ударная волна еще сильнее прижимает капсулу экипажа к расположенному за ней техническому отсеку. Тем не менее инженеры NASA уверены, что мощности спасательной системы хватит, чтобы уверенно увести капсулу. Затем Orion самостоятельно выровняется, упадет до уровня более плотных слоев атмосферы, а на высоте 7,5 км раскроются его парашюты.

Масса всей спасательной системы достигает 6,3 т, это около 2/3 от веса головного модуля. Это безумно дорого – особенно если речь идет о системе, которая, скорее всего, никогда не будет использована, а просто отстрелена после вывода на орбиту. Но гибель челнока Challenger заставляет NASA быть готовым платить за безопасность такую цену.

Трагедия челнока Columbia показала всем, что система тепловой защиты (TPS) на космическом корабле – это вопрос жизни и смерти. При возвращении в атмосферу космический корабль подвергается воздействию мощных тепловых потоков. При возвращении из экспедиции на Луну Orion вонзится в атмосферу на скорости почти 40 000 км/ч, а это на 40% выше, чем у челнока. Тепловой поток возрастет при этом в пять раз, а температура достигнет 2300⁰С.

Наиболее перспективный кандидат на роль теплозащиты – абляционный материал на основе фенольной смолы с наполнителем из углеродных волокон (PICA). Этот материал уже продемонстрировал свои достоинства при использовании на высоких скоростях. В прошлом году изготовленная из PICA тепловая защита смогла защитить космический аппарат Stardust, который возвращался от кометы Вильда-2 на скорости 46 000 км/ч. На сегодня это самая высокая скорость, с которой когда-либо возвращался на Землю аппарат из космоса. Тепловая защита корабля Orion будет по площади в 33 раза больше, ее придется компоновать из отдельных сегментов, что наверняка добавит свои, пока еще неизвестные сложности.

В отличие от керамических плиток, использованных на космических челноках, PICA и другие испытываемые сейчас теплоизоляционные материалы являются абляционными. Такие вещества не только осуществляют прямую теплоизоляцию, но и способствуют теплоотводу посредством нагрева и последовательного уноса за счет оплавления, испарения, разложения и химической эрозии раскаленного поверхностного слоя, теряя существенную часть собственной массы.

Если головной модуль Orion планируется использовать неоднократно, его теплозащитный экран придется полностью заменять перед каждым полетом. Это тоже ставит перед инженерами специфические задачи. Впрочем, здесь же открываются и новые возможности – более тонкий и более легкий экран можно будет ставить для менее ответственных операций – например, для возвращения с низких околоземных орбит. Пока еще не решено, какой будет система приземления, но в крайнем случае на финальной стадии остатки теплового экрана можно будет и сбросить – впрочем, это само по себе тоже не такая уж простая затея.

Apollo, как до того Gemini и Mercury, посадили прямо в воду. Посадка в воду предполагает необходимость задействовать многочисленный флот спасательных судов, кроме того, не радует и коррозионное воздействие на аппарат соленой морской воды. В результате сейчас NASA склоняется к варианту посадки на землю. В течение последних сорока лет такие российские космические аппараты, как спускаемая капсула корабля «Союз», уже раз сто успешно садились на твердый грунт, однако для NASA это совершенно новая территория.

Возвращение из лунной экспедиции с посадкой на американскую землю ставит перед разработчиками забавную проблему. Из соображений баллистики наиболее экономичный в энергетическом отношении путь – это коридор между 18-й и 28-й параллелями. Для того чтобы попасть на один из полудюжины полигонов, пригодных для приземления на западе Соединенных Штатов, Orion должен особым образом сманеврировать, изменив направление полета, а затем довольно долго «скакать», отталкиваясь от верхнего слоя земной атмосферы, подобно плоскому камешку, когда им пускают «блинчики» по поверхности тихого пруда.

Центр тяжести корабля будет несколько смещен в сторону от его оси симметрии, чтобы в процессе возвращения он выдержал небольшой наклон по отношению к набегающему потоку. Благодаря этому «углу атаки» должна возникнуть небольшая подъемная сила. Управляя креном, команда сможет контролировать направление этой подъемной силы, а значит, держать под контролем скорость спуска или подъема. Проскакав несколько тысяч километров по верхней кромке атмосферы, Orion доберется наконец до территории США.

«Все эти скачки – рискованное занятие, говорит Джонс из компании Lockheed. – Консерваторы, придерживающиеся установок программы Apollo, выражают по этому поводу большие сомнения». Впрочем, этот маневр уже был опробован пару раз в 1960-х во время возвращения советских беспилотных лунных зондов. Сейчас ученые имеют куда более точные представления обо всех силах, которые действуют на космический аппарат.

Пугает также возможная необходимость приземляться при сильном ветре или на пересеченную местность. В истории советской космической программы несколько раз случались промахи при посадке на грунт – иной раз они приводили к травмам у космонавтов. Для сравнения, проблемная ситуация при посадке на воду произошла только один раз – в спусковой капсуле второго аппарата Mercury преждевременно отстрелился люк, и астронавт Гэс Гриссом едва успел вылезти из тонущего аппарата.

