На Луне нельзя утонуть в пыли. А на Фобосе можно?

И.Лисов. НК.

Рис.1. Фобос. Кратер Стикни (слева вверху). Участок изображения 8.2x12 км, разрешение 12 м.

1998 г. NASA США опубликовало результаты исследования спутника Марса Фобоса с борта АМС Mars Global Surveyor (MGS).

С помощью камеры MOC получены снимки Фобоса с высоким разрешением. Один из них, сделанный 19 августа 1998 г. в 17:00 UTC на 501-м витке с расстояния около 1080 км, показан на рис.1. На рис.2, являющемся фрагментом предыдущего снимка, видны темные и светлые полосы, идущие от гребня ко дну на дальней стене кратера Стикни (Stickney). Это следы скатившихся внутрь (несмотря на мизерную силу тяжести, близкую к 1/1000 земной) камней. На рис.3. видно, что некоторые крупные камни частично погружены в грунт.

Рис.2 (слева). Фобос. Следы скатывания камней в кратере Стикни. Участок изображения 1.92x1.92 км, разрешение 4 м. Рис.3. Фобос. Камни размером до 50 м на гребне Стикни. Участок изображения 1.92x1.92 км, разрешение 4 м.

Вблизи гребня Стикни можно разглядеть желоба, обязанные своим происхождением той же катастрофе, в которой и появился сам кратер. Детали разного цвета указывают на неоднородный состав Фобоса.

Характер грунта Фобоса удалось установить благодаря полученным спектрометром TES инфракрасным спектрам. Этот прибор снял Фобос 7, 19 и 31 августа с расстояний 1045-1435 км, достаточно больших для того, чтобы получить «глобальный» спектр спутника. Зарегистрирован сильнейший перепад температур между освещенными и теневыми участками поверхности: по предварительным данным, температуры изменяются от -4 до -112°C. Близкое соседство участков с резко отличающейся температурой в сочетании с отсутствием атмосфер и быстрым вращением Фобоса (период около 7 часов) говорят о высокой скорости нагрева и остывания грунта. Научный руководитель эксперимента TES д-р Филип Кристенсен (Philip Christensen, Университет штата Аризона) сделал отсюда вывод, что поверхность Фобоса покрыта слоем тончайшей пыли толщиной, по крайней мере, один метр – ведь пылинки нагреваются и остывают очень быстро. Пыль, очевидно, образовалась в течение миллионов лет метеоритной бомбардировки.

С помощью TES были также впервые получены глобальные ИК-спектры Земли и Марса. Спектр Земли оказался наиболее сложным благодаря содержащимся в атмосфере углекислому газу, озону и водяному пару. На Марсе выявлен только углекислый газ.

Информация о некоторых съемках, результаты которых были опубликованы в период с 20 июля по 19 сентября, приведена в таблице. Два снимка приведены на рис.4 и рис.5.

Полет АМС Mars Global Surveyor

C.Карпенко. НК.

23 сентября, на 573-м витке вокруг Марса, АМС Mars Global Surveyor возобновил аэродинамическое торможение в марсианской атмосфере. Как следствие, прекратились съемки Марса и поступление новых фотографий.

Первый этап аэродинамического торможения MGS прошел в сентябре 1997-марте 1998 гг. C 27 марта КА находился на временной эллиптической орбите, высота которой на 23 сентября составила: в апоцентре (наиболее удаленной от поверхности Марса точке) 17854 км, в перицентре (наименее удаленная точка) 171.4 км. С этой орбиты выполнялись все съемки и другие наблюдения, результаты которых публиковались, в частности, нашим журналом.

Американская межпланетная станция Mars Global Surveyor (MGS), запущенная 7 ноября 1996 г., с 11 сентября 1997 г. находится на орбите спутника Марса. Цель миссии – передача на Землю глобальных и детальных изображений поверхности Марса с целью картографирования и выбора мест посадки будущих пилотируемых и автоматических экспедиций. По состоянию на 23 сентября 1998 г., расстояние от Земли до аппарата 343.04 млн км. Все системы работают нормально.

Второй этап торможения начался с задержкой. Тормозной импульс планировалось выдать 14 сентября. Перед этим аппарат законсервировали – выключили всю научную аппаратуру, кроме термоэмиссионного спектрометра и магнитометра и начали проверку служебных систем. Но тестирование запасного приемника команд в режиме работы через антенну низкого усиления затянулось, и коррекцию перенесли на 17 сентября.

Перед включением ДУ необходимо подкорректировать ориентацию обеих солнечных батарей КА на Солнце. После выдачи соответствующих команд развернулась только одна батарея – как оказалось, в программе планирования ориентации была ошибка. В результате резко упал приход электроэнергии, и АМС переключилась на бортовые аккумуляторы. Вскоре они разрядились до такой степени, что за два часа до расчетного времени маневра бортовая программа прервала выполнение штатной программы и переключила КА в режим защиты от сбоев. В этом режиме работают только жизненно важные системы и поддерживается солнечная ориентация КА.

Данная ситуация не угрожала потерей аппарата, хотя резкие скачки электропитания представляли для него потенциальную опасность. «Мы сможем зарядить батареи до конца сегодняшнего дня, и включение ДУ осуществить 23 сентября», – сказал в тот же день руководитель группы управления миссий к Марсу и менеджер проекта Mars Global Surveyor Гленн Каннингэм (Glenn E. Cunningham).

