До Марса долетим, а как вернуться?

Мы знаем, как добраться до Марса. Мы знаем, как высадиться на Марсе. Осталось выяснить, как покинуть Красную планету. Когда инженеры NASA смотрят на Марс, они видят венерину мухоловку размером с планету. Она соблазняет нас обещанием научных открытий, но к моменту, когда мы приземлимся туда, гравитация и климат будут в сговоре и надолго прижмут нас к поверхности.

Но это плохой вариант. Легко предположить, что общественность не захочет тратить миллиарды долларов только на то, чтобы оставить астронавтов загнивать на другой планете. Наиболее важной частью плана NASA по посещению Красной планеты будет, безусловно, отлет с нее.

Космический аппарат, который NASA будет строить для этой задачи, Mars Ascent Vehicle (MAV), представляет собой сложную инженерную задачу. Когда он полностью заправлен, он слишком тяжел, чтобы оторвать его от Земли и безопасно приземлить на Марсе. Вместо этого космический аппарат будет предварительно собран и отправлен на Красную планету — за годы до прибытия астронавтов — где займется выжиманием топлива из тонкой марсианской атмосферы.

Что потом? MAV должен быть достаточно крепким, чтобы остаться полностью работоспособным, несмотря на массивные пылевые бури и ультрафиолетовое излучение. Когда этот транспорт, наконец, оторвется, он должен будет поддерживать астронавтов в течение нескольких дней, пока они будут лететь на орбитальное судно, которое отвезет их домой.

Mars Ascent Vehicle станет миссией в миссии: пилотируемым космическим аппаратом, запущенным на орбите с поверхности чужой планеты. И будет только один шанс все сделать правильно.

Везите наше все

Миссия на Марс станет первым караваном человечества в глубокий космос. Может понадобиться аж пять отдельных космических аппаратов, чтобы доставить астронавтов и их груз на Красную планету. «Вы вряд ли захотите пытаться завести двигатели на Марсе в своем скафандре, особенно в перчатках, предназначенных для пыльной погоды», — говорит Мишель Рукер, системный инженер в Космическом центре Джонсона при NASA.

Как говорят в NASA, это делает MAV «крупнейшим неделимым элементом полезного груза» одной миссии, весить он будет порядка 18 тонн. На сегодняшний день самым массивным объектом, который мы отправляли на поверхность Марса, был однотонный марсоход «Кьюриосити».

Приземлить объект на Марсе — особенно весом в несколько тонн — будет не так просто, как приземлиться на Земле, где капсула просто падает с неба, полагаясь на атмосферу, которая снизит скорость спуска.

На Марсе, где воздух в сотни раз менее плотный, чем на Земле, «как раз достаточно атмосферы, чтобы доставлять неудобства, но недостаточно, чтобы извлечь что-то полезное для себя», говорит Рукер. Или, если уточнить этот тезис, ее достаточно, чтобы поджарить вас, но недостаточно, чтобы замедлить.

Поэтому NASA разрабатывает технологию Hypersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator (сверхзвуковое надувное аэродинамическое замедление) — массивный конусообразный надувной тепловой щит, который будет также выступать в роли тормозной системы.

Щит разворачивается при входе в атмосферу Марса, замедляя спускаемый аппарат с гиперзвуковой до средней сверхзвуковой скорости. В тот же момент включаются ракетные двигатели для контролируемого приземления.

Приземление потребует от пяти до семи тонн топлива. Когда придет время взлетать с поверхности Марса, MAV понадобится 33 тонны топлива, чтобы преодолеть гравитацию планеты, пробиться через атмосферу и безопасно отвезти астронавтов и их научный груз на орбите, где они встретятся и произведут стыковку с аппаратом возвращения на Землю.

Слишком много придется отправлять наперед. Топливо должно быть произведено на Марсе.

