Марсианская дилемма ("Air & Space", США)

("Air & Space", США)

Роб Мэннинг (Rob Manning), Уильям Саймон (William L. Simon)

©  NASA

Предисловие редакции

В рамках начатой в 1993 году исследовательской программы НАСА отправила к Марсу девять космических аппаратов: четыре для изучения Красной планеты с орбиты и пять, предназначенных для совершения посадки на ее поверхности. У этой программы были свои неудачи — два аппарата были запущены, а затем потеряны, однако в остальном она демонстрирует выдающиеся успехи. Совершивший посадку в 1997 году Mars Pathfinder получил вполне подходящее название (его можно перевести как «Марсопроходец» или «Исследователь Марса» — прим. перев.). За ним последовали Spirit, Opportunity и научная лаборатория по изучению Марса Curiosity. Автор статьи Роб Мэннинг, работающий в Лаборатории реактивных двигателей с 1980 года, был главным инженером программ Pathfinder и Curiosity. Ниже приводится выдержка из его вышедшей недавно книги (написанной в соавторстве с Уильямом Саймоном) Mars Rover Curiosity: An Inside Account from Curiosity’s Chief Engineer (Марсоход Curiosity. Взгляд главного инженера изнутри).

В 2004 году Белый дом объявил перспективную и долгосрочную концепцию космических исследований, которая среди прочего предусматривала подготовку и реализацию «программы изучения Солнечной системы и пространства за ее пределами при помощи человека и роботов». Данная концепция включала подготовку к исследованию Марса человеком. В то время многие говорили, что они уже знают, как сажать людей на Марс. Вы можете подумать, что я, будучи человеком, который доставил на Красную планету больше материалов, чем кто бы то ни было на Земле, должен досконально знать, как совершать там посадку. Однако я знал, как доставлять туда небольшие грузы, вещи размером с обеденный стол. И я очень мало знал о том, как посадить на Марсе достаточно крупный аппарат с людьми.

В ответ на заявление Белого дома НАСА начала искать людей для руководства 15 командами, работающими по самым разным направлениям, таким как перевозки в космосе, здоровье человека и системы жизнеобеспечения, научные датчики, прочие измерительные приборы и так далее. Они должны были разработать долгосрочные указания и инструкции для НАСА на предстоящие десятилетия. Одна команда должна была разрабатывать «планетарные посадочные системы для доставки человека», и вскоре после прозвучавшего объявления меня назначили руководителем этой группы.

Начал я с того, что подыскал себе двух заместителей и руководителей направлений. Первым оказался Клод Грейвс (Claude Graves), который первым начал разрабатывать системы входа в атмосферу для астронавтов «Аполлона», возвращающихся с Луны на Землю. (Его смерть в 2006 году стала колоссальной утратой для космической программы.) Мой второй выбор пал на Харрисона Шмитта (Harrison Schmitt), известного по прозвищу Джек. Он ходил по Луне и летал вокруг нее в составе экспедиции «Аполлон-17», которая стала последней лунной миссией. Шмитт доктор геологии Гарвардского университета. Он также работал в конгрессе в качестве сенатора от Нью-Мексико.

А еще в состав моего нового коллектива я подобрал ведущих специалистов из программы челноков «шатл» по входу космических аппаратов в атмосферу, снижению и посадке. Это были астронавты и люди, строившие марсоходы, включая Viking, который стал первым аппаратом, приземлившимся на Красной планете в 1976 году. Я также пригласил несколько выдающихся мыслителей из промышленности и научных кругов, в том числе, своего старого друга Бобби Брауна (Bobby Braun), преподававшего в Технологическом институте Джорджии. Этот человек помогал возрождать проектирование систем входа в атмосферу, которое находилось на грани исчезновения. В состав коллектива вошли и другие люди, скажем, Мишель Манк (Michelle Monk) из Центра космических полетов имени Маршалла и мастер своего дела Дик Пауэлл (Dick Powell) из центра НАСА имени Лэнгли в Виргинии, работавшие над первыми конструкциями систем входа, снижения и посадки на Марсе, и способные придать основательность работе нашей команды.

