Некоторые сторонники человеческих миссий на Марс говорят, что сегодня у нас уже есть технологии, позволяющие отправлять людей на Красную планету. Но так ли это? Роб Мэннинг из Лаборатории реактивного движения изучает сложности входа в атмосферу, спуска и посадки, и того, что нужно сделать, чтобы сделать отправку человека на Марс реальностью.

Статистика полётов на Марс мало чем утешает. На сегодняшний день более 60% миссий не увенчались успехом. Ученые и инженеры используют такие фразы, как: «Шесть минут ужаса» и «Великий галактический упырь» (охраняет Марс и мешает проводить миссии), чтобы описать свой опыт, имея ввиду ту тревожность, которая связана с отправкой автоматического оборудования на Марс, так говорят даже те, кто связал свою карьеру с этой задачей. Но если говорить о доставке человеческой миссии на поверхность Красной планеты, становится на несколько факторов больше, чем на беспилотном космическом корабле, и волнения тоже будет больше. Почему?

Никто не знает, как это сделать.

Удивлены? Большинство людей удивлены, по словам Роба Мэннинга, главного инженера по работам марсианского направления, на данный момент он единственный человек, который руководил тремя успешными посадками на поверхность Марса.

«Оказывается, что большинство людей не знают об этой проблеме и очень немногие из них беспокоятся о деталях того, как можно успешно доставить что-то очень тяжелое на поверхность Марса», — сказал Мэннинг.

По его мнению, многие люди немедленно приходят к выводу, что высадить человека на Марсе должно быть легко. В конце концов, люди успешно совершили посадку на Луну и мы можем садить капсулы с экипажем из космоса на Землю. А так как Марс находится по размеру между Землёй и Луной, и характеристики атмосферы тоже посередине, посадка на Марс должна быть легкой. «Преобладает мнение, что мы должны просто соединить между собой точки», — сказал Мэннинг.

Но сейчас точки необходимо соединить над большой пропастью.

«Мы знаем, какие проблемы есть. И я бы хотел винить бога войны, — язвительно заметил Мэннинг, — Эта планета не является дружественной или благоприятной для посадки».

Настоящая проблема заключается в сочетании атмосферы Марса и размеров космического аппарата, необходимого для человеческих миссий. До сих пор наша автоматическая космическая техника был достаточно мала для того, чтобы, по крайней мере, иметь некоторый успех в безопасном достижении поверхности. Но в то время как лунный посадочный модуль «Аполлон» весил около 10 тонн, человеческий полет на Марс потребует в три-шесть раз большей массы, если принять во внимание ограничение пребывания на планете в течение года. Посадка тяжёлого полезного груза на Марсе в настоящее время невозможна, при использовании имеющихся у нас возможностей. «На Марсе слишком много атмосферы для посадки тяжёлых грузов, как это делалось на Луне, на двигателях, — сказал Мэннинг, — И слишком мало атмосферы по сравнению с Землёй, чтобы спускать как на Земле. Таким образом, задача не лежит ни там ни тут».

Но как насчет воздушных подушек, парашютов или подруливающих механизмов, которые использовались на предыдущих успешных беспилотных миссиях на Марс, или спуска транспортного средства, аналогично спуску «Шаттла»?

Ни один из этих способов не годится, сам по себе или в сочетании с другими, для посадки полезных нагрузок в одну тонну и больше. Эта проблема касается не только человеческих миссий на Красную планету, но и более крупных беспилотных миссий, вроде тех, в которых требуется возврат образца. «К сожалению, это то, где мы сейчас находимся, — сказал Мэннинг, — Пока мы не придумали совершенно новый способ, в целом новую систему, посадка людей на Марсе будет некрасивым и страшным предложением».

