План марсианской миссии

Предыдущая статья: «Почему нам не стоит колонизировать Марс: часть 2»

«С точки зрения математики и физики траектории, а также при наличии определенных технологий, существует не так уж много различных способов отправиться на Марс. Все уже достаточно хорошо продумано. Вы можете корректировать десятичные знаки там и тут, но в основном, если речь о химических ракетах, есть только один способ добраться до Марса». – Джон Аарон[1]

В отличие от Луны, которая висит в небе, как одинокая бабушка, ожидающая кого-то в гости, Марс живет своей собственной насыщенной орбитальной жизнью и не всегда находится рядом, чтобы развлечь странствующего астронавта. Каждые 26 месяцев появляется только одно короткое окно, когда путешествие между нашими двумя планетами возможно, и это ограничение орбитальной механики настолько фундаментально, что мы ещё со времен Линдберга, пересекшего Атлантику, знаем, как должна выглядеть миссия на Марс[2].

Используя химические ракеты, можно выбрать всего два класса миссий (длительность, которую я привожу здесь, может варьироваться, но является репрезентативной):

• Длительное пребывание: Шесть месяцев полета к Марсу, 17 месяцев пребывания там, шесть месяцев полета обратно (всего ~1000 дней). Этот вариант иногда называют миссией класса «соединение». В этом варианте простая траектория полета «туда-обратно» компенсируется длительным пребыванием на Марсе.

• Короткое пребывание: Шесть месяцев полета к Марсу, пребывание в течение 30-90 дней, 400 дней полета обратно (~650 дней в сумме). Это также называется миссией оппозиционного класса. В этом варианте короткое время пребывания на Марсе компенсируется долгим и откровенно страшным путешествием домой через внутреннюю часть Солнечной системы.

Прежде чем сравнивать достоинства каждой из них, стоит подчеркнуть, что их объединяет. Обе они очень длительные, более чем в два раза превышают абсолютный рекорд космического полета (438 дней), в пять раз дольше, чем кто-либо оставался в космосе без пополнения запасов (128 дней), и примерно в десять раз больше времени, накопленного человечеством за пределами низкой околоземной орбиты (82 дня).[3] Именно эта неудобная продолжительность, больше чем какие-либо технические препятствия, удерживает нас от полета на Марс с тех пор, как ракеты, способные совершить такое путешествие, впервые стали доступны в 1960-х годах. [4]

А поскольку эта длительность задается относительным движением планет, она не поддается технологическим атакам. Можно построить более быстрые ракеты, но если вы не заставите Марс летать быстрее, вы в основном будете обменивать транзитное время на более длительное время пребывания. Для того чтобы время полета туда и обратно не превышало 500 дней, необходимы фундаментальные прорывы в области двигательной установки или дозаправки.[5]

Это плохие новости. Хорошая новость заключается в том, что эти ограничения настолько сильны, что мы можем многое сказать о полете на Марс, не принимая на себя обязательств по какому-либо конкретному космическому аппарату или проекту миссии. Подобно тому, как животные, живущие в море, скорее всего, будут обладать хорошим слухом и обтекаемой формой тела, должны существовать утверждения, верные для любого космического аппарата, отправляющегося на Марс, просто в силу самой природы этой задачи.

I. Ни сбежать, ни спастись

Путешествие на Марс будет настолько связывающим руки, что не будет иметь прецедентов в пилотируемых космических полетах. Посадки на Луну были спроектированы таким образом, чтобы в любой момент экипаж мог нажать красную кнопку и быстро вернуться на Землю; инженеры проводили короткие промежутки времени, когда отказ от полета был невозможен, куря сигареты одну за другой и обгрызая свои логарифмические линейки.[6]

Но уже через несколько дней после старта экипаж, отправляющийся на Марс, будет вынужден провести в космосе годы без надежды на пополнение запасов или спасение. Если что-то пойдет не так, единственной альтернативой завершению миссии будет переход на длинную, петляющую орбиту, по которой космический корабль вернется домой примерно через два года после старта.[7] А если они застрянут на Марсе, астронавты окажутся в положении, похожем на положение первых исследователей Антарктики: они смогут связаться с домом по радио, но будут вынуждены в силу непреложных природных циклов ждать спасательного корабля месяцы или годы.

Эффект этой невозможности отмены заключается в том, что при проектировании миссии на Марс мы остро ощущаем нежелание рисковать. Полет на Марс можно представить как один из тех художественных фильмов, где режиссер должен снять фильм за один дубль. Даже если ни одна сцена не является особенно сложной, требование, чтобы все происходило последовательно, без возможности сделать паузу или переснять, означает, что даже небольшие риски становятся неприемлемыми в совокупности.

