Промежуточная станция

Совсем недавно стало известно, что российский космонавт может отправиться к Луне уже в 2024 году. По плану, ему предстоит сопровождать жилой модуль будущей обитаемой станции Lunar Orbital Platform-Gateway, которая будет вращаться, как можно догадаться из названия, вокруг Луны. И хотя это не первый подобный проект, на сегодняшний день он — самый многообещающий. В нашем материале мы рассказываем о том, зачем нужна станция у спутника Земли, на что она будет похожа, а также с какими трудностями предстоит столкнуться исследователям при полетах.

Космические державы сегодня напоминают человека, который стоит на берегу моря и никак не может решиться нырнуть. В результате мы уже 40 лет «топчемся» на низкой околоземной орбите, и когда будут отправлены новые пилотируемые экспедиции за ее пределы, все еще неясно. Надежды на активное освоение космоса дают проекты создания международной базы «на полпути» от Земли к ближайшему небесному телу — Луне.

Руководители космических агентств в один голос соглашаются, что следующей большой целью пилотируемых полетов должен стать Марс. Но такая задача слишком дорога и сложна для того, чтобы браться за нее «с кондачка». Она требует изрядной подготовки и большого опыта, так что начать стоит с цели не столь рискованной, выбрав что-нибудь попроще.

Лидеры в освоении космоса, Соединенные Штаты, за последние десятилетия несколько раз называли такие доступные цели — и меняли их на новые. Амбициозная программа Constellation с планами возвращения людей на Луну сменилась полетом к астероиду, а затем — проектом «поимки» такого астероида и его буксировки на орбиту Луны. В 2012 году NASA обсуждала с Роскосмосом возможность создания совместной обитаемой станции в точке Лагранжа, где действуют несколько космических телескопов. Но лишь недавно две державы всерьез заговорили о том, чтобы сделать шаг в другом направлении и построить станцию над Луной.

Эпоха «бури и натиска»

Проектов окололунных орбитальных станций разной степени дерзости было множество. Еще в 60-е годы Сергей Королев предлагал создать некий подстраховочный пункт, где хранились бы запасы, предназначенные для обслуживания межпланетных космических комплексов. Один из самых проработанных проектов появился в 1971 году, когда в NASA рассматривали колоссальный «Интегрированный план освоения космоса», связанный со строительством разветвленной инфраструктуры далеко за пределами Земли. Станции на околоземной и геостационарных орбитах, межорбитальные буксиры с ядерными реакторами, полностью многоразовые шаттлы, а в перспективе — базы на Марсе и на Луне... Окололунная база планировалась как почти рядовая часть этого грандиозного комплекса.

По проекту компании North American Rockwell, главный модуль будущей станции должен был состоять из цилиндрической конструкции размерами 18,5×8 метров (в полтора раза шире и вдвое длиннее «Зари», базового модуля сегодняшней МКС). Разделенный внутренними палубами, он мог разместить каюты и лаборатории, места для отдыха и складские помещения. К главному модулю планировалось присоединить примерно такой же по размерам энергетический (с солнечными батареями площадью почти 1000 квадратных метров), а также экспериментальный модуль со шлюзом и хранилищем для микроспутников. Предусматривалась пристыковка и дополнительных компонентов, так что общая масса всего окололунного комплекса могла достигать 71,5 тонны.

Доставлять громоздкие модули станции к месту постройки могли сверхтяжелые ракеты Saturn V, уже тогда возившие людей к Луне, либо корабли Space Shuttle, которые в то время оставались еще на стадии раннего эскизного проекта. Предполагалось, что станция сможет играть роль центра управления всеми элементами лунной инфраструктуры, станет базой для пилотируемых экспедиций на спутник, обеспечит поддержку исследовательским станциям и роботам на поверхности, позволит проводить экспресс-анализ образцов и запускать небольшие исследовательские аппараты.