 

Дорожная карта

В 2004 году НАСА организовало сессию для построения дорожной карты с обсуждением текущих возможностей и будущих проблем посадки людей на Марсе. Мэннинг сопредседательствовал на этой сессии вместе с астронавтом миссии «Аполлон-17» Гаррисоном Шмитом и ныне почившим Клодом Грейвзом из Космического центра имени Джонсона. На сессии присутствовало около 50 человек из НАСА, научных кругов и из связанных предприятий. «В то время, возможности обсуждать эти проблемы целостным образом не были так доступны, — сказал Мэннинг, — В процессах входа, спуска и посадки на самом деле участвуют специалисты по разным дисциплинам. Очень немногие люди действительно понимали, особенно для крупномасштабных систем, то, в чём заключались поставленные вопросы. На планировочной сессии мы смогли собрать их всех и обсудить эти вопросы».

Главный вывод сессии состоял в том, что никто так и не понял, как безопасно спустить большие грузы с их скоростями входа в атмосферу с орбиты на поверхность Марса. «Мы называем это проблемой сверхзвукового спуска, — сказал Мэннинг, — На Марсе примечательно то, что перепад скорости с высотой составляет меньше пяти махов. Преодоление этого перепада связано с размерами спускаемого груза и возможностями сверх- и дозвуковых технологий замедления, чтобы достичь скорости, меньшей, чем скорость звука».

Толком говоря, с нашими нынешними возможностями, большое, тяжелое средство доставки, проносясь через тонкую, разреженную атмосферу Марса имеет только около девяноста секунд, чтобы замедлиться от 5 махов до менее 1 маха, изменить конфигурацию и переориентироваться, чтобы из космического корабля превратиться в спускаемый аппарат, развернуть парашюты, чтобы замедлиться сильнее, затем использовать двигатели малой тяги, чтобы достичь места посадки и, наконец, мягко спуститься на поверхность.

 

Без воздушных подушек

Когда эта проблема впервые была представлена, наиболее очевидным решением, по словам Мэннинга, было использование надувных подушек, так как они были весьма успешными для миссий, с которыми он был связан, с марсоходом миссии «Mars Pathfinder», то есть с «Соджорнером» и двумя марсоходами программы «Mars Exploration Rover» (MER), «Спирит» и «Оппортьюнити».

Но инженеры считают, что они достигли предела возможностей надувных подушек в MER. «Это не просто масса или объем подушек, или их размер, но это масса зверя внутри подушек, — сказал Мэннинг, — И эта масса уже большая настолько, насколько мы вообще можем позволить для данной конкретной схемы».

Кроме того, подушки подвергают груз воздействию силы в 10-20 g. В то время как роботы могут выдержать такую ​​перегрузку, люди не могут. Это не означает, что подушки никогда больше не будут использоваться, означает только то, что они не могут использоваться для чего-то с человеком на борту или просто для чего-то тяжелого.

Даже марсоход программы «Mars Science Laboratory» (MSL) весом в 775 кг (для сравнения, марсоходы MER весят по 175,4 кг каждый) в 2009 году потребовал совершенно новую систему спуска. Слишком массивный для подушек, марсоход размером с маленький автомобиль использовал систему посадки «Небесный кран» («Sky Crane»). «Несмотря на то, что некоторые люди смеются, когда впервые видят это, моё личное мнение, что «Небесный кран» на самом деле самая изящная система, которую мы сумели придумать, а также самая простая», — сказал Мэннинг. MSL использовала комбинацию обычного спуска с тепловым экраном, парашют, затем подруливала, чтобы замедлить груз ещё больше, после чего использовалась краноподобная система, которая снижала марсоход на кабеле для мягкой посадки непосредственно на колеса. Учитывая успех системы «Небесный кран» с MSL, вполне вероятно, что она может быть использована и для больших полезных нагрузок, но, вероятно, не для размеров, необходимых для посадки людей.