Чтобы прочувствовать этот эффект, рассмотрим игрушечную модель, в которой мы летим на Марс с 30-месячной миссией. Каждый месяц существует 3-процентная вероятность того, что критическая система на нашем космическом корабле откажет, и как только это произойдет, корабль перейдет в деградирующее состояние, в котором с 5-процентной ежемесячной вероятностью любой последующий отказ убьет экипаж.

В этой модели вероятность того, что экипаж благополучно вернется домой, составляет 68%. Но если мы добавим опцию отмены, которая может доставить их домой через шесть месяцев, эта вероятность подскочит до 85%. А при трехмесячной траектории прерывания полета вероятность безопасного возвращения возрастает до 92%.

Эти коэффициенты условны, но они показывают, насколько сильно отсутствие вариантов прерывания миссии может повлиять на безопасность[8].

Эта необходимость избегать риска создает напряженность в любой марсианской программе. Какой смысл тратить триллион долларов на отправку экипажа, если он будет ютиться в своем космическом корабле? И все же, поскольку выход наружу – одна из самых опасных вещей, которые вы можете сделать на Марсе, ранние миссии должны свести его к минимуму. Первые посетители Марса должны будут приземлиться в максимально безопасном месте и почти ничего не делать.

Риск тесно связан со следующим вопросом – надежностью.

II. Надежность

Ближе всего к космическому кораблю, отправляющемуся на Марс, человечество подошло с постройкой Международной космической станции. Но «надежность» – не первое слово, которое звучит в устах инженеров МКС, когда они говорят о своем творении, и тем более не первое слово, которое можно напечатать. Несмотря на двадцатилетние усилия, оборудование на станции постоянно ломается и зависит от потока запасных частей, доставляемых с Земли[9].

Полет на Марс потребует повышения надежности на порядок по сравнению с текущим положением дел. Системы на космическом корабле должны работать без поломок или, по крайней мере, ломаться так, чтобы экипаж мог их починить. В случае чрезвычайной ситуации, например утечки химикатов или пожара, экипаж должен быть в состоянии жить годами в том, что осталось от корабля. А тех неполадок, которые стали поводом для забавных историй на низкой околоземной орбите (например, сосулька из мочи, заблокировавшая туалет «Спейс Шаттла»), будет достаточно для того, чтобы убить экипаж, летящий на Марс.

Дело осложняется тем, что традиционные методы обеспечения надежности не работают в системе жизнеобеспечения, где все взаимосвязано, и часто связь идёт через тела членов экипажа. Проектирование систем жизнеобеспечения гораздо больше похоже на содержание морского аквариума, чем на создание ракеты. Нелегко отделить причину от следствия, вся система эволюционирует со временем, и существует множество «жутких дальнодействий» между подсистемами, которые должны были быть не связаны друг с другом.[10] Действительно, сбои в системе жизнеобеспечения имеют тенденцию блуждать по космическому кораблю, пока не найдут самую незаменимую вещь, которую можно сломать.

Невозможно также подойти к этому вопросу с позиции грубой силы, заполнив космический корабль запасными частями. Те же системные взаимодействия, которые повреждают один компонент, могут разрушить любое количество запчастей. Основная аксиома инженерии надежности – что сложные конструкции можно разделить на изолированные подсистемы с независимыми показателями отказов – не применима к регенеративному жизнеобеспечению.

Необходимость в длительных и дорогостоящих испытательных полетах для подтверждения жизнеобеспечения создает еще один вид неприятия риска, на этот раз на этапе проектирования. В условиях, когда прототипы должны летать в космосе годами, на конструкцию системы жизнеобеспечения будет оказываться давление с целью заморозить ее на том этапе, когда она едва станет адекватной, и никакие последующие инновации не смогут попасть на космический корабль.

Эта динамика схожа с той, что поразила «Спейс Шатл» – новаторская первоначальная конструкция была настолько дорогой для модификации, что она заморозила базовую технологию на стадии прототипа на тридцать лет. За это время мы ничего не узнали о создании лучших космических самолетов, но потратили десятилетия и миллиарды долларов на латание первого рабочего прототипа.

Такая робость идет вразрез со стратегией развития, которая в последние годы оказалась впечатляюще успешной для SpaceX, – подход, который можно назвать «летать часто и пробовать все». Имея в запасе оборудование, SpaceX не боится вносить кардинальные изменения между испытаниями своей ракеты Starship, полагаясь на быструю смену итераций, чтобы продвигаться вперед с головокружительной скоростью.