Осознавая все эти сложности, большая часть инженеров все равно полагает, что посадка на сушу стоит того, чтобы рискнуть, поэтому этот сценарий выбран в качестве основного. Барри Мередит, руководитель программы Orion в Исследовательском центре NASA им. Лэнгли, добавляет: «Впрочем, мы не делаем ничего, что могло бы помешать развитию варианта с посадкой на воду. В конце концов, возможно, мы к этому еще вернемся».

Вода мягкая, земля жесткая. Вот корень проблемы, которая стоит перед NASA, – ведь подвешенный на парашюте аппарат должен хлопнуться об землю на скорости 30 км/ч. Отказавшись от идеи сформировать под брюхом корабля 40-сантиметровый энергопоглощающий «бутерброд» (для этого в космическом корабле не хватило места), теперь NASA рассматривает два альтернативных варианта.

Первый – тормозные ракеты (как на «Союзах») плюс тонкий энергопоглощающий слой (с его конструкцией еще не определились). Хотя система тормозных ракет неоднократно проверена на практике в российской космической программе, в стенах NASA идея установки таких ракет на Orion тоже вызвала дискуссии. Одна партия настаивает на том, что ракеты, как и в российском варианте, должны размещаться по периметру днища. Другие считают, что ракетам место на верхушке, где крепятся стропы парашюта. Пока побеждают первые.

«Тормозные ракеты – это решение весьма эффективное в плане экономии массы», – говорит Джеймс Корлисс, начальник отдела разработки системы приземления в проекте Orion. От четырех до шести твердотопливных тормозных ракет (общей массой всего 90 кг) включатся перед самым касанием земли и в течение полусекунды выдадут тягу в 16 т. В результате Orion должен буквально замереть над самой землей, а тонкий ударопоглощающий слой уже погасит последние остатки кинетической энергии.

Второй, менее популярный проект посадочной системы предполагает установку огромных воздушных подушек, которые надуваются сжатым азотом на высоте примерно 300 м над землей. Такая система была успешно использована в 2004 году для мягкой посадки одного из роверов NASA на поверхность Марса. В процессе подобного приземления аппарат, со всех сторон защищенный пневмоподушками, подскакивает несколько раз, как баскетбольный мяч, а потом замирает на поверхности.

Это вполне подходит для зондов, но не для пилотируемого корабля. В воздушных подушках корабля Orion нужно предусмотреть клапаны, которые при ударе частично выпускают газ. Тогда Orion не подпрыгнет, а мягко усядется на нечто, напоминающее слабо накачанный надувной матрац. Корлисс предполагает, что достаточно будет от шести до восьми цилиндрических или конических баллонов высотой примерно 120 см, укрепленных рядами под днищем аппарата.

Агентству NASA давно уже не давали покоя всевозможные волшебные сказки про грандиозные преимущества кораблей многоразового использования. Изначально предполагалось, что каждый космический челнок должен совершить по сотне полетов, и в какой-то момент NASA планировало организовывать по 60 экспедиций в год. Разумеется, этого не получилось. В один календарный год никак не выходило больше девяти запусков. В результате экономические преимущества этой концепции реализовать так и не удалось. Когда шаттлы наконец уйдут в отставку, общая сумма затраченных на них денег достигнет $115 млрд. Это означает, что каждый полет на челноке обошелся в среднем в почти $1 млрд. «Теперь пришло время крепко подумать и адекватно оценить, во что обойдется регулярная эксплуатация корабля в программе Orion», – говорит Джон Мередит, один из руководителей программы Orion в Исследовательском центре им. Лэнгли.

Что касается возможностей многоразового использования, Orion выглядит гораздо скромнее своего предшественника. Служебный модуль, тепловую защиту обитаемого модуля, систему аварийного спасения придется заменять после каждого полета. Возможно, система приземления частично выдержит многоразовое использование – это зависит от того, как дальше пойдет ее проектирование. Впрочем, спускаемая капсула корабля после профилактики должна быть пригодной для следующих полетов. Как полагает Джим Джеффри, главный аналитик и стратег программы Orion, если удастся использовать спускаемую капсулу хотя бы 5–10 раз, это приведет к экономии в 20–30% по сравнению с полностью одноразовой конструкцией.

Полный критический анализ проекта Orion назначен на июль 2009 года – с этого момента все технические решения будут считаться утвержденными и не подлежащими изменениям. А сейчас и вплоть до критического момента бурлит сложный и богатый процесс коллективного творчества – нескончаемые совещания, полуночные сеансы мозгового штурма, непрерывный стук по компьютерным клавиатурам, а также бурные дискуссии в курилках и рядом с автоматами газировки. «Прекрасное зрелище, – говорит Мередит, – когда одновременно работает столько ясных голов».

1. На первой стадии производится запуск беспилотной ракеты Ares V, выводящей на орбиту буксировочную ступень Earth Departure Stage (EDS) и лунный посадочный модуль. Главному двигателю, то есть пакету из пяти ракет RS-68 (они работают на жидком кислороде и жидком водороде), в течение двух минут помогает пара дополнительных бустеров вроде тех, которые разгоняют космические челноки. После того как прекращает работу главный двигатель, срабатывает EDS, добавляя последний толчок для вывода аппарата на орбиту.