 

Атмосферное волнение и парашютные проблемы

«Самое замечательное на Земле, — сказал Мэннинг, — это атмосфера». Возвращение на Землю и вхождение в атмосферу со скоростью от 7-10 километров в секунду, «Шаттлы», капсулы «Аполлонов» и «Союзов» и предложенный «Пилотируемый исследовательский аппарат» — всё замедляется до менее чем 1 Маха примерно на высоте в двадцать километров над поверхностью, просто скользя через роскошную плотную атмосферу Земли, используя теплозащитный экран. Для достижения более медленных скоростей, необходимых для посадки, либо разворачивается парашют, либо, как в случае «Шаттлов», аэродинамическая сила позволяет слить часть скорости.

Но плотность атмосферы Марса составляет лишь один процент плотности земной. Для сравнения, марсианская атмосфера наибольшей плотности соответствует земной на уровне 35 километров над поверхностью. Атмосфера настолько тонкая, что тяжелое средство, как проектный «Пилотируемый исследовательский аппарат» будет в основном валиться на поверхность, поскольку не хватает сопротивления воздуха для достаточного замедления. Парашюты могут быть открыты только при скоростях менее 2 махов, и тяжелый космический аппарат на Марсе никогда не будет двигаться настолько медленно, используя один только теплозащитный экран. «И нет никаких допустимых для использования парашютов, чтобы замедлить этот груз, — сказал Мэннинг, — Это оно. Вы не можете посадить «Пилотируемый исследовательский аппарат» на Марсе, если не хотите создать кратер на поверхности».

Это не очень хорошая новость для исследования космоса. Спасёт ли ситуацию судно с большой подъёмной силой, типа шаттла? «Ну, на Марсе, когда вы используете очень высокие величины соотношений между общим весом, подъёмной силой и лобовым сопротивлением, как на «Шаттле», — сказал Мэннинг, — для того, чтобы получить хорошее торможение и использовать подъёмную силу должным образом, вам нужно врезаться глубоко в атмосферу. Вы бы продолжили движение со скоростью 2 – 3 маха довольно близко к Марсу. Если у вас хорошая система управления, можно растянуть торможение, чтобы удлинить время нахождения в воздухе. Вы бы могли в конечном счете замедлиться до 2 махов, чтобы открыть парашют, но вы будете слишком близко к поверхности, и даже огромный сверхзвуковой парашют не спасет вас».

Эксперты по сверхзвуковым парашютам пришли к выводу, что достаточное замедление средства типа большого шаттла на Марсе и достижение поверхности при разумных скоростях потребует от парашюта быть сто метров в диаметре.

«Это заметная часть площади стадиона «Роуз-Боул». Это огромная площадь, — сказал Мэннинг, — Мы считаем, что нет никакого способа сделать 100-метровый парашют, который может быть открыт благополучно на сверхзвуке, не говоря уже о времени, которое требуется, чтобы развернуть что-то настолько огромное. Вы уже будете на поверхности, пока он раскроется. И это не очень хорошо».

 

Теплозащитные экраны и двигательное торможение

Вышеописанное не значит, что атмосфера Марса бесполезна. Мэннинг пояснил, что на автоматических аппаратах 99% кинетической энергии отводится в атмосфере при помощи теплового щита. «Не исключено, что мы можем конструировать большие, лёгкие теплозащитные экраны, — сказал он, — но проблема в том, что сейчас диаметр такого теплового экрана для аппарата с людьми уничтожает любую возможность запуска этого аппарата с Земли». Мэннинг добавил, что было бы несколько лучше, если бы Марс был как Луна, вообще без атмосферы.

Если бы это было так, то можно было бы использовать технику вроде посадочных аппаратов миссий «Аполлон» с движителями. «Но это вызвало бы еще одну проблему, — сказал Мэннинг — , состоящую в том, что на каждый килограмм вещей на орбите, по сравнению с Луной нужно в два раза больше топлива, чтобы переместить этот килограмм с орбиты на поверхность Марса. Всё в два раза хуже, так как Марс примерно в два раза больше Луны». Это повлечёт за собой большее количество топлива, возможно, более чем в 6 раз больше массы полезной нагрузки будет необходимо, чтобы доставить людей и всё нужное на поверхность, с учётом возвращения на Землю. Даже на воображаемом безатмосферном Марсе это не вариант.