Но такой подход к тестированию, агрессивный, как Йоземит Сэм, не подойдет для Марса. Инженерам требуется всего несколько часов, чтобы собрать необходимые данные после запуска звездолета, в то время как испытания систем на Марсе будут длиться годами. Неизбежным результатом станет программа развития, ужасно похожая на НАСА, с длительными периодами суеты и анализа, сменяющимися редкими и ужасно дорогими испытательными полетами.

III. Автономия

Автономность – понятие, чуждое НАСА, управляющему астронавтами с Земли с тех пор, как первый астронавт «Меркурия» вынужден был умолять диспетчеров разрешить ему пописать (просьба дошла по цепочке до Вернера фон Брауна).

И по сей день миссии проходят в парадигме летчика-испытателя, когда экипаж работает по подробным контрольным спискам, подготовленным для него за месяцы или годы до этого. На космической станции это приняло вид графического расписания, ползущего за красной вертикальной линией на экране ноутбука, и астронавты должны успевать за движущимися цветными квадратиками. Большинство рутинных работ на космической станции (например, перекачка воды или утилизация отработанного тепла) возлагается на специализированные команды на земле и даже не видны экипажу.

Но по мере удаления космического корабля, летящего к Марсу, от Земли, задержка связи с наземным управлением в обе стороны будет увеличиваться до 43 минут, а в момент, когда Солнце окажется прямо между двумя планетами, связь отключится на неделю или больше. Это физическое ограничение означает, что экипаж должен полностью контролировать каждую систему космического корабля без помощи с Земли.

«Автономность» – звучит неплохо! Кому нужны правительственные чиновники, решающие, как астронавты проведут свое космическое время? Но у наземной парадигмы есть свои преимущества, прежде всего – снятие лишней рабочей нагрузки. МКС управляется персоналом из сотен человек, которые ежедневно отправляют на станцию около 50 000 команд. Семь астронавтов на борту вызываются только в крайнем случае, и даже в этом случае требования к их времени настолько велики, что станция с трудом справляется со своей научной миссией[11].

Одним из преимуществ управления НАСА «с заднего сиденья» всегда было то, что в экстренных ситуациях экипаж имеет доступ к неограниченной помощи экспертов на Земле в режиме реального времени. Самой яркой иллюстрацией этого стал полет «Аполлона-13», когда через 56 часов полета в служебном модуле разорвался кислородный баллон. Экипажу и диспетчерам потребовался почти час, чтобы сориентироваться, и в этот момент оставался лишь короткий промежуток времени, чтобы отключить питание космического корабля таким образом, чтобы сохранить возможность вернуться на Землю.

Стенограмма того первого часа показывает, как трудно было экипажу и наземным специалистам понять, что происходит, и определить приоритеты своих действий. Не стоит упрекать экипаж «Аполлона-13» в том, что он не смог бы пережить задержку связи, подобную марсианской.

И хотя эта миссия – самый известный пример поддержки экипажа «Аполлона» наземными диспетчерами, в программе «Аполлон» было еще как минимум пять случаев, когда своевременная помощь с Земли позволила избежать серьезных проблем:

1. В «Аполлон-12» после старта дважды ударила молния, выведя из строя электросистему и осветив командный модуль аварийными лампами. Борт-контролер Джон Аарон распознал непонятную сначала картину ошибок и стал легендой НАСА, дав экипажу команду щёлкнуть переключателем не очень понятного назначения, который вернул разумность их дисплеям.

2. На «Аполлоне-14» спускаемый радар на лунном модуле не смог должным образом зафиксироваться и выдавал ложные данные о дальности. Если бы не своевременный звонок с наземного пункта управления (с командой пилоту сбросить выключатель), проблема, скорее всего, привела бы к прерванной посадке.

3. На «Аполлоне-15» экипаж изо всех сил пытался локализовать утечку воды, которая грозила стать серьезной. Через пятнадцать минут инженеры на земле смогли отследить проблему до предстартового инцидента с хлорирующим клапаном и разработали процедуру, которая решила проблему.

4. Также на «Аполлоне-15» кусочек металла, попавший в переключатель, периодически подавал сигнал отмены, отправлявшийся на двигатель лунного модуля. Для подавления сигнала, чтобы лунный модуль мог безопасно спуститься, потребовалось перепрограммировать бортовой компьютер – процедура, которая гарантированно поднимет волосы на голове у любого современного разработчика программного обеспечения.

5. На «Аполлоне-16» на лунной орбите отказала пара серводвигателей служебного модуля. Правила миссии требовали прервать посадку, но после интерактивной отладки с пилотом командного модуля наземные диспетчеры нашли обходной путь, который сочли достаточно безопасным для продолжения посадки.