2. Orion с четырьмя астронавтами на борту и пристыкованным служебным модулем. Первая ступень Ares I – твердотопливные ускорители, аналогичные разгонным блокам Ares V, сбрасывается после двух с половиной минут работы. Вторая ступень – водородно-кислородный J-2X, потомок движков ракет Saturn 1B и Saturn V, – выводит Orion на низкую околоземную орбиту

5. Новый посадочный модуль NASA (он будет называться Artemis) должен быть раза в два больше посадочного модуля системы Apollo. У него имеется воздушный шлюз. Кроме того, его можно будет использовать для беспилотных, чисто грузовых рейсов. Четыре двигателя на жидком водороде, построенные на базе RL-10 (используется сейчас в ракетах Centaur), обеспечивают спускаемый модуль тягой.

Верхняя, возвращаемая ступень десантного модуля, толкаемая единственным двигателем RL-10, отрывается от лунной поверхности, оставив спускаемую ступень, которую в дальнейшем можно будет использовать как платформу для какой-либо из построек. Экипаж перебирается в Orion и сбрасывает возвращаемую ступень десантного модуля, которой суждено в конце концов разбиться где-то на оборотной стороне Луны. Жидкостно-реактивный двигатель служебного модуля с тягой 3375 кг (он построен на базе орбитального маневрового двигателя космического челнока) толкает Orion в сторону Земли. После трех дней полета служебный модуль сбрасывается (его ждет кремация в верхних слоях атмосферы). Модуль экипажа, прикрытый теплозащитным экраном, вонзается в атмосферу, а затем спускается на парашюте до запланированной точки на территории США.

ПМ: Что бы вы посоветовали пилотам, собирающимся отправиться на Луну на новом корабле CEV Orion?
Олдрин: Чаще поглядывать в иллюминаторы и вообще славно провести время. Впрочем, надо быть начеку, если что-то пойдет не так. Нужно быть готовым к неожиданностям.
ПМ: Например?
Олдрин: К примеру, возможна потеря связи, в этом случае все навигационные хлопоты придется взять на себя. На Apollo мы брали на всякий случай ручной секстан. То же советую и пилотам Orion. Кроме того, нужно убедиться, что всегда есть хороший способ выйти на траекторию свободного возвращения (когда сила притяжения сама выведет корабль к Земле).
ПМ: А что насчет посадки на Луну?
Олдрин: Желательно иметь возможность аварийного прекращения посадки и возвратной стыковки с главным кораблем. Также нужно иметь план действий, если по возвращении возникнет проблема со стыковкой. В этом случае придется переходить в главный корабль через открытый космос, а это рискованное мероприятие, особенно если CEV будет двигаться в беспилотном режиме.
ПМ: Один момент в экспедициях Orion будет существенно отличаться от полетов Apollo – это торможение на границе атмосферы для посадки на территории США.
Олдрин: Меня этот способ немного тревожит. Если придется садиться на воду, окажутся ли в нужном месте спасательные корабли?
ПМ: А что вы думаете о планах NASA основать на Луне базу?
Олдрин: Я опасаюсь, что стоит построить базу, и мы завязнем в этом хозяйстве. Ведь лунная база должна обеспечиваться через коммерческие каналы, а NASA лучше бы занялось действительно важной задачей – полетом на Марс.

Хватит с нас следов на песке и символических флажков. На этот раз NASA собирается распорядиться на Луне по-хозяйски – здесь планируют построить долговременную научно-исследовательскую базу. Предполагается, что в 2020 году команды из четырех человек начнут регулярно посещать Луну, оставаясь там неделями и получая дополнительные грузы с помощью беспилотных грузовых рейсов. В 2024 году здесь уже должна действовать постоянная база, на которой астронавты будут, сменяясь, жить по полгода.

Лучше всего базу организовать вблизи от одного из полюсов – почти постоянный солнечный свет позволит иметь непрерывное энергопитание. NASA уже присмотрело участок на гребне кратера Шеклтона в зоне Южного полюса. Там есть и зоны, всегда пребывающие в тени, так что есть шанс найти воду (точнее, лед). Теоретически говоря, замерзшую воду можно преобразовать в кислород для дыхания экипажа и в кислородно-водородные компоненты для заправки ракет.

Лунный посадочный модуль, на котором астронавты переберутся с CEV на поверхность Луны, потом можно будет использовать в качестве универсального космического пикапа – чтобы возить грузы в беспилотном режиме. По поверхности планеты исследователи смогут передвигаться на вездеходах, в которых будет поддерживаться нормальное давление. Роботы будут превращать лунный грунт в воду, кислород и горючее.

Планы строительства лунной базы открыты для широкого обсуждения и могут быть изменены с учетом международного сотрудничества и пожеланий коммерческих партнеров. В 2030–2040-х лунная база станет предприятием, производящим топливо для экспедиций на Марс. Затем отработанные на Луне технологии можно будет использовать при строительстве форпоста на Марсе.