Похожие идеи высказывали и советские ученые. В 1987 году в рубрике «письмо в XXI век» журнала «Техника молодежи» Владислав Шевченко, доктор физико-математических наук, написал:

Если перевести космическую станцию на окололунную орбиту, она станет координационным центром всей операции по освоению этого небесного тела. Отсюда на первых этапах, предшествующих строительству лунной базы, будет осуществляться управление луноходами, здесь будут проводиться анализы пород, доставленных из различных районов Луны автоматическими аппаратами, ставиться биологические и другие эксперименты.
Но и потом, после окончания строительства, штаб не утратит своего значения. Он превратится в космический причал Луны. Можно предполагать, что отсюда в неблизком будущем устремятся к планетам Солнечной системы корабли, целиком построенные на Луне.

Время задуматься

В наше практичное время такие проекты выглядят чистой утопией, и современные предложения оказываются куда скромнее. В соответствии с духом времени должны измениться и задачи перспективной окололунной станции. Среди них называют помощь в выборе оптимальных, богатых ресурсами и защищенных от радиации областей для размещения будущей базы, а также предупреждение пресловутой астероидной угрозы. В самом деле, наблюдателям на лунной орбите Земля видна «со стороны», что теоретически позволяет отслеживать астероиды, которые приближаются к нам со стороны Солнца и могут оставаться незамеченными для наземных инструментов (как это случилось с 20-метровым астероидом, который внезапно взорвался над Челябинском в феврале 2013 года).

Кроме того, окололунная станция способна стать центром управления лунными «дронами», небольшими луноходами или беспилотными посадочными зондами. Отсутствие задержки сигнала позволит легко передавать им команды, сделать их устройство проще и дешевле традиционных исследовательских зондов, которые нуждаются в большой автономности. Проекты таких систем, контролируемых с орбиты, разрабатываются уже сейчас. Не далее как в апреле 2016 года европейские астронавты, оставаясь на МКС, продемонстрировали управление роботизированным ровером, находившимся на Земле. Впрочем, и эти скромные проекты многие специалисты считают ненужной обузой.

По их мнению, будущим посетителям Луны орбитальная станция может пригодиться разве что в том случае, если удастся наладить производство топлива из местных ресурсов. Обнаруженные у полюсов спутника запасы лунного льда позволяют рассчитывать, что в будущем из него можно будет получать воду, а также кислород и водород для топлива и дыхания. В этом случае создание заправочной станции на окололунной орбите будет иметь прямой экономической смысл.

Однако пока добыча кислорода и водорода из лунного льда остается делом неопределенного будущего, да и использовать их, возможно, проще непосредственно на поверхности Луны. Даже слежение за астероидами можно организовать без участия человека, с помощью автоматических аппаратов.

Переосмысливая станцию

Однако в пользу постройки окололунной станции есть как минимум один «непробиваемый» довод. Такой проект может стать весомым ответом на вопрос о том, что станет с пилотируемой космонавтикой после МКС, как и на что будет использован громадный опыт совместной работы, накопленный за годы ее создания и эксплуатации. Международная станция действует уже почти 20 лет, окончание ее работы обозначено 2024 годом — возможно, сроки будут продлены до 2028-го, но рано или поздно ее все равно придется сводить с орбиты. И тогда международная кооперация может найти естественное продолжение уже у лунной орбиты. Работа на новой станции позволит сохранить этот опыт и набрать новый, необходимый для следующего этапа, пилотируемой экспедиции на Марс.

В сентябре 2017 года NASA и «Роскосмос» подписали соглашение о намерениях по созданию окололунной станции Deep Space Gateway, впоследствии переименованной в Lunar Orbital Platform-Gateway. Космические агентства и их партнеры по МКС создали рабочую группу для обсуждения реализации этого проекта. По словам космонавта Олега Котова, наиболее детально прорабатывается вариант создания станции на полярной высокоэллиптической орбите. Низкая орбита не слишком выгодна из-за необходимости постоянных коррекций. Эллиптическая же позволит станции подолгу «зависать» на месте, ретранслировать сигналы на Землю и вести поиск подходящих мест для будущей базы, в том числе с помощью дистанционно управляемых зондов.