Уже 20 сентября в 23:00 PDT на борт КА была выдана команда восстановить ориентацию с использованием звездных датчиков. 21 сентября в 20:30 PDT аппарат вернулся в нормальный режим ориентации, когда его главная антенна HGA направлена на Землю.

23 сентября в 11:11 PDT (18:11 UTC), вблизи апоцентра, с помощью главной ДУ аппарата был выдан тормозной импульс длительностью 14.8 сек (расчетная – 13.6 сек), уменьшивший скорость аппарата на 11.62 м/с. В результате маневра высота перицентра снизилась со 171.4 км до 127 км. Высота апоцентра составила 17836 км, период – около 11.6 час.

В тот же день приблизительно в 18:30 PDT КА «окунулся» в верхние слои атмосферы Марса, где за счет сил аэродинамического сопротивления его скорость немного уменьшилась. Аппарат будет «чиркать» по атмосфере на каждом витке до середины февраля 1999 г., и каждый раз будут уменьшаться скорость в перицентре, высота апоцентра и период обращения.

После завершения второго этапа торможения MGS должен находиться на круговой орбите высотой 378 км и периодом обращения 2 час. Начать научные исследования с этой орбиты предполагается с апреля 1999 г.

По сообщениям группы управления КА и Лаборатории реактивного движения.

Станции готовятся к старту: Mars Surveyor'98

Продолжаются испытания орбитального и посадочного аппаратов Mars Climate Orbiter (MCO) и Mars Polar Lander (MPL) по программе Mars Surveyor'98, которые с 1999 г. предполагается совместно использовать для комплексных исследований атмосферы, состава поверхности и геологии Марса.

С.Карпенко. НК.

Mars Climate Orbiter

11 сентября самолетом C-17 ВВС США станция Mars Climate Orbiter (MCO) была доставлена с завода Lockheed Martin Astronautics в Денвере на испытательную базу Космического центра имени Кеннеди (KSC), где будут проведены ее окончательные испытания и сборка в составе РН.

Заключительный этап заводских испытаний КА проходил следующим образом:

17 июля была откалибрована и снова установлена на борт аппарата цветная камера Mars Color Imager (MARCI).

7 августа на радиометр PMIRR был установлен собранный оптический прерыватель.

15 августа без замечаний завершилось испытание пассивного фиксатора панели солнечной батареи. Это устройство должно фиксировать батарею при каждом входе в атмосферу Марса во время аэродинамического торможения.

НОВОСТИ

По сообщению JPL от 17 сентября, Национальное географическое общество США предоставит всем государственным и частным школам страны (всего более 100000 школ) двустороннюю карту мира размером 1.2x1.8 м. Одна сторона представляет собой политическую карту мира по состоянию на июнь 1998 г. На второй приведено цифровое изображение (физическая карта), составленное из более чем 500 спутниковых снимков, обработанных и «сшитых» в единую картину средствами Группы картографических применений Лаборатории. Выпуск карты приурочен к началу нового тысячелетия, но она поступит в школы в течение шести недель. Карта также может быть приобретена за 39.95$. – И.Л.

21 августа на аппарат были установлены аккумуляторные батареи.

С 19 по 26 августа была проведена серия проверок КА на разных этапах работы: аэродинамическое торможение (19 августа), съемок Марса (22 августа), запуска и перехода на трассу перелета (26 августа). Во время теста 22 августа произошла перезагрузка бортового компьютера. Такие сбои происходили и раньше, но впервые удалось смоделировать отказ в Лаборатории испытаний КА и найти вероятную причину.

1 сентября была проведена балансировка КА в чистой комнате (в воздушной атмосфере и в вакууме).

Уже после станции, 16 сентября, в Центр Кеннеди был доставлен модуль распределения и контроля мощности (PDDU). В блоке PDDU, стоящем на КА, оказались поврежденными «стеклянные» диоды. Его сняли, отправили изготовителю, заменили поврежденные элементы, и 19 сентября вновь установили на КА.

21 сентября впервые после доставки во Флориду на аппарат было подано электропитание. Проверочное включение имело целью убедиться, что КА нормально перенес перевозку и замену PDDU.

23-24 сентября была проведена функциональная проверка двигательного модуля реактивной системы управления (RCS). Начата подготовка к заправке аппарата топливом (гидразином и азотным тетраксидом).

После заправки КА пристыкуют к твердотопливному разгонному блоку Star 48. Затем КА и РБ пройдут балансировку.

Запуск КА Mars Climate Orbiter назначен на 10 декабря 1998 г. в 13:56 EST (18:56 UTC).

Сборка РН будет выполнена прямо на стартовом столе SLC-17A. Первую ступень планируется установить 29 октября, после того как уйдет со старта (или уступит свою очередь MCO) станция DS1. Твердотопливные ускорители будут пристыкованы к первой ступени 2 ноября, а 4 ноября установят вторую ступень.

30 ноября на стартовый комплекс будет доставлен КА вместе с разгонным блоком. Его установят на второй ступени и 3 декабря закроют обтекателем.

Mars Polar Lander

Неприятности при испытаниях посадочного аппарата в рамках подготовки к запуску продолжаются.

В середине июля один из специалистов ошибочно подстыковал источник питания к информационному кабелю предстартовой подготовки. Последующий анализ показал, что аппарат выдержал это незапланированное «испытание». На время расследования испытания, для которых необходима подача питания на КА, были приостановлены. Были уточнены правила проведения работ и увеличена численность контролирующего персонала.