В целом я собрал 50 специалистов по вопросам входа, снижения и посадки со всей страны. Впервые в истории НАСА эти специалисты, создававшие «маленькие вещи» типа Pathfinder, Spirit и Opportunity, должны были вполне официально объединить усилия с теми, кто строил «большие вещи» — космические корабли для доставки людей на Луну и обратно, а также космические челноки.

В декабре 2004 года наша группа собралась на свое первое заседание, которое длилось полтора дня и проходило в Калифорнийском технологическом институте неподалеку от Лаборатории реактивных двигателей. Мы знали, что во время полетов на Марс туда придется доставлять много тонн оборудования, чтобы находящиеся там астронавты могли выжить. Поскольку у нашей лаборатории была масса проблем даже с марсоходом весом в одну тонну, я с трудом мог себе представить, как можно доставить на Марс те припасы, которые понадобятся.

Спуск ровера «Кьюриосити» на поверхность Марса

Меня часто спрашивают, почему совершать посадку на Марсе намного труднее, чем на Луне или на Земле. Чтобы сесть на Луне, астронавты входят на окололунную орбиту, а затем запускают тормозную двигательную установку, нацеленную прямо противоположно направлению их движения. Когда космический корабль сбавляет скорость, он начинает спуск к поверхности. Посадка это отнюдь не пустяк, но она довольно проста. Чтобы вернуть спускаемый аппарат обратно на Землю, тормозная двигательная установка не нужна, так как у Земли есть атмосфера. Большинство спускаемых на Землю аппаратов замедляют свою скорость на 99 с лишним процентов просто за счет торможения при помощи тепловой защиты. А чтобы снизить скорость на остающийся один процент, мы можем использовать парашюты (как на «Союзах») или крылья (как на «шатлах»).

Марс это не Земля и не Луна, а что-то отвратительно среднее. Там слишком много атмосферы, чтобы совершать посадку «по-лунному», и вместе с тем, ее недостаточно, чтобы действовать как на Земле. Плотность марсианской атмосферы у поверхности примерно такая же, как на теоретической земной вершине высотой 40 километров, то есть, в четыре с половиной раза больше высоты Эвереста. На такой высоте космический челнок несется со скоростью шесть с половиной тысяч километров в час. Как затормозить спускаемый аппарат достаточно быстро и своевременно, чтобы к моменту контакта с поверхностью он уже не летел со скоростью 1000 километров в час?

Именно с такой проблемой мы сталкиваемся, когда проектируем наши марсианские спускаемые аппараты. По этой причине наши машины так похожи на карикатуры Руба Голдберга, и по этой причине семь минут входа в атмосферу, спуска и посадки превращаются в настоящий ужас. Нам приходится использовать те трюки, которые мы применяем при посадке на Земле (тепловая защита, парашюты) в сочетании с методами, применяемыми при посадке на Луне (тормозные двигательные установки, воздушные подушки), и со многими другими вещами. Для марсианской научной лаборатории (которую позднее переименовали в Curiosity) мы решили применить две системы в сочетании. Это силовая установка с точным управлением, которую применяли на аппарате Viking, и другая система, сконструированная для Mars Pathfinder.

Что касается «Марсопроходца», то он не отделялся от капсулы, входящей в слои атмосферы, и не совершал посадку на опоры. Там спускаемый аппарат опускался тросом и висел на парашюте, падая в разреженной марсианской атмосфере со скоростью порядка 240 километров в час. Мы держали спускаемый аппарат на парашюте до самой последней секунды. На высоте 150 метров над поверхностью надувались воздушные подушки и на пару секунд включались три мощных твердотопливных ракетных двигателя. Спускаемый аппарат на высоте примерно в 15 метров почти полностью останавливался. Потом он свободно падал и примерно минуту скакал по поверхности, после чего останавливался.

Если бы у спускаемого аппарата типа Pathfinder была более точная система управления ракетными двигателями, скажем, как у космического корабля Viking, то эта двигательная установка на этапе входа в атмосферу и снижения смогла бы опустить его ниже и ближе к поверхности, замедлив скорость до такой степени, чтобы момент касания был исключительно мягким. Ему бы не понадобились воздушные подушки. Такую конструкцию спуска марсохода на канате усовершенствовал и довел до практического воплощения Мигель Сан Мартин (Miguel San Martin), лучший в Лаборатории реактивных двигателей инженер и конструктор по системам наведения и управления.

