Перестраховка или прекращение миссии?

В прошлом многие марсианские миссии были построены вокруг следующего сценария: за несколько дней до прибытия или, возможно, во время прибытия на Марс экипаж понимает, что экспедицию необходимо прервать. Важно не то, в чем причина, а то, как это сделать. Как астронавтам достичь убежища? Что ж, очевидно, они должны вернуться на Землю и, хотя они планировали долго пробыть на поверхности в рамках миссии в соединении, к счастью, они взяли с собой достаточно топлива для быстрого возвращения на Землю по траектории из класса противостояния. Они могут направиться с Марса к Земле, включив двигатели и осуществив пролет мимо Венеры. Экипажу не нужно ждать, когда откроется стартовое окно для выхода на траекторию Гомана, да и кто стал бы так поступать в чрезвычайной ситуации? Но давайте все же подумаем об этом. Часть расходов на планирование идет на разработку опций прерывания миссии, а это непростая задача. Во-первых, такие миссии требуют дополнительной полезной нагрузки, необходимой как для длительного пребывания на поверхности Марса, так и для длительного полета на Землю. Во-вторых, необходимо дополнительное топливо, чтобы отправить весь груз на очень затратную по энергии траекторию для противостояния. Трудно представить себе более дорогостоящий подход к проектированию миссии. Более того, если прерывание не понадобится, доставка всего дополнительного груза будет напрасной. Кроме того, возвращение по траектории для противостояния обрекает экипаж на непрерывное воздействие больших доз космической радиации (и, вероятно, невесомости) на протяжении полутора лет, солнечного излучения во время пролета через внутреннюю часть Солнечной системы и на очень высокие перегрузки при посадке на Землю. В общем, такое возвращение станет тяжелым испытанием для экипажа, и даже если он выживет, миссия будет полностью бесполезной с научной точки зрения.

В конечном итоге планы такого рода мало увеличивают эффективность миссий, но значительно увеличивают их массу и стоимость. К счастью, мы сможем решить, что делать в случае чрезвычайной ситуации, задав один основной вопрос: должна ли Земля быть единственным убежищем? Ответ: однозначное «нет». Вовсе не обязательно строить все планы прерывания миссии вокруг возвращения на Землю. Правильная стратегия – заранее создать убежище на поверхности Марса и в случае необходимости прекращать миссию, эвакуируя астронавтов туда. Экипаж, летящий на Марс, сможет добраться до такого убежища гораздо быстрее, чем до Земли, а значит, мы гораздо надежней обеспечим безопасность для астронавтов. В этом случае основной вариант прерывания миссии не нарушает план ее первой части, не налагает никаких ограничений по массе, а его активация по-прежнему позволяет миссии осуществиться. Есть и вторичные варианты прекращения миссии, которые не связаны с выполнением научных задач, но миссия не разрабатывается вокруг этих вариантов. Иными словами, вместо того чтобы строить миссию, основываясь на ее возможной отмене, мы готовим список резервных планов. Так решаются проблемы в «Марс Директ».