К 24 июля была завершена разработка программного обеспечения аппарата.

Испытания и сборка продолжались в следующем порядке. 21 июля на КА было подано питание и успешно проведена проверка систем на электромагнитную совместимость. Успешно проведен первый системный тест КА на этапе работы на поверхности Марса.

26 июля откачкой воздуха из барокамеры начались термобалансные испытания аппарата. С 29 июля по 2 августа проведены испытания посадочной конфигурации КА с пассивной СТР. Отклонения реальной температуры от расчетной не превысили 3°C.

К 14 августа была успешно проверена последовательность входа в марсианскую атмосферу, спуска и посадки аппарата на поверхность планеты.

Во второй половине августа КА был собран в перелетной конфигурации и готов к проведению термовакуумных испытаний. К 26 августа КА был состыкован с перелетной ступенью и хвостовым обтекателем, затем установили и лобовой экран.

29 августа аппарат был помещен в барокамеру, а с 1 по 5 сентября успешно прошел термовакуумные испытания. На этом тесты, имитирующие реальные условия перелета, завершились.

К 18 сентября с использованием полетного программного обеспечения успешно проверена работа аппарата на этапе перелета и коррекции траектории. 18-21 сентября аппарат прошел балансировку и системные испытания входа в атмосферу Марса, спуска и посадки.

15 сентября по результатам выходного контроля было принято решение осмотреть блок команд и обработки данных (C&DH), а также модуль распределения мощности PDDU и заменить поврежденные стеклянные диоды. 22 сентября блоки PDDU и C&DH были сняты. В первом было найдено два дефектных диода из 496, во втором – четыре из 48. Это гораздо меньше, чем ожидалось. 7 октября ремонт блоков должен завершиться.

Отправка аппарата на KSC планируется на 1 октября. Запуск КА Mars Polar Lander должен состояться 3 января 1999 г.

По сообщениям руководителя проекта.

И.Лисов. НК.

14-16 сентября 1998 г. в Институте космических исследований РАН состоялось международное совещание под названием «Экспедиция к Марсу», организованное РКК «Энергия», ИКИ РАН и Планетарным обществом США.

Казалось бы, трудно было выбрать для этого более неподходящее время и место. Всерьез обсуждать перспективы пилотируемой марсианской экспедиции в России в дни жестокого кризиса? Но не нужно, наверное, подходить к проекту марсианской экспедиции с позиций сегодняшнего дня. У нас или в США, она все равно невозможна без политического решения, которое с тем большей вероятностью будет положительным, чем более обоснованными и менее дорогостоящими будут предложения разработчиков и ученых. А значит, совещание в ИКИ прошло не зря. Ведь проекты, как российские, так и американские, находятся на сугубо предварительном этапе разработки. И взаимное ознакомление авторов с работами друг друга, их прямой диалог помогают и нашим, и американцам «нащупать» оптимальные варианты.

В совещании участвовали главным образом российские специалисты из «Энергии», ИКИ, ИМБП, Центра Келдыша и других фирм – всего около 50 человек. (Бросилось в глаза отсутствие представителей Центра Хруничева.) На открытие приехали известные российские космонавты Александр Полещук и Сергей Крикалев и еще не летавший американский астронавт Дэн Бёрбанк. Участников от США, Германии, Японии и Украины можно было пересчитать по пальцам.

Изложить подробно все выступления, разумеется, невозможно. Придется ограничиться очень кратким обзором основных тем и подробным изложением трех наиболее интересных докладов. Авторы еще нескольких интересных сообщений дали обещание рассказать о них в следующих номерах НК.

Итак, Генеральный директор и генеральный конструктор РКК «Энергия» имени С.П.Королева Юрий Павлович Семенов, а затем Исполнительный директор Планетарного общества США Луис Фридман (Louis D. Friedman) обратились к участникам со вступительным словом. Два основных доклада с подробным изложением предлагаемых сценариев марсианской экспедиции сделали на утреннем заседании 14 сентября Леонид Алексеевич Горшков (РКК «Энергия») и Даглас Кук (Космический центр имени Джонсона NASA). Доклады об экспериментальных работах, проведение которых предшествует пилотируемой экспедиции на Марс и является необходимым для ее осуществления, представили Луис Фридман (15 сентября) и Вячеслав Георгиевич Родин (ИКИ, 16 сентября).

С.Н.Обухов (ЦНИИ Маш) изложил концепцию орбитальной базово-монтажной станции для сборки и испытаний марсианского комплекса и послеполетного карантина космонавтов. О проектах марсоходов и буровой установки для обеспечения марсианской экспедиции сообщил В.В.Громов (ВНИИ Трансмаш). Частные вопросы аэродинамики аппаратов для посадки на Марс и Землю осветили в своих докладах М.Н.Казаков, О.А.Ногов и В.Г.Соболевский (ЦНИИ Маш). Профессор Ясунори Матогава (Космический центр Кагосима, Япония) рассказал о межпланетных проектах ISAS.

В.Ф.Семенов (Исследовательский центр имени М.В.Келдыша) изложил отличный от «энергиевского» проект марсианской экспедиции, проработка которого ведется в созданном под эгидой Минатома РФ Международном научно-технологическом центре с участием специалистов Центра Льюиса NASA, компании Rocketdyne и CNES.

Медицинскому обеспечению экспедиции, включая радиационную безопасность экипажа, было посвящено целиком утреннее заседание 15 сентября.