Но при использовании современных движительных технологий в условиях Марса, в существующей там атмосфере, создадутся аэродинамические проблемы. «Ракетный шлейф печально известен как неустойчивая, изменяющаяся, беспорядочная система, — сказал Мэннинг, — В основном летают с такими шлейфами на сверхзвуковых скоростях, ракетный шлейф действует как головной обтекатель, который движется перед вами с очень высоким динамическим давлением. Даже при том, что плотность атмосферы очень мала, из-за огромной скорости, сила действительно огромна».

Мэннинг говорит, что эти силы сравнимы с силами в ураганов пятой категории. Это может вызвать крайние перегрузки при тряске и кручении, что, скорее всего, уничтожит спускаемый транспорт. Поэтому использование одних только тормозных двигателей — не вариант.

Использование двигателей малой тяги в сочетании с тепловым экраном и парашютами также создаст вызовы. Если предположить, что аппарат сумел замедлиться до скорости меньше 1 маха, то использование подруливания только на последних этапах спуска для постепенного регулирования траектории позволило бы средству доставки спуститься очень точно на желаемое место посадки. «Мы рассматриваем использование малых двигателей менее чем в 1 км над поверхностью. Вы сбросили парашют, и видите, что, возможно, находитесь в 5 км к югу от того места, где хотите оказаться, -сказал Мэннинг, — так что теперь вам нужен способ накренить технику, чтобы попытаться добраться до места посадки. Но это может быть дорогой сценарий, добавляющий большой расход топлива, чтобы добраться до нужного места посадки и встречи».

Кроме того, на Луне, без атмосферы или погоды, нет ничего толкающего ракету, отводя её от цели, и как Нил Армстронг на «Аполлоне-11», пилот может «облететь неопределенность», как Мэннинг выразился, чтобы достичь подходящего или требуемого места посадки. На Марсе, однако, большие различия в плотности атмосферы в сочетании с высокими и непредсказуемыми ветрами работают вместе, чтобы сбить транспорт с курса. «Нам нужны способы борьбы с этими силами или способы компенсации любых отклонений от курса с помощью двигательной системы, — сказал Мэннинг, — Сейчас мы не умеем, и мы далеки от этого».

 

Сверхзвуковые системы торможения

Лучший обозримый способ начать человеческую деятельность на Марсе возможно представляет собой новый тип сверхзвукового замедлителя, пока что только на чертёжной доске. Несколько компаний разрабатывают новый надувной сверхзвуковой замедлитель под названием «Гиперконус».

Представьте себе огромный пончик обшитый прочным материалом по всей своей поверхности, опоясывающий корабль и раздувающийся очень быстро соответствующим способом (как воздушные мешки), обретающий из-за этого коническую форму. Он будет раздуваться примерно в 10 километрах над поверхностью, когда движется на 4 – 5 махах, после пика нагрева. Гиперконус будет выступать в качестве аэродинамического якоря, чтобы замедлить корабль до 1 маха.

Глен Браун, главный инженер компании «Vertigo Inc.», расположенной около озера Эльсинор, штат Калифорния, был также участником марсианской планировочной сессии. Браун говорит, «Vertigo» делал обширный анализ гиперконуса, в том числе оценку размеров для массы спускаемых аппаратов от четырех до шестидесяти тонн. «Надувная структура с высоким давлением в виде тора является логичным способом поддерживать мембрану конической формы, которая является устойчивой и имеет высокое сопротивление при больших числах Маха», — сказал Браун, добавив, что структура, вероятно, будет сделана из ткани, покрытой чем-то вроде кремний-вектранных матричных материалов. «Vertigo» в настоящее время участвует в конкурсе для получения финансирования из НАСА для дальнейших исследований, следующим шагом должны быть исследования в сверхзвуковой аэродинамической трубе, это довольно дорого.