В том году, когда я собрал команду для изучения возможностей высадки человека на Марсе, другая группа оценивала применимость посадочной системы для марсианской научной лаборатории. В ее состав вошел астронавт и пилот вертолета, а также специалисты по обеспечению полетов, по двигательным установкам, надежности, бортовым системам, наведению, динамике и кинематике. Вертолетчик указал на то, что опытные пилоты тяжелых грузовых вертолетов могут с исключительной точностью контролировать скорость и положение груза на внешней подвеске. Этот человек обладал огромным опытом управления первым вертолетом большой грузоподъемности Sikorsky CH-54, который называют «летающим краном». Впоследствии мы стали называть наш заход на посадку «маневром летающего крана».

Радость ученых после успешного спуска ровера «Кьюриосити» на поверхность Марса

Мы столкнулись с одной из самых серьезных проблем, которая заключалась в том, как программное обеспечение системы входа, снижения и посадки сможет определить, в какой момент марсоход закрепился на марсианской поверхности. Во время предыдущих полетов на Марс, когда использовались спускаемые аппараты с опорами, у каждой из трех опор был датчик, подававший компьютеру сигнал о том, что его опора коснулась поверхности. Получив сигнал с двух опор, компьютер тут же выключал двигатели. Это был исключительно важный момент: если вовремя не отключить двигатели, спускаемый аппарат отскочит от поверхности и упадет на бок.

Но как компьютер узнает, когда приземлился наш марсоход? Не придется ли нам подключать сложные датчики касания поверхности к каждому колесу вездехода?

Ответ на этот вопрос нашел Мигель Сан Мартин. Он всегда был любознательным, и долгое время возился со своими компьютерными имитациями. Он заметил, что когда вездеход касается поверхности, показатели режима работы двигателя снижаются наполовину. Мигель понял, что в этот момент вездеход весит примерно столько же, сколько спускаемая ступень. Поэтому в момент после касания двигателям малой тяги придется удерживать лишь половину веса. Он случайно наткнулся на решение проблемы.

Представьте себе пилота вертолета, который опускает на землю тяжелый контейнер. В полете ему нужно подавать большую мощность на несущий винт, чтобы создавать противодействие весу контейнера, тянущего машину вниз. Постепенно снижая вертолет к точке доставки, он внимательно следит за ним; он знает, что как только контейнер окажется на земле, эта дополнительная сила начнет поднимать вертолет вверх. Поэтому, как только машина начинает подниматься, летчик быстро уменьшает тягу. Подъем вертолета вверх говорит ему о том, что контейнер на земле.

Мигель понял, что тот момент, когда нужна минимальная тяга, это момент касания марсоходом поверхности. Когда он рассказал нам об этой особенности, мы не могли в это поверить. Проблема, над которой мы бились долгие месяцы, имела весьма простое решение, не требовавшее никаких специальных датчиков касания! Программное обеспечение вездехода должно было сделать для совершения посадки всего две вещи: поддерживать медленную и устойчивую скорость снижения во время маневра летающего крана, продолжая такое постепенное снижение, пока не ослабнут тросы, а затем следить за показателями тяги двигателя, чтобы в момент отключения ситуация оставалась стабильной, подтверждая, что марсоход твердо стоит на земле. Именно это система вошла в историю, посадив на Марсе наш марсоход Curiosity весом в одну тонну.

Посадить на Марс человека будет намного сложнее. На нашем первом заседании, когда каждый из присутствующих представился и кратко рассказал о себе, я попросил всех поделиться своими мнениями о том, в чем заключаются главные проблемы.

Блестящий разработчик полетов человека на Марс Кент Джустен (Kent Joosten) рассказал о программах длительных и коротких полетов НАСА. Длительное пребывание означает, что астронавты будут находиться на Марсе в течение 545 дней (530 марсианских дней), а за пределами Земли два с половиной года. Краткосрочное пребывание означает «всего» 40 дней на поверхности и чуть больше полутора лет вдали от дома. В любом случае, техника и аппаратура для обеспечения посадки астронавтов должна быть массивной.