О возможной научной программе марсианской экспедиции и конкретных задачах работающих на поверхности космонавтов рассказали Василий Иванович Мороз (ИКИ) и А.Т.Базилевский (ГЕОХИ РАН). Поиск прошлой и современной жизни на Марсе – это стержневая проблема, решить которую призвана пилотируемая экспедиция. Однако, как сказал В.И.Мороз, необходимость высадки космонавтов на поверхность Марса не следует только из научных задач. С этой точки зрения достаточно эффективна работа на поверхности автоматов, которыми экипаж управляет с орбиты спутника Марса, а стоимость такой программы была бы в несколько раз ниже. Тем не менее, отметил В.И.Мороз, пилотируемая экспедиция все равно нужна с точки зрения прогресса человечества и гарантии от космической катастрофы.

Руслан Олегович Кузьмин (ГЕОХИ) описал возможные районы посадки пилотируемого корабля на равнине Хриза и в долине Элизиум. Леонид Васильевич Ксанфомалити (ИКИ) дал обзор доводов «за» и «против» следов жизни в марсианском метеорите ALH 84001.

Философские аспекты марсианской экспедиции обсуждались вечером 14 сентября. За долгим и показавшимся не совсем уместным обзором истории астрологии и астрономии В.И.Аксфорда (ФРГ) последовало интересное сообщение Б.М.Владимирского (Крымская астрофизическая обсерватория) о «космической» литературе, музыке и живописи, сформировавших в России в начале XX века атмосферу большого общественного интереса к проблеме межпланетных путешествий. Запомнился отличный доклад главного редактора журнала «Вопросы философии» Владислава Александровича Лекторского о философских концепциях Федорова, Циолковского и Вернадского.

16 сентября, перед закрытием совещания, Николай Францевич Санько (РКА), подчеркнув, что выступает как частное лицо, предложил организовать специализированное элитарное учебное заведение лицейского типа для подготовки в течение примерно 20 лет международной группы одаренных учащихся в качестве будущих участников марсианской экспедиции и руководителей национальных космических программ.

Проект РКК «Энергия»

Итак, Л.А.Горшковым был представлен проект пилотируемой марсианской экспедиции РКК «Энергия», основанный на опыте более чем 30-летних исследований «королёвской» фирмы. Некоторая информация о предшествующих проектах 1960, 1969, 1986 и 1989 гг. дана в фундаментальной истории «Энергии» (РКК «Энергия» имени С.П.Королева, 1996, сс.279-281). Проект является инициативной разработкой, не утвержденной на уровне РКА. «Однако, – сказал Леонид Алексеевич в беседе с корреспондентом НК, – если будет Россия делать корабль, то будет делать РКК «Энергия», вроде другого нет... Мы для себя это решение приняли и двигаться будем... Все равно, на десять лет раньше, на десять лет позже, но человек полетит на Марс.»

Начальной точкой практически любого проекта марсианской экспедиции является сборка на околоземной орбите, а облик комплекса определяется средствами для выполнения основных динамических операций – разгона и выхода на траекторию перелета к Марсу, посадки на Марс и старта с Марса, перехода на траекторию полета к Земле и посадки на Землю. Очевидно деление марсианского комплекса на посадочный аппарат для высадки на планету, жилой модуль и двигательную установку.

Л.А.Горшков

Выбор из возможных вариантов построения комплекса делался при учете следующих основных критериев: обеспечение безопасности экипажа, стоимость, исследовательские возможности экспедиции и перспективность разработанных технических решений для других проектов. По мнению докладчика, оптимальный по этим критериям вариант имеет наибольшую вероятность реализации.

По степени своего влияния на облик корабля и всей программы наиболее существенны решения о выборе двигательной установки, обеспечивающей межпланетный полет, носителя для доставки компонентов комплекса на орбиту ИСЗ и сценария миссии. Приняв их, можно рассматривать такие вопросы, как численность экипажа, конфигурация посадочного корабля и т.п.

Как сказал Л.А.Горшков, класс ДУ для межпланетного перелета был, по существу, выбран еще в 1960-е годы – это электрореактивная ДУ (ЭРДУ). Использование ДУ с ЖРД в силу их низкого удельного импульса влечет рост начальной массы комплекса, да и надежность ЖРД оставляет желать лучшего. Ядерный ракетный двигатель менее эффективен, чем ЭРД, и мало приемлем с точки зрения политической.

В качестве источника энергии для ЭРДУ в проекте РКК «Энергия», начиная с 1989 г., рассматривается не ядерный реактор, а солнечные батареи. Не исключено также использование солнечных газотурбинных установок.

При использовании ЭРДУ необходимая начальная масса комплекса получается порядка 400 тонн. Наилучшим вариантом по носителю было бы использование РН класса «Энергия» – для сборки комплекса нужно только пять пусков этого носителя и четыре стыковки, причем такой сложный объект, как марсианский посадочный аппарат со взлетной ракетой, выводится за один пуск. Использование примерно 20 носителей тяжелого класса («Протон», «Ангара») менее удобно. В то же время, как отметил Л.А.Горшков, речь не идет о том, что для осуществления проекта нужно возобновить производство «Энергии». Если будет принято решение о разработке тяжелой ракеты, это будет не «Энергия» и не Saturn 5.

