О приоритетах космической экспансии

11 июня успешно завершилась кампания по сбору средств на создание проекта миссии пилотируемого облета Марса и Венеры. Я уже некоторое время хотел написать о том, куда и зачем лучше лететь, но, поскольку очень критически отношусь к облетным миссиям, откладывал публикацию, чтобы критикой ненароком не помешать в целом полезной идее. Ну а сейчас, присоединившись к поздравлениям и пожелав всяческих успехов команде разработчиков проекта, можно без помех поразмышлять, какой объект будет наиболее востребованным для пилотируемой космической экспансии?

Как открытия меняли цели

Слева — Марс, как его видит телескоп Хаббл, справа — как видели Марс астрономы конца XIX века

Ответ на вопрос «куда лететь» был прост для фантастов начала-середины ХХ века — любая цель была привлекательной из-за нехватки знаний. Таинственная обратная сторона Луны, покрытая вечными облаками Венера, Марс со своими каналами — лететь надо было всюду. Но научные открытия оказались горькими. На Луне не оказалось атмосферы, аборигенов или чего-нибудь интересного кроме реголита и вулканических пород. Венеру, которую представляли прошлым Земли, не населяли доисторические женщины, а под облаками оказался настоящий ад с температурой 500° и давлением 100 атмосфер. Марс, на котором должна была быть древняя мудрая цивилизация, борющаяся с нехваткой воды и кислорода, или, в крайнем случае, ее развалины, оказался мертвым, и даже обнаруженный зондами в Кидонии сфинкс с пирамидами оказался, как и каналы, оптической иллюзией. И сложно что-то ответить человеку, называющему лунную программу, в которой люди шесть раз высадились на другое небесное тело, обидным словом «флаговтык». Действительно, люди ушли с Луны и уже сорок лет не мотивированы возвращаться обратно.

В двадцать первом веке ситуация не сильно лучше. Мы узнали очень много благодаря автоматическим миссиям, но в мире тех, кто работает в отрасли или просто интересуется космосом, нет единства мнений по поводу цели следующего «гигантского скачка» человечества. В спорах и дискуссиях отстаиваются несколько наиболее перспективных объектов:

• Луна. За лунную базу выступает, например, новый директор Европейского космического агентства Йохан-Дитрих Вернер. Как бы ни была полезна МКС, она не вечна, и на майской конференции Вернер предложил идею базы на обратной стороне Луны.
• Марс. Это ультимативная цель в сегодняшних планах NASA, и миссии к Луне и астероидам они рассматривают только как подготовительные этапы. Кроме государственного космического агентства, Марс как главную цель рассматривает Марсианское общество Роберта Зубрина, также, декларирует желание отправить людей на Марс в один конец компания Mars One (но они могут оказаться жуликами)
• Облетные миссии. В 2013 году миллионер и космический турист Деннис Тито представил проект Inspiration Mars — облетной миссии к Марсу продолжительностью 500 дней в 2018 году. Сейчас, в 2015, уже ясно, что этот проект никуда не полетит — денег еще нет, а времени на подготовку уже не осталось. Но новые идеи выдвигаются сейчас и будут появляться в будущем.
• Орбитальные станции. Фактически единственный успешно работающий сейчас проект — МКС летает уже 15 лет, и на ней непрерывно работают люди, экспедиции посещения летают на китайскую «Тяньгун». Кроме орбиты Земли предлагались идеи станции в точках Лагранжа и на орбите Луны.

Попробуем рассмотреть эти варианты подробнее.

Проклятие облетной миссии

Так называемая облетная миссия заключается в том, что корабль, стартуя с низкой околоземной орбиты, пролетает мимо объекта-цели без выхода на его орбиту. Иногда можно ухитриться посетить несколько объектов, меняя орбиту гравитационными маневрами у планет-целей. Обычно в качестве целей выбираются соседние с Землей планеты — Марс, Венера. Такие проекты создавались в СССР и США, в 2013 году много шума наделал проект Тито, а сейчас разработать проект такой миссии хотят энтузиасты космонавтики из России.



В проекте облетной миссии 2021-2023 года предлагается использовать корабль на базе европейского грузовика ATV

Но у любой облетной миссии есть огромная проблема, средства решения которой должен представить коллектив разработчиков. Говоря простым языком, облетная миссия — это сидение месяцами в тяжелых и опасных условиях небольшого корабля ради нескольких часов пролета мимо планеты-цели. Что в таких условиях сможет сделать человек? Сфотографировать планету с орбиты и нажать несколько кнопок, включая научные приборы? Но с этим прекрасно справятся автоматы, которые меньше весят, не нуждаются в еде, воде, кислороде и средствах гигиены, могут лететь годами в спящем режиме, обладают в буквальном смысле железными нервами, а их гибель не является трагедией.