Хотя эти инциденты выделяются на фоне других, стенограммы «Аполлонов» содержат множество других примеров тесного сотрудничества экипажа и наземных служб для решения проблем. Потеря такой помощи в режиме реального времени – это реальное увеличение риска для астронавтов, отправляющихся на Марс.

IV. Анализ

Еще один пункт, по которому МКС зависит от Земли, – это лабораторный анализ проб воздуха и воды, которые регулярно собираются и отправляются вниз с каждой возвращающейся капсулой. Анализы, которые можно провести на самой станции, являются рудиментарными, предупреждающими экипаж о наличии микробов или загрязняющих веществ, но не дающими детальной информации, необходимой для поиска первопричины.

Для Марса эти аналитические возможности придётся перенести в космический корабль. По сути, это означает создание своего рода космического «Тераноса» – автоматизированного «черного ящика», который может проводить биохимические анализы в космосе, не требуя ремонта или калибровки. Такого прибора нет в природе, но для марсианской миссии нужны аж два его варианта – один, работающий при нулевом G, и другой – для марсианской гравитации[12].

Этот «черный ящик» относится к категории оборудования, которое часто встречается в планах Марса: такие технологии зарабатывали бы миллиарды, если бы существовали на Земле, но предполагается, что их достаточно легко изобрести, когда придет время устанавливать их на марсианский космический корабль. [13]

Некоторые сторонники Марса даже приводят эти технологии в качестве примера преимуществ, которые принесет человечеству полет на Марс. Но это совершенно обратная ситуация – проблемы, которые сложны на Земле, не становятся проще, если запустить их в космос, и тот факт, что несуществующие технологии критически важны для полёта Марсу, не является аргументом в пользу полета туда.

V. Автоматизация

Поскольку от экипажа требуется управлять кораблем, когда некоторые члены не могут работать, а связь с Землей отсутствует, объем работы на МКС должен быть автоматизирован до такой степени, чтобы его могли выполнять два или три астронавта.

Автоматизация означает программное обеспечение – много софта. Автоматизация систем на космическом корабле, летящем к Марсу, будет грандиозной задачей. Это будет похоже на попытку расширить автопилот авиалайнера до такой степени, чтобы он мог управлять ещё магазинами в аэропорту, выдачей багажа и пенсионным планом авиакомпании. Скорее всего, в результате получится похожая на МКС мешанина из программного обеспечения, протестированного с разной степенью строгости и работающего на сотнях разных процессоров. Но это оборудование будет подвергаться гораздо более жесткой радиационной бомабрдировке, чем системы на МКС, что делает разработку и интеграцию программного обеспечения особенно сложной задачей.

Особый случай проблемы автоматизации возникает при длительных полетах, когда орбитальный корабль должен оберегать себя от плесени, грибка и космических енотов в течение полутора лет, пока экипаж находится на марсианской поверхности. Каждый владелец дачи знает, что эта проблема, называемая в литературе о Марсе «состоянием покоя» [quiescence], трудноразрешима даже на Земле.

При отсутствии тщательного управления взаимодействие между автоматизацией, сложностью и надежностью может превратиться в порочный круг. Добавление программного обеспечения в систему делает ее более сложной. Чтобы оставаться надежными, сложные системы должны деградировать так, чтобы целое продолжало функционировать даже при отказе отдельного компонента. Но эти деградирующие режимы, а также неожиданные взаимодействия между ними вносят свою собственную сложность, которой приходится управлять с помощью программного обеспечения – и так далее.

В итоге необходимость автоматизации – это сама по себе отдельная причину для проведения полномасштабных имитационных миссий перед отправкой на Марс. В такой сложной системе будет слишком много ошибок, чтобы оставлять их все на усмотрение первого экипажа, отправляющегося на Марс.

Последствия

Экстремальные требования к автономности, надежности и автоматизации, о которых я рассказал, – не новость для разработчиков космических зондов, отправившихся в дальний космос. В Солнечной системе полно аппаратуры, безмятежно пищащей спустя десятилетия после запуска, и самый впечатляющий из них – сорокашестилетний космический аппарат «Вояджер».

Но никто еще не пробовал прикрепить к зонду коробку с крупными приматами, чтобы они были живы, счастливы и не писали в Твиттер о том, что НАСА отправило их в бескрайние пустые пространства умирать. Космический аппарат, отправляющийся на Марс, будет самым сложным из когда-либо созданных человеческих артефактов, примерно в сто раз больше любого предыдущего космического зонда, а внутри него будет находиться тесно связанная система из программного обеспечения, аппаратуры, бактерий, грибов, астронавтов и (в течение половины миссии) всего того, что экипаж прихватит с собой на космический корабль.