Марсианский комплекс состоит из солнечного буксира массой 210-250 т с запасом рабочего тела 160 т, жилого (орбитального) модуля массой 80 т и посадочного аппарата массой около 60 т. В состав последнего входит взлетная ракета массой около 25 т. Жилой модуль включает в себя радиационное убежище с каютами членов экипажа, средства жизнеобеспечения и завод по производству пищи, командный пост и аппаратуру управления полетом, привода солнечных батарей, шлюзовую камеру. В состав солнечного буксира входят центральный модуль, топливный модуль с баками рабочего тела (ксенон), панели с большим количеством двигателей, многократно резервированных, система управления ЭРДУ. Солнечные батареи расположены в форме ромба со стороной 400 м и строятся на основе ферм с пленочными фотоэлектрическими преобразователями.

Пилотируемый марсианский комплекс РКК «Энергия»: 1 – солнечные батареи: 2 – солнечный буксир ; 3 – жилой модуль: 4 – посадочный аппарат.

Один из вариантов посадочного аппарата

Сборка марсианского комплекса выполняется автономно, без использования в качестве базы той или иной орбитальной станции. Первым на орбиту выводится жилой блок, на который транспортными кораблями доставляются сменные экипажи сборки и испытаний. В течение нескольких месяцев последовательно запускаются элементы солнечного буксира, последним доставляется марсианский посадочный аппарат. Экипажи сборки и испытаний развертывают батареи солнечного буксира и проводят испытания комплекса, а затем прибывает экипаж марсианской экспедиции (четыре человека).

Разгон с орбиты ИСЗ по спиральной траектории до отлетной скорости выполняется с помощью ЭРДУ в течение примерно трех месяцев. В течение примерно 20 суток, когда комплекс проходит через радиационные пояса, экипаж укрывается в радиационном убежище. Для выхода на орбиту спутника Марса и отлета к Земле также используется солнечный буксир. Для схода посадочного аппарата с орбиты, а затем для старта взлетной ракеты используются ЖРД. При подлете к Земле с помощью солнечного буксира выполняется выход на орбиту ИСЗ, на которой экипаж проходит карантин. После этого буксир, за исключением фотоэлектрических преобразователей солнечных батарей, может быть использован повторно.

Сотни подобных двигателей будут установлены на солнечном буксире

С технической точки зрения разработчики не видят препятствий к осуществлению проекта. Значительная часть элементов комплекса и предлагаемых решений отработана. Разработана сверхтяжелая РН, отработаны технология автоматической стыковки, развертываемые ферменные конструкции, системы жизнеобеспечения, прототип системы управления. Имеется опыт полета человека длительностью до 14.5 месяцев и опыт лунной экспедиции.

Проверка воздействия факторов космического полета на тонкопленочные солнечные батареи запланирована в ближайшем полете грузового корабля «Прогресс М-40» в октябре 1998 г. Батареи изготавливаются из аморфного кремния на подложке из легированной стали толщиной 20 мкм. Они примерно в 10 раз дешевле традиционных, а аморфный кремний значительно менее чувствителен к радиации, чем кристаллический, и по расчетам должен выдержать разгон в радиационных поясах.

В качестве ЭРД рассматриваются двигатели с анодным слоем разработки ЦНИИМаш, которые не требуют использования электрических преобразователей. Летная отработка таких двигателей запланирована на экспериментальном КА «Модуль-М», запуск которого планируется на ТКГ «Прогресс М» №242.

Новой разработкой является марсианский посадочный аппарат. Пока рассматриваются варианты с аэродинамическим качеством 0.3-0.5, 0.5-1.0 и 1.0-1.5. Для электропитания посадочного аппарата могут использоваться солнечные батареи или электрохимические генераторы.

Работы по осуществлению марсианской экспедиции осуществляются в три фазы. На первой, в 1999-2005 гг., на базе станции «Мир» и российского сегмента МКС отрабатывается использование электрореактивных ДУ (проекты «Модуль-М», «Модуль-М2» и «Марс-Модуль»). «Марс-Модуль» представляет собой масштабный прототип пилотируемого корабля. Эти прототипы должны подтвердить закладываемые в проект принципы и – дополнительно – принести научную информацию.

На втором этапе, в 2010-2012 гг., проводится генеральная репетиция марсианской экспедиции в беспилотном варианте. Служебный (орбитальный) модуль не включается в состав комплекса – он отрабатывается в пилотируемом режиме на орбите ИСЗ. Вместо него к Марсу отправляется второй посадочный аппарат. Первый посадочный аппарат заберет образцы марсианского грунта и вернет их на Землю. Второй вместо взлетной ракеты будет нести полезную нагрузку, в качестве которой рассматривается комплект из десяти марсоходов массой по 1.5-2 тонны с большим радиусом действия. Они могли бы пройти по разным трассам и выполнить огромный объем научных исследований.

Солнечный буксир: 1 – панели с двигателями; 2 – топливные модули с баками рабочего тела; 3 – центральный модуль; 4 – крепления солнечных батарей.

На третьем этапе реализуется первая пилотируемая экспедиция, старт которой может быть осуществлен в 2015 г., а длительность составит два года. Если в ее задачи не будет включено развертывание марсианской базы, длительность работы экипажа на поверхности Марса составит от 7 до 30 суток. Если на этапе беспилотных исследований выяснится, что такая база (или радиационное убежище) необходима, ее оборудование может быть доставлено одновременно с марсоходами, а первая пилотируемая экспедиция продлится дольше.