Кент рассказал нам о полностью укомплектованном марсианском лагере, который должны будут разбить роботы до прибытия людей. Для экономии веса воду придется добывать из атмосферы Красной планеты, а окислитель для топлива, необходимый для взлета на обратном пути, надо будет делать на Марсе. Космический корабль доставит радиоактивные генераторные станции и солнечные панели, которые люди установят на поверхности. Даже подъемный аппарат для возвращения экипажа с Марса на Землю будет размещен, заправлен и подготовлен к полету заранее.

Селфи ровера «Кьюриосити»

Затем выступил Джек Шмитт и рассказал, как будет выглядеть полет на Марс с точки зрения астронавта. Пребывание в космосе вызывает достаточно сильное чувство одиночества, сказал он. Астронавту нужен кто-то, чтобы поговорить, нужны люди в центре управления полетом, помогающие выходить из сложных ситуаций. Однако центр управления полетом в Хьюстоне будет находиться от него в 11-22 световых минутах, в зависимости от положения Марса и Земли на орбитах. Ты можешь говорить 10-20 минут, и только после этого первое произнесенное тобой слово достигнет ушей землян.

Возникла неожиданная проблема, когда Джек сказал: «Конечно, чтобы посадка была безопасной, нам надо обеспечить астронавтам возможность в любой момент нажать кнопку отмены, отменить заход на посадку и вернуться в открытый космос».

Бобби, Дик и я в смятении переглянулись и ошеломленно посмотрели на Джека, как бы говоря: «Что? Ты шутишь? Как, черт возьми, мы сделаем это?»

Что касается спускаемых на Марс аппаратов, то у них отмена спуска создает гораздо проблем, чем сам спуск. Все наши спускаемые аппараты и марсоходы при сближении с планетой избавлялись от груды мудреной аппаратуры и деталей, оставляя после себя на пути следования к поверхности шлейф из мусора. Мы предполагали, что во время полета человека будет то же самое. Ну как можно осуществлять все эти превращения и сбросы, сохраняя при этом возможность в чрезвычайной ситуации развернуться и полететь обратно в открытый космос?

Когда мы объяснили, что вход в атмосферу Марса больше похож на посадку на Земле, чем на Луне, астронавты очень удивились. Мы дали им разъяснения, которые звучали примерно так: «Представьте, что вы летите на скорости с числом Маха 15, окруженные пузырем раскаленного газа, и входите в верхние слои марсианской атмосферы. Вы тормозите с замедлением примерно в 6 G. И вдруг вы передумали и решили полететь обратно в космос. Как вы это сделаете? Вы летите настолько быстро, что никак не сможете освободиться от тепловой защиты и превратить свой корабль в ракету. Что еще хуже, вы летите не в том направлении, и летите стремительно. Вам понадобится огромное количество топлива, чтобы вернуться обратно в космос».

Когда астронавт «шатла» Барри «Бутч» Уилмор (Barry (Butch) Wilmore) заявил о необходимости дать астронавтам возможность брать управление на себя во время посадки на Марсе, как это пришлось делать Армстронгу во время первой высадки на Луне, наши специалисты по автоматическому входу, снижению и посадке возмутились. Я знаю, что будь я астронавтом, мне захотелось бы иметь возможность управлять моим кораблем вручную. Но те из нас, кто конструирует марсоходы для отправки на Марс, также знают, что посадка там нисколько не похожа на посадку на Луне или на приземление космического челнока на обратном пути. Атмосфера Марса очень неглубокая; ее верхние слои настолько близки к поверхности планеты, что события во время посадки развиваются с молниеносной скоростью.

Речь идет об астронавте, который летел в открытом космосе в невесомости больше года, а теперь должен испытать колоссальные перегрузки при торможении. Кремниевые кристаллы, выполняющие 120 миллионов операций в секунду, с ними справятся, но человек — пусть даже это прекрасно натренированный и исключительно подготовленный астронавт в хорошей форме — вряд ли сможет сделать то же самое. Всю последовательность операций по входу, снижению и посадке непременно придется автоматизировать.

За три последующих месяца мы провели еще два многодневных совещания. Постепенно из наблюдений и деталей у нас начала складываться определенная картина о посадке на Марс спускаемого аппарата с человеком на борту. Мне стало понятно, что за полвека существования НАСА у нее не было ни ресурсов, ни разработок, ни опыта реальной посадки на Марсе, чтобы четко представлять себе эти проблемы.