Давайте рассмотрим миссию с НОО, чтобы понять, какие возможности для экстренного прерывания или резервные планы доступны экипажу. Первым крупным событием миссии является запуск двигателя, который выведет корабль на траекторию по направлению к Марсу. Общая ?V для выполнения этого маневра равняется 4,3 километра в секунду, корабль будет выведен на быструю траекторию для соединения с возможностью свободного возвращения за два года, экипаж долетит на Марс за 180 дней или около того. Тем не менее ?V= 3,7 километра в секунду вполне достаточно, чтобы отправить астронавтов на Марс по 250-дневной траектории с минимальными затратами энергии. Поэтому, если двигатель удастся запустить по крайней мере при ?V= 3,7 километра в секунду, экипаж будет отправлен на Марс, чтобы выполнить задачи миссии. Если двигательная установка на этапе отправки корабля на траекторию в сторону Марса не сможет обеспечить ?V=3,3 километра в секунду – такая ?V требуется, чтобы улететь из поля притяжения Земли, – космический аппарат останется на эллиптической околоземной орбите. В этом случае экипаж будет использовать собственную двигательную систему хаба, чтобы аккуратно сместить перигей (самую близкую к Земле точку) орбиты корабля вниз, в самые верхние слои земной атмосферы. После ряда витков удастся снизить апогей (самую далекую от Земли точку) орбиты до высот, куда может добраться многоцелевой пилотируемый корабль «Орион» (такие медленные маневры с применением аэродинамического торможения в атмосфере для смещения апогея были успешно предприняты кораблями «Магеллан» на Венере в 1994 году, «Марс Глобал Сервейор» на Марсе в 1997 году и всеми последующими марсианскими орбитальными аппаратами). Затем небольшой толчок от двигателей обитаемого модуля поднимет перигей орбиты аппарата за атмосферу Земли, делая орбиту круговой и стабилизируя ее. После этого экипаж можно вернуть на Землю (хотя спешки нет, припасов на борту хватит почти на три года). Если двигательная система, выводящая аппарат на траекторию к Марсу, выйдет из строя при ?V между 3,3 и 3,7 километра в секунду, экипаж может вернуться на околоземную орбиту, используя для тормозного маневра двигательную систему хаба. Для коррекции курса во время полета, системы реактивных маневров на орбите Марса и посадки на Марс хаб может обеспечить ?V = 0,7 километра в секунду, этого более чем достаточно, чтобы нейтрализовать максимальный избыток ?V в 0,4 километра в секунду, который способен оставить экипаж бездействовать между Марсом и Землей. Все это, однако, лишь гипотеза. Правильно спроектированный разгонный блок для вывода аппарата на марсианскую траекторию должен содержать несколько двигателей, каждый из которых имеет надежность порядка 0,99. Вероятность того, что сразу два таких двигателя потерпят неудачу, составляет около 1 к 10 000, незначительная часть общего риска миссии.

После того как разгонный блок для вывода корабля на марсианскую траекторию успешно отработал и промежуточная коррекция курса была завершена, хабу предстоит встреча с атмосферой Марса. В течение первых 95 % полета от Земли к Марсу могут быть задействованы несколько вариантов прерывания миссии, в том числе возвращение по свободной траектории и управляемые гравитационные маневры. Однако, когда спускаемый аппарат выходит на траекторию для аэродинамического торможения в атмосфере Марса (как правило, за несколько дней до входа в атмосферу), шансы использовать траекторию свободного возвращения или управляемый гравитационный маневр для возвращения на Землю становится все более незначительными. В какой-то момент, когда до аэродинамического торможения остается от нескольких часов до одного дня, возможность прервать миссию исчезает полностью. Но рано или поздно придется принимать окончательное решение, и не стоит пренебрегать тем фактом, что свободное возвращение возможно в течение первых 175 дней 180-дневного полета. Поскольку во время миссии «Марс Директ» орбитальное рандеву не требуется, точность орбиты захвата не важна до тех пор, пока ее наклон позволяет высадиться в выбранном районе (то есть больше или равен широте желаемого места посадки). Следовательно, после выхода на околомарсианскую орбиту экипаж сможет спуститься на поверхность к форпосту – то есть к первому запущенному ВЗА. Поскольку снижаются требования к точности аэродинамического захвата на орбите, снижаются и требования к точности наведения, навигации и управления, а значит, маневр торможения в атмосфере для миссии «Марс Директ» выглядит наиболее привлекательным. В случае неудачи, если хаб не будет захвачен атмосферой Марса, экипаж может использовать реактивные двигатели посадочного модуля (дающие скорость до 700 метров в секунду), чтобы увеличить эффективность маневра аэродинамического торможения. Теперь экипаж может оказаться не в состоянии спуститься на поверхность в жилом модуле, но корабль уже будет выведен на околомарсианскую орбиту. В распоряжении астронавтов две возможности. Первая: 600 дней остаться на орбите и ждать встречи с одним из ВЗА (самым первым или тем, который следовал за ними на Марс, любой ВЗА можно направить к обитаемому с помощью дистанционного управления), затем пересесть в ВЗА и вернуться на Землю. Во-вторых, астронавты могут подождать всего 90 дней или около того на орбите Марса, пока прилетит ВЗА, который был отправлен вслед за ними, а затем состыковаться с ним до его посадки. У экипажа будет возможность забрать некоторое количество топлива с ВЗА в жилой модуль, тем самым обеспечивая посадку жилого модуля (но жертвуя ВЗА). Или же астронавты переберутся в ВЗА и высадятся на Марс в нем, оставив хаб на орбите. Это можно сделать сразу после стыковки в том случае, если на Марсе уже будет другой жилой модуль. Тогда астронавты продолжат исследования на поверхности планеты, начатые предыдущим экипажем. Если речь идет о первых астронавтах миссии «Марс Директ», то они могут отложить посадку и провести большую часть экспедиции на орбите Марса (где в их распоряжении будут просторные помещения на борту хаба и большой запас продовольствия), а затем осуществить кратковременную высадку на поверхность, используя два ВЗА как базу.