Оторваться от земли

Если экспедиции на Красную планету и будут иметь шансы на успех, то за счет взлета с поверхности. Производя топливо на Марсе, NASA может скостить несколько тонн изначальной массы полезного груза. И, по завершении первой миссии, оборудование можно оставить на Марсе, где оно послужит зарождающейся инфраструктуре для расширения производства по переработке не только топлива, но и воздуха, и воды для будущих исследователей.

Двигатели MAV будут работать на метане и жидком кислороде. Все ингредиенты, необходимые для производства топлива — углерод, водород и кислород — можно найти на Красной планете, если знать, где искать.

В теории кислород можно извлекать из марсианской атмосферы, которая на 95% представлена диоксидом углерода (CO2), и из жидкой и замороженной воды (H2O), погребенной под поверхностью. Оставшийся углерод и водород можно соединить с образованием жидкого метана.

Впрочем, бурение земли ради воды добавит нежелательный элемент неопределенности в уже и так трудную миссию. Добыть и обработать воду намного сложнее, чем просто использовать атмосферу Марса. «Другая проблема производства топлива с подземной водой в том, что это накладывает условия на место приземления: вам придется выбирать, где есть вода», — говорит Рукер. Вам нужно будет копать, и если вы «приземлитесь где-то на вершине коренных пород, все будет напрасно».

Если не извлекать водород из марсианской воды, планом Б будет отправка груза с водородом на Марс как затравка для производства метана. Но для первоначальной миссии эта идея тоже не лучшая. Хотя водород не особо тяжелый, он требует крупных баков для хранения, которые займут много драгоценного пространства.

«У нас есть проект посадочного модуля; сейчас он имеет сверху плоскую палубу, — говорит Тара Пулсгров, аэрокосмический инженер Центра управления космическими полетами Маршалла при NASA. — Сейчас MAV занимает большую часть этой палубы. На ней не так уж и много места для водородного бака».

Инженеры NASA могли бы вместить баки с водородом, сделав MAV выше, а не шире. Но увеличивать высоту космического аппарата крайне нежелательно. Они беспокоятся, что если аппарат будет слишком высоким, увеличится риск его опрокидывания после приземления.

Также, говорит Рукер, высокий MAV может усугубить физическую нагрузку на астронавтов. Если один или несколько из них станут недееспособными в ходе миссии, подниматься по высоким лестницам будет последнее, что они бы хотели. Легкий доступ будет в приоритете.

Таким образом, нынешний план предусматривает отправку полностью загруженного жидким метаном аппарата восхождения, а с ним и химический завод для производства жидкого кислорода из атмосферы Марса.

Этот процесс, как ожидается, займет от одного до двух лет. Когда баки MAV будут полны, человеческий экипаж будет отправлен на Марс в полной уверенности в том, что найдут там заправленный транспорт, ожидающий момента подъема их в космос.

Но инженеры NASA пока не готовы поднимать паруса. «Одна из проблем в том, что мы используем криогенное топливо, — говорит Рукер. — После того как вы сделаете свое топливо на Марсе, вам придется держать его в холодном состоянии несколько лет, прежде чем оно вам понадобится, чтобы оно не выпарилось».

«У нас есть топливо, но нет клапанов, которые гарантируют нулевую утечку, — добавляет Пулсгров. — Об этом приходится задумываться, поэтому мы уделяем особое внимание развитию технологий в области клапанов с низкой степенью утечки».

В более широком смысле, инженеры опасаются, что время не на их стороне. MAV потребует от одного до двух лет, чтобы произвести топливо. Затем экипаж людей потратит от 200 до 350 дней на дорогу к Марсу, а затем до 500 дней на исследование Красной планеты.

Сложите все это, и окажется, что MAV должен оставаться в рабочем состоянии и готовым ко взлету в течение четырех лет после первоначальной посадки на Марсе. «Он будет находиться в марсианской среде, — говорит Рукер. — Она очень пыльная. Там интенсивное ультрафиолетовое излучение. Как бы выглядела мебель вашего внутреннего дворика после такого? Так это на Земле, где защиты против этого всего куда больше».

