К созданию лунной базы: оставляя наследие Аполлонов позади. 1-я часть
Не переживайте. Мэтт Дэймон не застрянет на Марсе. НАСА не сможет его туда доставить.
Вашингтон Пост, 2 Окт. 2015
Облет Марса активно преподносится как реально выполнимая задача, хотя тех двух систем, которые НАСА разрабатывает для путешествий за пределы низкой околоземной орбиты, не достаточно даже для «возвращения» на Луну. Специалисты внутри НАСА признают, что согласованное международное усилие необходимо для решения проблем пилотируемых полетов в дальний космос. Наследие Аполлонов в этом смысле не представляет никакого интереса.
Куда Теперь?
Эмблема программы «Созвездие»
Американское космическое агентство НАСА в настоящее время наводнено планами полетов на Марс, но никакой из проектов не предусматривает остановки на Луне. В результате отмены Программы “Созвездие“ Луна, как промежуточный пункт, просто выпала из дорожных карт. Более того, нынешние марсианские программы также не предусматривают в обозримом будущем высадки на марсианскую поверхность. Какой же тогда видится ситуация с освоением космического пространства человеком? Не означает ли это, что Агентство вообще потеряло интерес к полетам человека в космос? Или все это стало слишком опасно?
Перспектива создания лунного форпоста, на которую с таким энтузиазмом настроились в 2005 г. [Arch. Study, 2005], в настоящее время оказалась отодвинута за пределы всех практических планов. Теперь весь замысел лишь в том, чтобы пролететь вблизи от Луны и Марса, но без высадки на поверхность. Похоже, мы отодвинулись еще дальше от планов строительства лунных баз в сравнении с тем, как это представлялось 10 лет назад.
Пусковая Система (SLS)
С самого начала своего новейшего плана по возвращению на Луну НАСА непрерывно работало по двум основным направлениям: Пусковая Система* (Space Launch System, SLS) и Пилотируемый Исследовательский Корабль (Crew Exploration Vehicle, CEV), известный как “Орион”, называемый также Многоцелевой Пилотируемый Корабль (Multi-Purpose Crew Vehicle, MPCV)2.
*) Это общее название подразумевает создание сверхтяжёлой
ракеты-носителя. - Прим. ред.
Эти два комплекса - легко узнаваемое позднее повторение, то есть очередная версия, печально известной ракеты Сатурн V и Командного модуля Аполлон (КМ). Однако в разработке этих новых аппаратов специалисты НАСА практически не опираются на, казалось бы, проверенную технологию Аполлонов [NEXUS, 2015].
Важно понимать, что, во-первых, эти два комплекса будут пригодны только для облета Луны, но их будет определенно недостаточно для дальних межпланетных перелетов между Землей и Марсом, и, во-вторых, другие необходимые системы не включены в текущие планы разработок НАСА. Итак, чего в действительности можно достичь в течение примерно последующих 10 лет?
Манящий Марс
В последние годы НАСА с большим энтузиазмом и страстностью стало возбуждать активный интерес публики к полетам человека на Марс. Ведущие средства массовой информации обращаются к этой теме практически во всех журналах, газетах и телевизионных шоу, связанных с космической тематикой, и даже не связанных с ней. Под их общим углом зрения, это все представляется как новое грандиозное начинание по исследованию человеком космического пространства, сопоставимое разве что с легендарной сагой о заявленных посадках Аполлонов на Луну между 1969 и 1972 гг. Однако, на сей раз не предвидится никаких посадок на Марс, по крайней мере, в ближайшие 20 лет, то есть до середины 30-х гг., когда Агентство надеется отправить астронавтов на облет Марса.
При разработке отдельных фрагментов технических средств и оборудования НАСА правомерно признает, что:
“…наиболее сложная проблема первичных пилотируемых полетов заключается в поддержании безопасных условий для экипажа во время миссий длительностью до 1100 дней. Жилищные условия и связанные с ними системы обслуживания космического корабля, включая запасы продовольствия, одежды, газа для дыхания и, наконец, человеческий фактор* представляют собой существенную часть архитектуры корабля. Космическое жизнеобеспечение должно отвечать предъявляемым требованиям как в течение межпланетного перелета, так и на поверхности Марса.” [Mars Strategy, 2015, p. 31].
*) Очевидно, имеются ввиду такие прозаические моменты, как душ, туалет, медицина, спорт-тренажеры, а также общение экипажа, включая право на личную жизнь в коллективе. Напомним, что на борту КМ Аполлонов вообще не было туалета. - Прим. ред.
Ключевой элемент аппаратных средств обозначается термином «космический дом», который фактически является мега-концепцией, по масштабу аналогичной Международной Космической Станции (МКС), только в данном случае предполагается, что она теперь отправится в межпланетное путешествие.
Итак, техническая проблема обрисована, но как же насчет практического решения, и каковы вероятные шаги для его осуществления? Счетная Палата США (Government Accountability Office, GAO) заявляет, что НАСА недавно опубликовало стратегию для полета на Марс, но “документ не предоставляет дополнительных подробностей о пилотируемых экспедициях будущего, и это затрудняет понимание того, как НАСА представляет себе, сколько потребуется полетов, и какие будут поставлены задачи, чтобы добраться до Марса”. [GAO, 2016, p.17] Нет никаких признаков, что у НАСА есть какие-либо реальные планы для разработки всего этого.