В начале года прошло крупное собрание с участием около 300 специалистов, где обсуждались основные направления работы с Lunar Orbital Platform-Gateway. Предполагается, что это будет сравнительно скромная посещаемая станция из четырех небольших модулей.

Первой к Луне отправится силовая установка Power Propulsion Element (PPE) мощностью около 40 киловатт, которая будет выполнять ключевые для орбитальной базы функции. Ее разработкой занимаются пять компаний: Boeing, Lockheed Martin, Orbital ATK, Sierra Nevada Corporation и Space Systems Loral. NASA будет выбирать окончательный вариант, как только компании продемонстрируют работоспособность предложенного ими проекта — причем не исключено, что будет заключено более одного контракта.

Ожидается, что запуск произойдет уже в 2021-2022 году. PPE будет нести необходимые в себе элементы, необходимые для обеспечения станции энергией, коррекции орбиты и связи с Землей и другими космическими кораблями. Кроме того, на силовой установке может находиться полезная нагрузка, предназначенная для проведения измерения уровня радиации и обнаружения нейтронов, нейрокогнитивных экспериментов и оценки психологического здоровья, выращивания растений и переработки отходов.

Следом к спутнику Земли будет доставлен жилой модуль (предположительно, не позднее 2025 года), где в течение как минимум 30 дней сможет находиться экипаж из четырех человек. В статье для американского издания Popular Mechanics журналист Анатолий Зак сообщал, что в качестве основы российская РКК «Энергия» предлагает использовать большой научно-энергетический модуль НЭМ массой 24 тонны, который сейчас строится для МКС. Однако для его вывода на окололунную орбиту понадобится сверхтяжелая ракета, которую еще только предстоит создать — сегодня NASA намерено использовать американскую Space Launch System, первый полет которойпроизойдет не раньше 2019 года.

С другой стороны, в прошлом году NASA рассказало о том, что в рамках программы NextSTEP шесть компаний также разрабатывают прототипы жилого модуля (в том числе и компания Bigelow Aerospace, которые собирается запустить к Луне частный жилой модуль). Есть все шансы, что один из них будет выбран для LOP-G, но об этом мы не узнаем до второй половины следующего года.

Третьим элементом будущей орбитальной станции станет модуль логистики. Туда будут приходить грузы, которые позволят продлить миссию экипажа, там же могут проводиться научные эксперименты и демонстрация технологий. Кроме того, модуль можно будет потенциально использовать в коммерческих целях — правда, пока что не понятно, как именно.

И последней на окололунную орбитальную базу отправится шлюзовая камера для выходов экипажей в открытый космос — предложение о ее постройке может получить Россия.

Разработка и создание первых модулей для создания окололунной станции обойдутся в 2,7 миллиарда долларов, причем NASA планирует запросить первые 504 миллиона из бюджета США уже в новом году. Из них 328 миллионов потратят на энергетический модуль, а оставшиеся 176 миллионов — на обитаемый модуль, как сообщается в презентации Марка Гейера, исполнительного директора NASA по пилотируемым программам.

Безопасная комната

Космонавты на борту МКС получают дозу радиации примерно в 200 раз большую, чем люди на поверхности Земли, накрытые атмосферой, — ежедневно она составляет порядка 1 миллизиверта. Однако благодаря тому, что важный элемент противорадиационной защиты у них сохраняется — действие магнитного поля планеты продолжается далеко за пределы орбиты космической станции — люди могут находиться на орбите до 200 дней без особого риска. Возле Луны этот фактор перестанет действовать — и смогут ли люди там жить и работать, еще большой вопрос.

«Если планету Земля представить как космический корабль, то у него есть два средства защиты от радиации, — объяснил нам заведующий лабораторией радиационного контроля при космических полетах Института медико-биологических проблем РАН Вячеслав Шуршаков. — Первое — это атмосфера Земли, она экранирует, примерно как 10-метровый слой воды. Второе — это магнитосфера».