Создать такую машину – значит взять нечто, находящееся на самой грани человеческих возможностей (это создание межпланетных зондов), и объединить это с тем, что мы еще не научились делать даже на Земле (поддерживать жизнь группы из шести или восьми человек в течение нескольких лет с помощью регенеративной системы жизнеобеспечения)[14].

Мой аргумент заключается не в том, что это невозможно сделать, а в том, что это невозможно сделать быстро. Подготовка к полету на Марс будет итеративным, бессрочным мероприятием, в котором каждый раунд испытаний съедает годы времени и большую часть нашего космического бюджета, как «Артемида» и МКС до нее. Первое десятилетие марсианской программы будет неотличимо от последних сорока лет космических полетов – серии повторяющихся, длительных полетов на орбиту. Единственное, что НАСА придется изменить, – это название программы.

Это также не та проблема, которую можно переложить на плечи миллиардеров-любителей. Жизнеобеспечение будет сложной задачей независимо от того, чей логотип будет на ракете. Небо может быть усеяно звездолетами, а мы все равно застрянем на испытаниях аппаратного и программного обеспечения в этих многолетних миссиях в никуда.

Единственный способ освоить Марс при нашей жизни – отказаться от того, чтобы люди сопровождали технику.

Выбор профиля

Но раз уж мы твердо решили лететь на Марс и у нас есть два профиля на выбор, то какой из них лучше?

Все согласны, что только профиль длительного пребывания имеет смысл для освоения. Нет смысла проводить 95% пути в пути только для того, чтобы в спешке провести пару недель в пункте назначения.

Но в случае ранних миссий, где цель – доставить экипаж домой живым, выбор непрост.

Длительное пребывание

Достоинство профиля длительного пребывания – простота. Вы летите на ракете к Марсу, ждете 17 месяцев, пока планеты выровняются, а затем летите по той же траектории домой. Каждый этап этого путешествия длится примерно столько же, сколько развертывание МКС, и время перелета можно изменить, сжигая больше топлива (хотя в этом случае экипажу придется дольше оставаться на Марсе, чтобы это компенсировать).

В каждый момент миссии корабль находится на расстоянии от 1 до 1,5 а.е. от Солнца. Это упрощает конструкцию тепловых и солнечных батарей и значительно снижает риск для экипажа от солнечных бурь.

Но проблема того, что делать все это время на Марсе, не дает покоя. 500 дней – большой срок для первого пребывания где бы то ни было, даже там, где есть ночная жизнь и атмосфера. И, как мы увидим, об орбитальной миссии, скорее всего, не может быть и речи. Требование, чтобы экипаж жил на Марсе во время своего первого визита, чрезвычайно повышает уровень риска.

Краткое пребывание

Привлекательность профиля краткосрочного пребывания кроется в самом названии. Вместо того чтобы оставаться на Марсе так долго, что придется заполнять налоговую декларацию, первые прибывшие могут установить флаг, схватить любой ближайший к лестнице камень и убраться оттуда. Или же они могут пропустить посадку и сделать первый полет строго орбитальным, следуя традиции аэрокосмической техники – делать невозможное последовательно, а не все сразу.

Но проблема с профилем короткого пребывания заключается в возвращении домой. Траектория возвращения проходит далеко внутри орбиты Венеры, что усложняет конструкцию космического корабля и добавляет захватывающие возможности для гибели экипажа в течение нескольких недель вблизи перигелия. Большую часть пути корабль находится не с той стороны Солнца, что затрудняет связь с Землей и не позволяет предупреждать экипаж о солнечных бурях.

Кроме того, экипаж должен провести два года подряд в открытом космосе, максимально подвергаясь воздействию радиации и микрогравитации – самых больших известных рисков для здоровья астронавтов.

Короткий срок пребывания также требует большего количества топлива, в некоторые годы непомерно большого. Если ваша стратегия по снижению риска на Марсе заключается в том, чтобы запускать экипажи в каждый синодический период, чтобы на пути к Марсу всегда были потенциальные спасатели, то это проблема.

Орбита или посадка?

После того как вы выбрали профиль, необходимо принять еще одно решение – сажать ли космический корабль.

Очевидно, что в какой-то момент вам придется высадить экипаж; если вы этого не сделаете, другие космические программы будут смеяться над вами, а на слушаниях в Конгрессе будут звучать обидные колкости.