В миссии Inspiration Mars пришлось бы смотреть на ночную сторону Марса, что еще тоскливее

Зачем вообще посылать людей, если автоматы будут проще, дешевле, а справятся с задачей лучше? Команда разработчиков облетной миссии должна придумать какую-то высокую и важную задачу, для которой нужны именно люди, а их риск и неудобства будут чем-то оправданы. При этом те идеи, которые выдвигались, не выдерживают критики:

• Получение новой научной информации. За несколько часов пролета мимо цели люди не смогут получить больше научной информации, чем робот. К тому же робота можно перевести на орбиту планеты, и он будет там находиться годами.
• Изучение воздействия на людей длительного космического полета. Этим лучше всего заниматься на орбите Земли, откуда всегда можно вернуться в течение нескольких часов. При необходимости можно летать над радиационными поясами, получая такую же дозу радиации, как и в межпланетном полете, но без риска погибнуть из-за сломавшейся техники на полпути к Венере.
• Престиж. Надеяться на то, что облетная миссия будет оправдана престижем «мы были у Марса» не стоит. Несколько часов около Марса — это не колония, и даже не высадка. На мой взгляд концепция «лететь семнадцать месяцев ради двух часов у Марса» выглядит жалко и неуловимо напоминает анекдоты про кошение травы в противогазе.

Дорога орбитальных станций

Станция «Салют-7»

Орбитальные станции появились уже сравнительно давно — «Салют-1» отправился в космос весной 1971 года. Он создавался как асимметричный ответ на лунную программу США, но идея пережила конкурента и оказалась очень полезной. Именно орбитальные станции позволили людям находиться в космосе не днями, а месяцами. На орбитальных станциях ведется множество физических, биологических, медицинских и других экспериментов. Сравнительно недавно появились проекты частных орбитальных станций. Но с точки зрения космической экспансии орбитальная станция — это перевалочный пункт, а не конечная цель. Космос пуст, и, в отличие от планеты, орбитальная станция не может использовать местные ресурсы. Поэтому сейчас энтузиасты орбитальных станций не могут ответить на вопрос, зачем нужна орбитальная станция дальше низкой земной орбиты. Наверное, поэтому нет ярких и заметных проектов новых орбитальных станций. Да, иногда говорят о станции в одной из точек Лагранжа, но, опять же, она рассматривается обычно как перевалочный пункт по дороге к Луне.

Два финалиста

В итоге у нас с вами остались два финалиста — Луна и Марс. В течение последних месяцев я постепенно приходил к выводу о том, что целью двадцать первого века должна стать Луна. Пусть по Марсу ездят роботы, но даже высадка туда, на мой взгляд, нерациональна. А вот попытаться построить базу на Луне, хотя бы посещаемую, стоит, и я попробую аргументировать свое мнение.

Аргумент первый. Полетное время

Расстояние до Луны в масштабе скорости света

До Луны можно добраться за три дня. До Марса надо лететь примерно полгода. Этот простой факт на нашем текущем уровне технологий является самым важным. С Луны возможна аварийная эвакуация, с Марса — нет. Из 9 пилотируемых полетов к Луне один (Аполлон-13) столкнулся со смертельно опасной аварией, но возможностей лунного модуля хватило на поддержание жизни астронавтов на время возвращения. Подобная авария на пути к Марсу — верная смерть. А техника никогда не бывает надежной на 100%.
Расстояние до Луны — примерно одна световая секунда. Можно легко поддерживать связь в реальном времени и синхронизировать работу научных приборов. Расстояние до Марса колеблется от 3 до 22 световых минут. Если вы захотите «позвонить» на Марс, то ваш собеседник ответит вам в лучшем случае через 6 минут, а в худшем случае через 40. Единственный вариант приемлемого общения — электронная почта. А каждые 26 месяцев на протяжении примерно двух недель, когда между Землей и Марсом находится Солнце, связь вообще невозможна.
Кроме связи, длительность полетного времени предъявляет качественно другие требования к кораблям. Для двух недель рейса Земля-Луна-Земля хватает невозобновляемых запасов воды, еды, кислорода и электричества. Рейс к Марсу не сможет обойтись без замкнутой системы жизнеобеспечения, которая на порядок сложнее.

Аргумент второй. Ничего не бывает бесплатно

Посмотрите на карту характеристической скорости (delta-V), которую надо затратить для перемещения между телами Солнечной системы:



Белый треугольник означает возможность аэродинамического торможения об атмосферу. На уровне схемы все кажется простым, и запас характеристической скорости кажется сравнимым для дороги к Луне и Марсу. Однако аэродинамическое торможение не бесплатно. Аэродинамический щит и система посадки имеет массу. И не факт, что посадочная система для Марса, использующая «бесплатное» торможение об атмосферу, будет легче, чем система посадки на Луну. Например, посадочная ступень для мягкой посадки 900-килограммового марсохода Curiosity весила 2,4 тонны. Посадочная станция для Луны с такой же начальной массой позволит посадить примерно 1,5 тонны на поверхность, чего хватит на аналогичный ровер и посадочную ступень.