С другой стороны, действие магнитосферы не всегда позитивно: ее линии образуют радиационные пояса, своего рода «карманы», где накапливаются космические частицы высоких энергий, опасные и для человека, и для электроники. Обычно они не пересекаются с орбитой МКС, однако существуют особые зоны, например Южно-Атлантическая Аномалия, где высота внутреннего пояса может «провисать» до 200 километров над поверхностью, что создает опасность для экипажа станции.

«Получается, что роль магнитного поля двояка. С одной стороны, оно защищает, а с другой стороны — создает зоны повышенной радиации. Поэтому доза опасной радиации что на окололунной, что на околоземной орбите будет примерно одинаковой», — уверяет Вячеслав Шуршаков.

На этом фоне главной проблемой для посетителей будущей окололунной станции могут стать вспышки на Солнце. Они сопровождаются выбросами мощных и быстрых потоков частиц. Вне магнитосферы они могут быть смертельно опасны (во многом из-за того, что быстрое облучение опаснее медленного накопления радиации), но от них можно спастись, просто спрятавшись за подходящий экран. Даже очень мощные экраны не будут достаточно эффективны против галактичеких космических лучей - тяжелых ионов очень высоких энергий, которые попадают в окрестности Земли из межзвездного пространства. Однако и в околоземном пространстве от них защититься сложно, поскольку частицы высоких энергий почти не задерживаются магнитосферой.

Поэтому обязательным элементом будущей окололунной станции должно стать противорадиационное убежище, а роль экранов могут сыграть, например, баки с водой и топливом, расположенные вдоль обшивки защищенного модуля. Современные средства наблюдения за Солнцем позволяют вовремя заметить приближение такого потока — и переждать его в укрытии. Тем не менее, создание дополнительных конструкций априори ведет к увеличению веса станции, что усложнит ее вывод на орбиту.

Проба пера

Конечно, столь масштабную и необычную миссию, как Lunar Orbital Platform-Gateway, нельзя запустить без подготовки. Все-таки одно дело — отправлять людей в короткие экспедиции, а другое — долгосрочная работа на лунной орбите. Именно поэтому до запуска станции планируется провести как минимум два подготовительных исследования. Их план был также представлен в презентации Марка Гейера 1 мая.

В первой пробной миссии примут участие корабль «Орион» и ракета SLS. Сначала она выведет космический аппарат на околоземную орбиту. На его борту будут находиться 13 кубсатов — очень маленьких исследовательских спутников, которые отправятся вместе с «Орионом» к Луне. Корабль сделает виток вокруг нее по вытянутой эллиптической траектории, в то время как кубсаты лишь немного пробудут в «гравитационных владениях» спутника и отправятся на гелиоцентрическую орбиту.

После совершения одного полного оборота «Орион» вернется на Землю и приземлится где-то в океане. Общее расстояние, которое преодолеет космический аппарат, составит около двух миллионов километров, и на это понадобится 25,5 дня. Тестовый полет позволит, в первую очередь, протестировать технологии и проверить, как чувствует себя в космосе космический корабль.

Во вторую миссию «Орион» отправится вместе с экипажем. Вероятно, поэтому корабль не будет делать полных оборотов вокруг Луны, а сам полет будет длиться почти в три раза меньше, чем первый. В общей сложности космонавты проведут рядом со спутником Земли четыре дня, а после возвратятся домой.

В целом, технические и медицинские проблемы, связанные с постройкой и эксплуатацией окололунной станции, решаемы, особенно с учетом скорости прогресса технологий. Проект может стать важным этапом в развитии пилотируемой космонавтики, промежуточным шагом от МКС к созданию постоянных баз на Луне и посещению Марса. Остается надеяться, что участникам не помешают более существенные трудности — экономика и политика, а также что бюджет проекта не разрастется, как это произошло с «Джеймсом Уэббом».

Кристина Уласович