Уязвимым местом проекта Л.А.Горшков считает те шесть месяцев, когда комплекс разгоняется и тормозится у Земли, а экипаж получает определенную дозу радиации. Однако использование для разгона и торможения у Земли вместо ЭРДУ жидкостных двигателей вызывает рост начальной массы комплекса вдвое с еще более значительным ростом стоимости. Рассматривается вариант посадки СА с экипажем на Землю с подлетной траектории для уменьшения дозы облучения.

Вопрос о политической и экономической осуществимости данного проекта на совещании не рассматривался. Не был даже задан вопрос о его расчетной стоимости. Не время сейчас для таких вопросов.

Проект Центра Джонсона

Проект Центра Джонсона, в отличие от «энергиевского», не может похвастать тридцатилетней традицией. Его разработчики молоды и по-хорошему нахальны. Они заложили в проект по крайней мере три новшества: производство топлива на Марсе из местных ресурсов, использование для выхода на орбиту аэродинамического торможения и применение надувных жилых отсеков. Плюс к этому – солнечный электрический буксир. Как и «Энергия», отдел Кука выбрал электрическую тягу вместо ядерной, хотя последняя и была более выгодной с точки зрения массы. Насколько эти и другие ухищрения снижают массу марсианского комплекса на низкой околоземной орбите? По оценкам разработчиков, использование ЭРД дает снижение массы на 55%, аэродинамическое торможение – на 40-45%, использование местных ресурсов – на 21–25%. Вместе взятые, эти три решения сокращают массу комплекса на низкой орбите на 68% по сравнению с вариантом с ЖРД на всех ступенях. Надувные конструкции дают 25-процентное снижение массы жилых модулей. Замкнутый цикл жизнеобеспечения также дает экономию в 25%.

Но для реализации пилотируемой экспедиции с такими техническими решениями требуется огромный объем предварительных испытаний, которые предполагается провести в пусках к Марсу автоматических КА. По сути речь идет об интеграции двух программ – беспилотной и пилотируемой. На совещании было прочитано два согласованных доклада на эту тему. Луис Фридман (Louis D. Friedman) изложил план и задачи беспилотных пусков к Марсу, а руководитель Отдела исследований Космического центра имени Джонсона Даглас Кук (Douglas R. Cooke) – возможные сценарии пилотируемой экспедиции. «Точка стыковки» двух программ и двух докладов – доставка марсианского грунта, которая является необходимым условием планирования пилотируемой экспедиции.

Доставка грунта

Если программа беспилотных исследований Марса, вплоть до доставки в 2008 г. образцов грунта, утверждена, то эксперименты в интересах пилотируемой марсианской экспедиции внесены пока лишь в программу пуска посадочного аппарата 2001 г. (НК №7, 1997). Это эксперименты по производству кислорода из марсианских ресурсов, по измерению уровней радиации и по изучению физико-химических свойств грунта. В 2001 г. запланирован также пуск орбитального аппарата для исследования минералогии поверхности Марса.

Задачу по доставке марсианского грунта NASA планирует решить с участием французского Национального центра космических исследований (CNES) и Итальянского космического агентства (ASI). Степень участия иностранных партнеров еще не согласована, поэтому план пусков на 2003 и последующие годы носит предварительный характер. Отработка средств пилотируемой экспедиции проводится в ходе решения задачи по доставке грунта.

Даглас Кук

Наиболее вероятным представляется следующий сценарий. В 2003 г. на поверхность должны быть доставлены посадочный аппарат (ПА) и марсоход Athena для сбора образцов грунта. В 2005 г. планируется запустить еще один марсоход для сбора грунта и комплекс для его доставки на Землю. Кроме того, в 2003 и 2007 гг. предполагается запустить на орбиту спутника Марса спутники-ретрансляторы с высокой пропускной способностью.

Для пуска в 2003 г. ПА и марсохода используется РН Delta 3, или аналогичные ей по характеристикам Atlas 3A, или японская H-2A. В 2005 г. на РН Ariane 5 запускаются орбитальный аппарат (ОА) и ПА с марсоходом. Каждый из марсоходов выполняет сбор образцов общей массой до 500 г (от 3 до 100 образцов массой 1-100 г), включая осадочные и изверженные породы, отложения, «почву» и образцы атмосферы. Взлетные аппараты (MAV – Mars Ascent Vehicle) доставляют их к орбитальному аппарату, который направляется к Земле. Возвращаемые капсулы обеспечивают доставку образцов грунта на Землю в 2008 г. Герметичная упаковка и/или стерилизация образцов выполняется в полете.

Отметим, что эта программа выполняется в рамках годового бюджета в 280-320 млн $.

Двухпусковой цикл может быть повторен с теми или иными изменениями в 2007-2009 и 2011-2013 гг. Параллельно в астрономические окна 2005 и 2009 гг. планируются попутные пуски на Ariane 5 к Марсу малых исследовательских аппаратов.

Предполагается, что CNES предоставит носитель Ariane 5 и разработает орбитальный аппарат комплекса для доставки грунта. Вклад ASI – это устанавливаемое на марсоход устройство для бурения и ретрансляционная аппаратура. Если использовать РН Ariane 5 окажется невозможно, программа 2005 г. может быть выполнена в двух пусках РН класса Delta 3, на одной из которых запускается орбитальный аппарат.

Возвращаемый аппарат 2003 г. будет разрабатываться с твердотопливной ДУ. Если опыт производства кислорода в пуске 2001 г. окажется успешным, на посадочном аппарате 2003 г. будет проведена полная демонстрация «использования местных ресурсов». В 2005 г. может быть применен взлетный аппарат с ЖРД, который либо будет заправлен на Земле долгохранимым топливом «марсианского» типа, либо уже на Марсе – произведенными на месте компонентами. На посадочных аппаратах этого этапа должны быть также отработаны встреча и стыковка на орбите спутника Марса, хранение криогенных компонентов и энергосистема киловаттного класса.