Аргумент третий. Не повезло с атмосферой

Пыль на солнечных панелях марсохода Spirit

В целом, атмосфера Марса отличается удивительно неудобными характеристиками. Давление на поверхности Марса сравнимо с давлением на высоте ~30 км над Землей, а сама атмосфера на 95% состоит из углекислого газа. С одной стороны, атмосфера слишком плотная, чтобы игнорировать ее при взлете или посадке, с другой стороны, она слишком разреженная, чтобы хотя бы ходить по поверхности без скафандра. Ее затруднительно использовать для чего-нибудь полезного. Да, в ней смогут летать специально спроектированные аппараты и, например, ее можно пытаться использовать для выращивания растений и получения кислорода, но это сложно. Атмосфера недостаточно плотная для того, чтобы хранить тепло, и, несмотря на то, что на Марсе не бывает экстремальной лунной жары, условия не сильно лучше. Диапазон от -140° до +20°, увы, вполне сравним с лунным -170° — +110°. Марсианская атмосфера также позволяет образовываться пыльным бурям планетарного масштаба, которые будут мешать работе солнечных батарей и засыпать всю технику пылью. На Луне пыль тоже неприятная, она абразивная и потребует повышенного внимания при разработке трущихся частей механизмов. Но в целом атмосфера Марса ничуть не делает его симпатичнее Луны, а, возможно, и наоборот.

Аргумент четвертый. О воде и ресурсах

Последние годы воду обнаруживают по всей Солнечной системе от Меркурия до спутников Сатурна. Как это ни прискорбно, но эти открытия ничуть не подстегивают усилия по колонизации — прочие условия остаются критически неудобными. Вода есть на Марсе и на Луне, и там и там ее достаточно много. Возможно, на Марсе ее проще добыть, на нем достоверно есть лед в больших и концентрированных количествах, но в кратеры на полюсах Луны еще толком никто не спускался, возможно, добывать там воду будет не сложнее.



Синее — вода, зеленое — яркость в инфракрасном диапазоне, красное — минерал пироксен

С точки зрения геологии Марс богаче Луны. У него была длинная и интересная история, уже практически достоверно известно, что когда-то на нем были буквально океаны жидкой воды. История Луны беднее, на ее поверхности не было жидкой воды, и на ней не получится найти осадочных пород, в изобилии обнаруженных на Марсе. Но с точки зрения колонизации самым важным будет вопрос хозяйственного использования местных ресурсов. И тут, похоже, Луна не сильно отстает от Марса. Например, в исследовании 2014 года утверждается, что растения вполне успешно растут и в марсианском, и в лунном грунте. Да, конечно, в исследовании использовались симуляторы грунта, но поверхность Марса известна нам достаточно хорошо благодаря роботам, а грунта с Луны привезли довольно много, чтобы можно было надеяться, что симуляторы будут достаточно точными.



Карта распространенности на Луне оксида железа



Разные виды базальтов на Луне

Аргумент пятый. О науке

И на Луне и на Марсе можно проводить очень интересные исследования. На Марсе крайне интересной будет его история — как он терял воду и кислород, была ли на нем жизнь, и сохранилась ли она сейчас? На Луне можно проводить более широкий набор исследований. Кроме исследования Луны непосредственно, на ней можно построить телескопы, которые, работая вместе с земными, смогут создавать интерферометр с гигантской базой. Можно будет без труда рассмотреть небольшие планеты у соседних звезд и снять их спектр. Кто знает, может быть каменные планеты с обилием воды и кислорода являются такими же обычными, как газовые гиганты, которые мы можем разглядеть сейчас? Кроме того, Луна может стать полигоном колонизации. Как строить базу? Как организовывать в ней жизнеобеспечение? Как использовать местные ресурсы? Всему этому можно эффективно учиться на Луне. А что касается Марса — его историю уже сейчас успешно исследуют роботы, и, когда мы научимся строить колонии на других небесных телах, придет и его очередь.



Различия цвета поверхности Луны. Изображение получено из 53 фотографий, обработано в трех спектральных фильтрах с формированием изображения в искусственных, преувеличенных цветах

Аргумент шестой. О престиже

Есть мнение, что миссия к Марсу будет гораздо престижней лунной программы. Я не согласен. Дело в том, что лунная программа двадцатого века была, по сути, прыжком выше головы. Да, шесть экспедиций высадились на Луну, но три из них провели на поверхности всего сутки, а три оставшихся — всего трое суток. Это очень маленький срок. На Луне был всего один профессиональный геолог. Даже автоматы пока не высаживались на полюсах, и никто не производил глубокого бурения лунного грунта. Да, действительно, повторять американскую лунную программу неинтересно и не престижно. Но прийти надолго, построить базу, заняться наукой на широкую ногу — это будет действительно гигантский скачок вперед.

О том, где, чем и как можно заняться на Луне — в следующей части.
По тегу «мысли о будущем космонавтики» размышления о настоящем и будущем космонавтики.

Источник: geektimes.ru/post/252302/