Задраить люки

Среди многих вопросов, которые инженеры должны учитывать при проектировании MAV, есть один важный: что будут носить астронавты?

«Вы видели фотографии с космической станции, — говорит Рукер. — Они там гуляют в шортах и футболках. Когда вы пребываете в стабильном полете в большом транспорте, вы можете себе такое позволить. Если вы взлетаете в транспорте, деться просто некуда. Если в нем окажется дырка, лучше бы вам быть в одежде».

Но в какой? Те скафандры для внекорабельной деятельности, что астронавты будут надевать во время изучения поверхности Марса, тяжелые и громоздкие. Если астронавты наденут их на борту MAV, инженерам придется увеличить размер кабины.

Еще возникает проблема марсианской пыли, которая будет цепляться к костюмами. Это не то, что астронавты должны привозить домой без надлежащих протоколов планетарной защиты. Рукер считает, что лучшим решением было бы оставить громоздкие скафандры на Марсе, где будущие миссии смогут разобрать их на части. А возвращение астронавтов осуществить в скафандрах корабельной деятельности (IVA) — таких пухлых оранжевых скафандрах, которые экипажи надевали во время запуска и повторного входа в атмосферу.

Скафандры IVA весят меньше и куда более подвижны. Их также можно избавить от пыли, ограничив их использование пределами транспорта на Марсе. Астронавты могут покинуть свое жилье и попасть в ровер с помощью порта стыковки. Уже оказавшись в ровере, они могут надеть чистые IVA-скафандры и доехать до MAV, в который попадут через специально спроектированный туннель под давлением.

Недостаток отправки такого туннеля на Марс в том, что он добавит веса к общему оборудованию, да еще и будет использоваться только один раз. Рукер, однако, считает, что туннелю можно найти и другие применения.

«Думаю, это вообще неплохая вещь, — говорит она. — Вместо одного большого жилища вы можете разделить его на небольшие жилища и использовать туннель для их присоединения. Добавлять новый элемент всегда не очень хорошо, но если этот элемент решает множество проблем, он может стать хорошим дополнением».

Дорога домой

Наконец, пришло время отправляться.

Интерьер MAV будет спартанским, чтобы минимизировать вес. Это такси в один конец, а не жилье. Инженеры могут даже не включить сиденья — во время поездки астронавты будут стоять.

Восхождение с помощью ракетного двигателя продлится семь минут. Но на этом путешествие не заканчивается. Астронавты сожгут еще больше топлива для маневра на орбите, который позволит им встретиться и состыковаться с аппаратом для возвращения на Землю (ERV).

Это означает, что астронавты могут пробыть на борту подъемного транспорта до 43 часов, при условии что ERV будет припаркован на эллиптической орбите в диапазоне высот от 300 до 40 000 километров над поверхностью Марса. Однако Рукер говорит, что этот вопрос пока не решили планировщики марсианской миссии.

«Ребята, которые занимаются движением в космосе, хотят, чтобы это большое, толстое переходное жилье оставалось так высоко, как только сможет, — говорит она. — Они не хотят, чтобы оно погружалось в гравитацию Марса. Им было бы удобнее, чтобы транспорт восхождения подъезжал к нему».

Но есть проблема: длительное пребывание на борту MAV потребует дополнительных мер.

«Возможно, вы сможете остаться в скафандре и обойдетесь без горячего супа и ванной в течение сорока трех часов, — говорит она. —  Но вам придется начать перетаскивать все, что вы с собой взяли, в течение трех, пяти, семи дней — все это суммируется, учитывая размеры транспорта восхождения».

Как только стыковка наконец осуществится — и экипаж с грузом перейдут в космический аппарат, который доставит их на Землю, — MAV отсоединится и начнет финальный маневр: выход на орбиту, которая не будет мешать будущим миссиям на Марс: неблагородный конец для небольшого космического аппарата, который сыграет ключевую роль в истории человечества.