Люди на Марсе

Для меня был крайне важен один вопрос, по которому у нашей команды, несмотря на многочисленные обсуждения, не было единства взглядов. Список предметов, которые понадобятся астронавтам для долговременного пребывания на Марсе, очень длинный, и включает в себя продовольствие, топливо, кислород, энергию, воздух для дыхания, какое-то жилье, технику для передвижения и возвращаемый аппарат. Даже если рассчитывать на предварительные полеты по доставке грузов, понадобится космический корабль грузоподъемностью от 30 до 70 метрических тонн. И как доставить весь этот груз точно в пункт назначения и при этом вовремя затормозить?

Когда речь зашла о торможении со сверхзвуковой скорости, первое, о чем мы подумали, были парашюты. В составе нашей группы было два ведущих специалиста по конструкции парашютов. Хуан Круз (Juan Cruz) из космического центра НАСА имени Лэнгли в Виргинии по совместительству преподает в Технологическом институте Джорджии и обладает репутацией лучшего в НАСА эксперта по сверхзвуковым парашютам и торможению при сверхзвуковой скорости. Мы были хорошо знакомы, так как он работал над созданием парашютов для аппаратов Spirit и Opportunity, а также активно участвовал в анализе конструкции парашюта для научной лаборатории по изучению Марса Curiosity. А Эл Витковски (Al Witkowski) из Pioneer Airspace является одним из самых плодовитых в мире изобретателей и конструкторов аэрокосмических парашютов.

Хуан поведал нам азы науки о крупных сверхзвуковых парашютах и рассказал о их конструктивных ограничениях. Он напомнил нам, что самый большой из когда-либо испытанных на сверхзвуковой скорости парашютов имел диаметр 26 метров. Но люди, ранее занимавшиеся моделированием подлета, спуска и посадки на Марсе, заявили, что проводили компьютерные исследования моделей гораздо более крупных парашютов, обеспечивающих за десятые доли секунды торможение спускаемых аппаратов с человеком на борту с числа Маха 3 до числа Маха 1 и ниже. При этом тормозной рывок при раскрытии парашюта был очень мощным.

Эл и Хуан рассмеялись. Хуан сказал: «Мы никак не можем увеличить парашют до размеров стадиона! Надо понимать физические законы раскрытия парашюта таких размеров. Мы не можем даже с уверенностью сказать, что он вовремя раскроется до посадки спускаемого аппарата».

Я спросил Хуана: «То есть, ты хочешь сказать, что мы не можем использовать парашют для торможения крупного спускаемого аппарата со сверхзвуковой до дозвуковой скорости?»

«Все верно», — ответил он.

В комнате воцарилась тишина.

Мы создали небольшую группу, чтобы она методом мозгового штурма разработала различные технические варианты для решения вопроса торможения. Ее члены представили целый список возможных решений, однако к тому времени мы начали осознавать следующее: в данный момент ни один из специалистов не в состоянии предложить ни одного эффективного способа торможения.

В последний день мы в срочном порядке разработали график для решения проблемы входа, снижения и посадки, чтобы довести работу до конца и обеспечить высадку человека на Марсе. Мы решили, что как и с проектом «Аполлон», нам понадобится провести одно или более летных испытаний на Земле для проверки всех элементов полномасштабной конструкции входа, снижения и посадки.

Мне эта идея не очень понравилась, однако наша группа полагала, что на каком-то этапе мы посадим на Марсе небольшой автоматический аппарат, чтобы проверить хотя бы часть новой техники и технологий. Просуммировав весь возможный объем работ, просчитав наперед варианты, мы пришли к выводу, что окончательное конструкторское решение по системе входа, снижения и посадки будет готово к 2015 году. Согласно такому графику, первые человеческие следы на марсианской поверхности появятся не ранее 2032 года, и произойдет это лишь в том случае, если проект начнут незамедлительно финансировать.

Но если забыть финансовые тревоги, за время этих увлекательных совещаний на протяжении шести месяцев моя команда по подготовке межпланетного пилотируемого полета разработала основные направления для решения самых сложных технических задач, с которыми мы столкнемся во время посадки человека на Марсе. В результате всех этих усилий в настоящее время уже разрабатываются некоторые необходимые технологии и оборудование.

Оригинал публикации: The Mars Dilemma