Однако, чтобы в чрезвычайной ситуации найти убежище на поверхности Марса и успешно завершить миссию, туда нужно сначала добраться. По этой причине, выполняя маневр торможения в атмосфере, лучше опуститься в нее слишком глубоко, нежели рисковать вылететь в межпланетное пространство. Так как в миссии «Марс Директ» не требуется выводить корабль на неустойчивую сильно вытянутую эллиптическую орбиту (как принято в традиционных миссиях – поскольку, чтобы покинуть ее, нужно меньше топлива), корабль можно направить на более надежную слегка эллиптическую или круговую орбиту вокруг Марса, с которой почти невозможно сойти. Если корабль войдет в атмосферу слишком глубоко, чтобы оказаться на стабильной орбите, экипаж может просто осуществить посадку хаба. В конце концов, план так или иначе сводится к посадке на поверхность Марса.

То, что рандеву на орбите Марса перед спуском не потребуется, делает миссию гораздо безопаснее, поскольку пропадает необходимость безукоризненно провести маневр торможения в атмосфере, который мог бы закончиться плачевно. Однако в «Марс Директ» мы заменили орбитальное рандеву на «встречу» на поверхности планеты. Как насчет этого? Что ж, давайте разбираться. План «встречи» на поверхности также предусматривает несколько резервных возможностей, призванных обеспечить успех миссии. Прежде всего, ВЗА будет на месте за два года до прибытия экипажа, получая возможность развернуть роботизированные передвижные транспортные средства, чтобы заранее дать исчерпывающую характеристику места встречи, а также поместить ретранслятор в непосредственной близости от наилучшего места посадки. На ВЗА также будет установлен радиомаяк, похожий на систему сигнализации для посадки в аэропорту, что даст экипажу точные данные о положении и скорости при заходе на посадку. Стоит помнить, что оба спускаемых аппарата миссии «Викинг» высадились в пределах 30 километров от предполагаемых мест без активного управления, а пилотируемые лунные спускаемые аппараты миссии «Аполлон» смогли приземлиться в 200 метрах от выбранного места, где находился аппарат «Сервейор». Система наведения с обратной связью и направляющий радиомаяк позволят осуществить посадку в пределах нескольких метров от заданного места. Тем не менее, если посадка будет проведена с ошибкой в десятки и даже сотни километров, «встреча» на поверхность останется благодаря привезенному в жилом модуле роверу, который способен преодолевать расстояния до 1000 километров. Так как экипаж прибыл в полностью оснащенном жилом модуле, а не в маленьком спускаемом аппарате с ограниченным запасом продуктов, астронавты смогут продержаться долго, если высадятся в изолированном месте. На этот случай есть третий и четвертый запасные сценарии. Согласно третьему, если модули окажутся друг от друга на расстоянии, сравнимом с размерами Марса, второй ВЗА, следующий на Марс за пилотируемым хабом (с разницей в несколько месяцев), можно отправить к его посадочной площадке. Четвертый вариант предполагает, что экипаж высадится на Марсе в хабе с достаточным количеством запасов, чтобы прожить на поверхности Марса два года. Если ничего не поможет, астронавты могут просто перетерпеть и дождаться, когда на Земле откроется следующее окно запуска и к ним отправят дополнительное продовольствие и еще один ВЗА.