Но поскольку для того, чтобы выжить в путешествии на Марс, необходимо решить последовательность не связанных между собой проблем (прибытие, вход, посадка, операции на поверхности, подъем, рандеву), есть основания сократить проблему вдвое, сделав первую миссию орбитальной. Именно такой подход был использован в программе «Аполлон», в рамках которой первый экипаж обогнул Луну еще до того, как появился работающий луноход.

Отсутствие необходимости везти с собой посадочный модуль в первой миссии означает больше места для запасных частей и расходных материалов, что повышает запас прочности для экипажа. Кроме того, у инженеров появляется время для работы над сложными проблемами входа, посадки, покоя и подъема, не задерживая всю программу.

Но есть весомые аргументы против орбитальной миссии. Поскольку большая часть риска при полете на Марс зависит от времени, зачем рисковать больше, чем нужно? А учитывая расходы и физическую нагрузку на экипаж, как можно оправдать отказ от посадки? Представьте, что вы едете в Диснейленд, разворачиваете машину на парковке и объявляете семье, что теперь вы готовы к настоящему путешествию в следующем году. Пассажиры сзади начнут гневно пинаться и затеют мятеж.

НАСА годами колебалась, какой вариант выбрать. В эталонной архитектуре проекта 2009 года они предпочли отправить экипаж из четырех человек по траектории длительного пребывания. Более поздние планы предусматривают полет по короткой траектории с четырьмя членами экипажа, двое из которых попытаются совершить посадку.

Элон Маск, в свою очередь, предложил решать проблему поэтапно, сначала отправив добровольцев на освоение Марса, а затем придумав, как доставить их домой[15].

По-настоящему сложным выбор делает то, что у нас нет ответов на два ключевых вопроса:

1. Как человеческое тело реагирует на частичную гравитацию?

Десятилетия, проведенные в космосе, дали нам хорошее представление о том, как длительное пребывание в свободном падении влияет на астронавтов и как они восстанавливаются после возвращения на Землю. Но мы понятия не имеем, что происходит в условиях частичной гравитации – на Луне (0,16 g) или на Марсе (0,38 g). В частности, мы не знаем, достаточно ли сильна марсианская гравитация, чтобы остановить или замедлить дегенеративные процессы, которые мы наблюдаем в свободном падении[16].

Ответ на этот вопрос определит ключевое решение: вращать или не вращать космический аппарат. Как мы увидим, вращение космического аппарата для создания искусственной гравитации – это огромная проблема, но можно ли ее избежать, зависит от неизученных эффектов длительного пребывания в условиях частичной гравитации[17].

2. Каков риск для экипажа от тяжелой ионной составляющей галактической космической радиации?

Радиация в космосе бывает разных видов, большинство из которых хорошо изучены на основе опыта работы с их аналогами на Земле.

Однако тяжелая ионная радиация в малых дозах – это совсем другое. Она не существует за пределами ускорителей частиц на Земле, и ее трудно изучать на низкой орбите, где магнитосфера и основная масса нашей планеты защищают астронавтов от большинства видов излучения, которые они получат в открытом космосе.

Излучение тяжелых ионов оказывает биологическое воздействие, которое не укладывается в стандартную модель радиационного повреждения тканей. В частности, существует класс явлений, называемых нецелевыми эффектами (НЦЭ), которые, как известно, повреждают клетки, находящиеся далеко от трека излучения. Это странный эффект – похоже на то, как если бы вы попали в больницу из-за того, что вашего соседа сбила машина. Считается, что НЦЭ нарушают эпигенетические сигнальные механизмы в клетках, но это явление плохо изучено.

Неопределенность в отношении воздействия малых доз тяжелых ионов расширяет наши предположения о радиационном риске по меньшей мере в два раза.[18] На ближнем конце диапазона эти эффекты – просто курьез, и миссии на Марс можно планировать, используя традиционные модели радиационного облучения. На дальнем конце диапазона длительные орбитальные миссии могут оказаться нежизнеспособными, и астронавтам на марсианской поверхности придется либо жить в пещере, либо покрывать свое убежище многометровым слоем грунта.

Такая неопределенность в отношении биологических эффектов делает радиацию самым большим неописанным известным риском, с которым столкнется экипаж, отправляющийся на Марс, и это влияет на все аспекты проектирования миссии.

Полезно объединить три основных фактора риска полета на Марс в одну большую диаграмму:

Технический риск

Радиационный риск

Риск ухудшения физического состояния

Курсивом выделены пробелы в знаниях, которые необходимо заполнить, прежде чем мы решим, как лететь на Марс.