Ракета-носитель «Магнум» с теплозащитными «санками»

План марсианской экспедиции

Теперь рассмотрим сценарии пилотируемой марсианской экспедиции. В качестве базового носителя рассматривается РН Magnum с грузоподъемностью порядка 80 тонн. В ее состав входят центральный блок (на основе внешнего бака шаттла) с тремя двигателями SSME и два стартовых жидкостных возвращаемых ускорителя, которые могут быть разработаны в ходе модификации транспортной системы Space Shuttle. Изюминкой конструкции носителя является использование донной теплозащиты запускаемых марсианских модулей в качестве составного элемента головного обтекателя РН. Используя этот щит, так называемые «санки» (ellipsled), модули могут садиться на поверхность Марса или выполнять торможение в атмосфере планеты для выхода с пролетной траектории на орбиту (аэродинамический захват).

Солнечный буксир многократного использования (SEP) выводится одной РН Magnum. Буксир имеет тонкопленочные солнечные батареи максимальным размахом 185 м, общей площадью 7100 м² и выходной электрической мощностью 800 кВт. Буксир и остальные компоненты доставляются и собираются на низкой орбите – возможно, но не обязательно, на орбите МКС. Буксир SEP используется только для разгона с низкой околоземной орбиты до высокоэллиптической в течение 9-12 месяцев. Чтобы избежать длительного нахождения экипажа в радиационных поясах, экипаж подсаживается с транспортного корабля уже на высокоэллиптической орбите. Переход с высокоэллиптической орбиты на трассу перелета к Марсу осуществляется на ДУ с ЖРД, после чего SEP возвращается «своим ходом» на низкую околоземную орбиту. Так как возвращение с Марса обеспечивается ЖРД, американская экспедиция остается жестко привязанной к оптимальным астрономическим срокам. Рассматривается два варианта схемы экспедиции. Условно их можно назвать двухпусковым и однопусковым, если под пуском понимать разгон с помощью солнечного буксира.

Теплозащитные «санки» с комбинированным посадочным модулем

В двухпусковой схеме в первом пуске к Марсу отправляются возвращаемый жилой модуль (Return Habitat RH) и ракетный блок для разгона с марсианской орбиты (Trans Earth Injection, TEI), которые выводятся путем аэродинамического захвата на эллиптическую орбиту с периодом 1 марсианские сутки. Одновременно комплекс в составе возвращаемого аппарата (Mars Ascent Vehicle, MAV), аппаратуры для производства компонентов топлива, аппаратуры для научных исследований и ядерного источника питания садится на поверхность с подлетной траектории. Во втором пуске идет жилой модуль с экипажем. (Для радиационной защиты экипажа на этапе перелета используется слой воды. Искусственная тяжесть не предусматривается.) Модуль с экипажем выходит на орбиту спутника Марса путем аэродинамического захвата, а затем спускается на поверхность. На возвращаемом аппарате экипаж выходит на орбиту и стыкуется с возвращаемым жилым модулем. Для старта к Земле используется ЖРД блока TEI. Модуль RH выходит на низкую околоземную орбиту аэродинамическим захватом, а экипаж снимается с него и доставляется на Землю шаттлом.

В рамках сценария, известного как опция E-19(P), два пуска планируются на 2016 и 2018 гг., причем посадка на Марс выполняется в июле 2019 г., через 50 лет после первой лунной экспедиции. Буквой P обозначен «умеренный» (paced) темп работ. Существует также «агрессивный» сценарий E-19(A), в котором пуски планируются на 2011 и 2013 г.

В однопусковой схеме к Марсу одновременно, но по отдельности, отправляются перелетный жилой модуль TransHab (Transit Habitat) с ракетным блоком TEI и комбинированный посадочный модуль (Combo Lander) с возвращаемым аппаратом, поверхностным жилым модулем, аппаратурой для научных исследований и ядерным источником питания. Экипаж находится в модуле TransHab. Жилой модуль и посадочный модуль выходят методом аэрозахвата на орбиту спутника Марса высотой 250 км и стыкуются на ней. Спуск на Марс выполняется в посадочном модуле. Возвращаемый аппарат выходит на орбиту и стыкуется с перелетным модулем. Возвращение экипажа выполняется так же, как и при двухпусковой схеме.

В зависимости от принятого сценария, длительность работы экипажа на поверхности Марса составит от 45 до 500 суток. В последнем случае общая длительность экспедиции достигнет трех лет.

Отдел Кука рассматривает Марс как свою основную цель. Луна рассматривается как возможный полигон для отработки средств марсианской экспедиции. Космическая отработка отдельных компонентов может проводиться на шаттле и на борту МКС.

Самым «экзотическим» элементом проекта являются надувные объемы жилых модулей, комбинированного посадочного модуля и даже солнечного буксира. Когда в 1990 г. Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса предложила в проекте Great Exploration идею надувных элементов, они были встречены в NASA ироническими ухмылками и прозвищем, я прошу прощения, «бриллиантовые кондомы». Однако сейчас совершенно серьезно рассматривается вопрос о замене американского жилого модуля МКС на надувной модуль TransHab.