Структура должна быть около тридцати — сорока метров в диаметре основания. Проблема здесь состоит в том, что большими, гибкими структурами, как известно, трудно управлять. На данный момент существует также несколько других неясностей в разработке и использовании гиперконуса.

Есть мнение, что если гиперконус может замедлить аппарат под 1 мах, то можно было бы использовать дозвуковые парашюты, такие же, как те, что использовались на «Аполлонах», или что предполагаются в программе «Пилотируемый исследовательский аппарат» для возвращения на Землю. Тем не менее, парашютам нужно время, чтобы развернуться, и далее будет лишь несколько секунд на их использование, чтобы выделить время для перехода ко включению двигательных систем.

«Вам также стоит использовать двигатели малой тяги, — сказал Мэннинг, — Вы падаете в 10 раз быстрее, чем на Земле, так как плотность атмосферы Марса в 100 раз меньше. Это означает, что вы не можете просто спуститься на парашютах и коснуться грунта. Вы точно переломаете людям кости, если не уничтожите аппаратное обеспечение. Так что вам нужно перейти от парашютной системы к аналогу прилунения «Аполлонов», ножек лунного посадочного модуля, использовавшихся когда-то, прежде чем спуститься на Марс».

Мэннинг считает, что те, кто крутится в этих вопросах, как и он сам, видят различные проблемы, работающие друг против друга. «Трудно приучить ваш мозг ко всем этим проблемам, так как все части соединяются сложными способами, — сказал он, — Очень трудно увидеть правильный ответ в вашем воображении».

Дополнительные вопросы создания новых легких, но прочных форм и структур, с возможностью отделиться и перейти от одного этапа к другому в нужное время, означают разработку чего-то похожего на быструю машину Руба Голдберга.

«Настоящая суть вопроса, — сказал Мэннинг, — состоит в том, что у нас нет стандартной канонической формы, стандартного устройства систем, что позволяют нам добираться до поверхности, с учётом размеров, равновесия сил, нагрузки, людей, устройства систем, позволяющих проводить все изменения, которые должны быть сделаны за очень небольшой промежуток времени, за который мы должны достигнуть поверхности Марса».

 

Другие варианты и задачи

Ещё одним вариантом, обсуждавшимся на планировочной сессии 2004 года был космический лифт.

«Марс действительно напрашивается на космический лифт, — сказал Мэннинг, — Я думаю, что это имеет большой потенциал. Это бы решило множество проблем, и Марс мог бы стать отличным испытательным полигоном». Но Мэннинг признал, что технологии, необходимые для создания космического лифта ещё не известны. Вопросы строительства космического лифта могут быть обширны, даже по сравнению с вопросами посадки.

Несмотря на эти известные препятствия, есть несколько структур в НАСА в настоящее время, проводящих время за работой над вопросами посадки людей на Марсе.

Мэннинг пояснил: «НАСА пока не имеют ресурсов для решения этой проблемы, а также для разработки «Пилотируемого исследовательского аппарата», развития МКС ​ и систем прилунения одновременно. Но НАСА знает, что это задел на будущее, и это только начало, чтобы получить наработки для различных направлений. Я стараюсь делать всё возможное, чтобы рассказать эту историю, потому что хочу призвать молодых студентов, изучающих инженерию и аэронавтику, и аспирантов начать работать над этими вопросами самостоятельно. У меня нет никаких сомнений, что с их помощью мы можем выяснить, как создать надежные марсианские посадочные системы для кораблей с экипажем».

В то время как есть большой интерес в НАСА и во всей космической отрасли к попыткам решить эти проблемы в последующие годы, технологии также нужно ещё несколько лет, чтобы догнать наши мечты о посадке человека на Марс.

И эта история, как и все хорошие истории, неизбежно будет читаться как хороший детективный роман с техническими закрутами и поворотами сюжета, научной интригой и большими приключениями в другом мире.

Нэнси Эткинсон