Сколько времени займут эти предварительные медицинские исследования, можно только гадать, но они должны быть кратны общему времени миссии. Особенно сложно изучать частичную гравитацию – можно делать это на Луне (42% марсианской гравитации) и надеяться, что результаты распространятся и на Марс, а можно построить в космосе вращающиеся конструкции и проводить там более точные тесты.

Изучение влияния радиации означает полет животных за пределы магнитосферы на несколько лет и последующее наблюдение за ними на предмет опухолей, что (если новости о радиации не очень плохие) также займет некоторое время.

В программной инженерии есть полезная концепция под названием «бритье яка». Чтобы приступить к работе над проектом, нужно сначала подготовить инструменты, что часто предполагает изменение конфигурации среды программирования, что может означать обновление программного обеспечения, что требует поиска давно забытого пароля, и очень скоро вы оказываетесь под офисным креслом с шестигранным ключом. (В телешоу Malcolm in the Middle есть прекрасная иллюстрация «бритья яка» в контексте домашнего ремонта).

То же самое происходит и при попытке отправиться на Марс. Одно дело, если бы при наличии достаточного количества ракет и денег исследователи могли забраться на космический корабль и отправиться в путь. Но всегда есть цепочка необходимых предпосылок. Мы пишем «Пункт назначения: Марс!» на боку нашего космического корабля, а спустя десятилетие оказываемся на низкой околоземной орбите, крутя мышей в центрифуге. Это удручает.

Заманчиво сказать: «Вы можете просто построить это» и отбросить все эти исследования и испытания как робкие и ненужные. Но это означало бы игнорировать самый большой фактор риска для Марса, который я включу сюда для полноты картины.

Неизвестные риски

Полет на Марс настолько сложен, что мы не можем позволить себе игнорировать известные риски – нам нужно все место, которое мы можем выделить в нашем бюджете рисков для тех вещей, о которых мы пока не волнуемся, потому что их не знаем.

Моя цель во всем этом – не убить заветную мечту, а попытаться подтолкнуть людей к более реалистичному взгляду на то, что значит взять на себя обязательства по высадке на Марс, и, в частности, подумать о полете на Марс с точки зрения альтернативных затрат.

В последние годы в исследовании космоса произошло удивительное разделение. По одну сторону от него находятся такие миссии, как «Curiosity», «Джеймс Уэбб», «Гайя» или «Евклид», которые с каждым днем совершают новые открытия. Эти проекты имеют четко определенные цели и внушительный послужной список открытий.

На другой стороне – Международная космическая станция и уже двадцатилетняя попытка вернуть американцев на Луну. У этих проектов нет никакой цели, кроме увековечивания присутствия человека в космосе, и они съедают половину космического бюджета страны, не принося никакой пользы. Забудьте даже о Марсе – сегодня мы еще дальше от высадки на Луну, чем в 1965 году.

Отправляясь на Марс, у нас есть выбор, на какой стороне этой бухгалтерской книги быть. Мы можем яростно исследовать планету с помощью роботов, используя преимущества продолжающейся революции в автоматизации и программном обеспечении для запуска все более способных миссий в места, где, скорее всего, есть жизнь.

Или мы можем оставаться на беговой дорожке, на которой находимся уже сорок лет, медленно наращивая потенциал для высадки людей на максимально безопасный участок марсианской недвижимости, где они оставят после себя мемориальную доску и флаг. Но мы не можем сделать и то, и другое.

Сноски

[1] Цитата взята из устной беседы с Аароном в 2000 году.

[2] В качестве раннего примера можно привести статью журнала Scientific American 1928 года «Можем ли мы полететь на Марс?», в которой, несмотря на понятную небрежность в отношении двигателей, описывается орбитальная миссия класса «соединение», не сильно отличающаяся от эталонной архитектуры дизайна НАСА 2009 года.

[3] Валерий Поляков установил рекорд продолжительности космического полета в 437 дней, приземлившись в 1995 году. Международная космическая станция оставалась без пополнения запасов с 25 ноября 2002 года по 2 апреля 2003 года. Девять миссий «Аполлон» выходили за пределы низкой околоземной орбиты, самая продолжительная из них («Аполлон-17») пробыла в космосе 12,4 дня.

[4] Ракета-носитель «Сатурн V» могла вывести около 20 тонн на траекторию облета Марса. НАСА начало предварительное планирование такой миссии (требующей четырех запусков «Сатурн V») в 1967 году.