Поскольку в плане «Марс Директ» для взлета с Марса используется топливо, произведенное на месте, вариант прерывания миссии на этапе спуска в атмосферу Красной планеты не предусмотрен. Если спуск начнется, обратного пути не будет. Тем не менее чрезвычайно сомнительно, что любой посадочный модуль, заправленный для взлета с Марса, действительно сможет успешно подняться на орбиту, отталкиваясь от края плотных слоев атмосферы и трясясь со сверхзвуковыми скоростями. (Такой маневр потребовал бы пролета поднимающегося модуля через сверхзвуковую ударную волну, отходящую от обтекателя, который должен развернуться в атмосфере, чтобы перевести двигатели из режима замедления в режим ускорения!) В обмен на отказ от иллюзорной надежды прервать миссию во время спуска к Марсу (находясь в полностью заправленном взлетном модуле, экипаж традиционной миссии, конечно, предпочел бы иметь такой вариант про запас) экипаж «Марс Директ» получает реальную безопасность. То есть астронавты еще до отлета с Земли знают, что на Марсе их ожидает полностью заправленный ВЗА, который уже благополучно пережил посадку. Кроме того, во время собственного спуска они будут находиться в большом и прочном обитаемом модуле с несколькими герметизированными отсеками и исправно работающей системой жизнеобеспечения, рассчитанной на длительный срок эксплуатации, и на момент посадки в модуле почти не останется ракетного топлива. В противоположность этому, экипаж, спускающийся на Марс в полностью заправленном модуле, предназначенном и для последующего взлета, будет вынужден ютиться в небольшом помещении с системой жизнеобеспечения, рассчитанной на минимальную продолжительность полета, – в модуле, до краев наполненном взрывоопасным ракетным топливом.

Как уже говорилось в предыдущем разделе, миссия «Марс Директ» концентрирует все свои активы на поверхности Марса, а не на орбите, и все системы, необходимые экипажу для 600-дневного пребывания на поверхности, многократно продублированы, а степень надежности увеличивается по мере того, как на Марс прибывают новые обитаемые модули. Когда придет время возвращаться на Землю, у астронавтов на поверхности Марса будут два готовых ВЗА, каждый из которых способен доставить их домой без какой-либо помощи извне, причем оба можно проверить вручную перед вылетом. Это радикальное улучшение по сравнению традиционным планом миссии. Тот предполагает, что экипаж должен подняться с поверхности Марса на единственном доступном для этих целей аппарате, чтобы осуществить критически важную для миссии стыковку с материнским кораблем, который, возможно, прождал на орбите уже полтора года, при этом никто не заботился о продовольствии и запчастях для ремонта. Астронавты миссии «Марс Директ» могут лично проверить свой ВЗА, прежде чем полететь на нем, и у них в базовом лагере есть все необходимые ресурсы для ремонта или корректировки. В случае если оба ВЗА окажутся в плохом состоянии, астронавты могут просто терпеливо ждать несколько месяцев на марсианской базе, пока еще один хаб, загруженный продовольствием, и еще один ВЗА не прибудут согласно расписанию. Да, в таком случае людям придется прожить на Марсе на два года дольше, чем планировалось, но это значительно лучше, чем погибнуть.