Модуль TransHab выводится в грузовом отсеке шаттла в сложенном, ненадутом состоянии. Его масса – 11800 кг, диаметр – 8.2 м и высота – 12.2 м. Внутренний объем TransHab будет втрое больше, чем у Жилого модуля МКС. Диаметр модуля, по-видимому, определяется диаметром головного обтекателя будущей РН Magnum. По высоте модуль делится на три этажа, что дает астронавтам больший комфорт и возможность побыть в одиночестве. В нем будет шесть кают, каждая из которых защищена слоем воды в 5 см от шума и радиации. Большой объем позволяет ввести такие «излишества», как высокие потолки и большие окна, «мансарда» с гимнастическим залом и столовая, где за стол смогут «усесться» 12 человек.

Внешняя оболочка модуля толщиной 0.305 м состоит из 17 слоев. Три внутренних слоя – это резервированные надувные гермо-оболочки из полимерной пленки. За ними следуют слой из кевлара и несколько слоев керамических волокон Nextel, разделенных слоями полиуретановой пены толщиной по 7.6 см.

Трехэтажный макет надувного модуля уже изготовлен с помощью астронавтов в Центре Джонсона. Эскизный проект TransHab будет закончен к концу 1998 г., но уже сейчас проводится сравнение штатного Жилого модуля МКС и модуля TransHab по критерию цена/эффективность, и к концу сентября ожидается решение о том, какой из двух вариантов принять. По цене оба варианта близки (менее 200 млн $), но надувной модуль предоставляет значительно больший объем и удобства. Если решение будет положительным, изготовление TransHab начнется в Центре Джонсона в 2001 г., а запуск состоится в начале 2004 г., практически без задержки по отношению к действующему графику сборки МКС.

Может ли эта надувная конструкция быть пробита метеоритом или «космическим мусором»? Разработчики отвечают, что она более безопасна, чем алюминиевые корпуса остальных модулей! Всем сомневающимся

Старт к Марсу эскадры ядерных кораблей в представлении американских специалистов 60-х годов

предъявляют результаты наземных испытаний. Когда макет модуля «обстреливался» алюминиевыми «снарядами», движущимися с орбитальными скоростями, они распылялись при столкновении с внешними керамическими слоями, а гермооболочки не повреждались. В то же время на алюминиевых плитах толщиной 38 мм, «обстрелянных» такими же «снарядами», оставались выбоины диаметром до 7.6 см, а от задней стороны плиты отлетали под действием ударной волны кусочки алюминия. Как сообщил AP заместитель менеджера проекта TransHab Горацио де ла Фуэнте (Horacio de la Fuente), если бы таким испытаниям были подвергнуты корпуса из усиленного алюминия, разработанные для модулей МКС, они были бы пробиты.

На самом деле наиболее спорной и сложной в реализации идеей является получение компонентов топлива на Марсе. Именно поэтому отработка этого процесса начинается уже в пуске 2001 г., и поэтому рассматриваются варианты экспедиции со «своим» топливом и с «местным».

Ядерный источник питания на посадочном модуле требуется из-за того, что для производства топлива необходимо 17 кВт, а для полномасштабного использования местных ресурсов и замыкания пищевой цепи – до 160 кВт электрической мощности. Получить такую мощность на солнечных батареях проблематично.

11 сентября NASA сообщило о назначении Артура Стефенсона (Arthur G.Stephenson) директором Центра космических полетов имени Маршалла в Хантсвилле (Алабама). С 1964 по 1992 гг. он работал в компании TRW, в том числе над проектами межорбитального буксира OMV и обсерватории GRO, и дошел до поста директора по перспективным программам космического транспорта и обслуживания. С 1992 г. Стефенсон является президентом компании Oceaneering Advanced Technologies (Хьюстон, Техас). В связи с назначением постоянного директора центра Администратор NASA Дэниел Голдин поблагодарил первого заместителя директора центра Каролин Грайнер, которая до назначения Стефенсона исполняла обязанности директора. – С.Г.

Теплозащитные «санки» предполагается отработать на автоматических КА начиная с 2003 г., в т.ч. на взлетном аппарате в пуске 2007 г.

Д.Кук отказался дать оценку стоимости проекта марсианской экспедиции, сославшись на то, что она будет зависеть от участия или неучастия иностранных партнеров. Что же касается политической поддержки проекта, то ее получение зависит от успешной реализации программы МКС.

Комментируя для НК американскую схему, Л.А.Горшков подчеркнул важное сходство: команда Центра Джонсона также пришла к необходимости использования электрореактивных двигателей. В то же время, сказал он, с многокорабельной схемой и в особенности с изготовлением топлива на Марсе пока согласиться нельзя. Производство топлива из местных ресурсов – очень интересная и хорошая технология на будущее, но класть ее в основу первой пилотируемой экспедиции слишком рискованно, считает Леонид Алексеевич.

Стоит отметить, что в обоих проектах безопасность экипажа была объявлена первым приоритетом, а выполнение задачи – вторым. А.Т.Базилевский выразил сомнение в правильности такого подхода. Марсианская экспедиция – это не война в Чечне. Участники полета на Марс рискуют во имя будущего человечества, и добровольцы обязательно найдутся.

Автор считает своим долгом поблагодарить Л.А.Горшкова, который любезно предоставил текст и иллюстрации к своему докладу и ответил на вопросы, и Д.Кука, также поделившегося планом доклада и иллюстрациями и разъяснившего некоторые неясные моменты. В описании модуля TransHab использовано сообщение AP от 23 августа 1998 г.