[5] В 1987 году команда под руководством Салли Райд предложила архитектуру миссии «сплит/спринт», которая, вероятно, является лучшим способом добраться до Марса. В этой архитектуре медленно движущиеся танкеры предварительно размещают склады криогенного топлива на орбите Марса, а затем в следующий синодический период человеческая миссия («спринтерская» часть миссии) ненадолго приземляется на Марс, заправляется из орбитальных складов и возвращается домой в течение 400 дней. Для такой миссии потребуется около 15 тяжелых запусков и две несуществующие технологии: долгосрочное хранение жидкого водорода в космосе и возможность перекачивать жидкий водород между космическими аппаратами в космосе. (Интересно, что обе эти технологии являются частью плана Blue Origin по созданию лунного корабля).

Другой способ быстро добраться до Марса – это ядерные тепловые ракеты. Ядерная тепловая ракета – это просто ядерный реактор, из одного конца которого выбрасывается горячий водород. Ядерно-термические ракеты примерно в два раза эффективнее химических, что делает возможным полеты с более высокими требованиями к Δv.

[6] Всестороннее обсуждение режимов отмены на «Аполлоне» см. в 1972 Apollo Experience Report – Abort Planning.

[7] Вы можете прочитать о возможных режимах прерывания полета на Марс в статье Earth to mars Abort Analysis for Human Mars Missions. Какого рода сценарий неудачи выиграет от двухлетнего варианта отмены – интересный философский вопрос.

[8] Я написал небольшой скрипт на питоне, если вы хотите сами поиграть с этими сценариями.

[9] Оборудование для жизнеобеспечения на МКС упаковано в компоненты, называемые «орбитальными сменными блоками». В некоторых случаях это означает, что придётся поднимать в воздух узел весом в сотни килограммов, потому что крошечный датчик в нем вышел из строя.

Вот неполный список ORU, которые заменяли в 2023 календарном году:

• Теплообменник в узле 3,

• Водяной сепаратор общего воздушного узла кабины,

• Водоотделитель узла 3,

• Клапан проверки жидкости в водоотделителе общего воздушного узла кабины,

• 21 угольный фильтр по всей станции,

• HEPA-фильтры в узле 3,

• Воздуходувка в узле удаления углекислого газа (дважды, первая замена не удалась),

• Узел распределения проб в узле 3,

• Узел масс-спектрометра,

• Мультифильтрационный слой,

• Насос в узле генерации кислорода.

[10] Ранний рециркулятор мочи на космической станции вышел из строя после того, как он забился кристаллами кальция, образовавшимися в результате распада костей астронавтов, – эффект невесомости, который не был должным образом учтен при проектировании.

[11] Цифра в 50 000 команд взята из книги «The ISS: Operating an Outpost in the New Frontier» – подробного руководства по эксплуатации космической станции. В последние годы загрузка МКС увеличилась, но все еще остается ниже 80 часов в неделю – эквивалента двух полных рабочих недель. Экипаж из семи человек тратит большую часть своего бодрствования на обязательные физические упражнения, уборку помещений и ремонт станции.

[12] Существующие приборы в космосе обычно настроены на определение химических веществ из целевого списка из 10-20 веществ, что гораздо проще, чем определение произвольных соединений.

О состоянии дел в этой области см. в статье «Progress on the Organic and Inorganic Modules of the Spacecraft Water Impurity Monitor, a Next Generation Complete Water Analysis System for Crewed Vehicles» (ICES-2023-110).

[13] Среди других примеров волшебных марсианских технологий – герметичные уплотнения для скафандров, безводные стиральные машины, покрытия, защищающие от биопленки, полноценные блюда, которые могут храниться годами при комнатной температуре, и автономные фабрики на солнечных батареях для превращения CO₂ в сотни тонн метана.

[14] Рекорд выносливости для замкнутых систем жизнеобеспечения принадлежит «Биосфере 2», в которой экипаж продержался 17 месяцев, прежде чем кислород упал до опасного уровня из-за непредвиденных взаимодействий со строительными материалами.

[15] Планы, связанные со «Starship» и Марсом, зависят от возможности производить сотни тонн топлива на марсианской поверхности, чтобы ракеты могли запускаться снова. В отсутствие каких-либо подробностей от Маска или SpaceX, самое близкое, что у нас есть к подробному плану, – это анализ в Nature.

[16] Насколько нам известно, набор проблем, называемых «ухудшением физического состояния», может стать еще хуже в условиях частичной гравитации. Это противоречит нашей интуиции, но в космосе случались и более серьезные сюрпризы.

[17] Еще одно решение, зависящее от эффекта частичной гравитации, – включать или не включать тяжелые тренажеры в среду обитания на поверхности Марса, где пространство и масса крайне дороги.