С объявленной сомнительной целью полета к Марсу когда-нибудь в 30-е гг. Агентство обеспечило себе несколько лет дальнейшего безмятежного существования, продолжая разрабатывать два основных комплекса: Пусковую Систему и Орион. Однако, информационный шум превратил Орион в универсальное межпланетное транспортное средство, которое, можно подумать, было спроектировано для доставки экипажей на Марс. Заголовки недавних публикаций гласят: “…Теплозащитный экран Ориона… который необходим для достижения Марса” и “…Корабль Орион, который может доставить человека на Марс, получает металлический теплозащитный экран”. [AmericaSpace, 2015], [Daily Mail, 2015]
Несомненно, что Орион, являясь обязательным элементом для полетов человека в дальний космос*, не сможет обеспечить многомесячное путешествие с целью доставки астронавтов на Марс.
*) Термин «дальний космос» в целом подразумевает полеты за пределами Низкой Околоземной Орбиты (НОО). - Прим. ред.
В действительности, прежде всего это аппарат для спуска на Землю, который по своим спецификациям может служить как временная космическая спасательная шлюпка для экипажа на срок максимум до трех недель. Зачем в таком случае вся эта блаженная ложь на публику?
Очевидно, прожект марсианской миссии эксплуатируется с далекими от практических задач целями, чтобы завуалировать реально неприглядные аспекты технических возможностей Агентства и нарисовать картину, приукрашивающую реальное положение дел.
Похоже, что НАСА преднамеренно осуществляет свою “стратегию поэтапной разработки”, о которой сообщалось ранее. Очевидно также, что Агентство отложило на неопределенное время разработку тех многих систем жизнеобеспечения, которые необходимы для дальних пилотируемых космических экспедиций.
“…Например, пока НАСА не начнет программу разработки спускаемых аппаратов и систем поверхностного базирования, возможности для астронавтов будут ограничены орбитальными экспедициями с использованием MPCV (Многоцелевой Пилотируемый Корабль).” [NASA Audit, 2013, p. ii]. Спустя три года после этого аудита, тактика НАСА преднамеренно оставлять серьезные пробелы в своих планах в значительной степени остается без изменений.
Орион Сегодня
Эмблема проекта «Орион»
Между тем, первые испытания космического корабля Орион CEV, проведенные 5 декабря 2014 г. (Exploration Flight Test 1, EFT-1), были расценены как успех. В этом испытательном полете скорость аппарата при возвращении на Землю была ниже, чем она должна быть при возвращении с Луны, и тепловое воздействие на термозащитный экран было меньше, чем ожидается при таком возвращении. Насколько значимы тогда результаты этих испытаний?
С беспрецедентной открытостью НАСА доложило о различных, казалось бы, частичных второстепенных изменениях, которые необходимо внести в конструкцию капсулы Ориона перед следующим испытательным полетом. При более близком рассмотрении оказывается, что НАСА предпринимает серьезную модификацию Ориона. Становится ясно, что шаг за шагом НАСА усваивает небольшие, но жизненно важные уроки - как если бы оно никогда ранее не приобретало опыта в этой области.
Счетная Палата отметила недавно, что “программа Орион продолжает сталкиваться с конструктивными проблемами, включая переработку теплозащитного экрана вследствие экспертного заключения, что предыдущая конструкция, отработавшая в первом испытательном полете в декабре 2014 г., не будет отвечать требованиям первого беспилотного полета”. [GAO, 2016, p. 10]
Очевидно, что тут Счетная Палата имеет в виду беспилотную исследовательскую миссию 1 (Exploration Mission 1, EM-1), то есть полет вокруг Луны, первоначально планируемый на 2018 г. Согласно отчетам по Аполлонам, в таком беспилотном облете не было необходимости в 1968 году перед якобы имевшем место полетом Аполлона-8 прямо к Луне в самый первый раз и сразу с экипажем на борту. Теперь же, по прошествии 10 лет исследовательских и конструкторских разработок, Орион, даже без экипажа, считается неготовым для такого полета. Где же весь тот аполлоновский опыт возвращения на Землю?
Профиль Входа в Атмосферу
Локхид Мартин* опубликовал доклад, в котором указаны координаты точки приземления Ориона при его первом испытательном полете [Lockheed, 2015, p. 9], но нет данных о длине траектории Ориона от точки интерфейса (входа) в атмосферу до места посадки, т.н. “протяженность спуска“.
*) Lockheed Martin Corporation - генеральный разработчик капсулы и систем Ориона. - Прим. ред.
Оценка на основании доступных данных приводит к результату, что протяженность траектории спуска составляла чуть менее 1500 км. Получается, что Орион покрыл немного меньшее расстояние по сравнению с типичной посадкой Аполлона, имея исходную скорость 8,9 км/сек - существенно ниже, чем будет при штатном возвращении, т. е. 11,2 км/сек. Тем не менее, можно построить график зависимости высоты от дальности и оценить профиль траектории входа в атмосферу. Оказывается, профиль спуска близок к аполлоновскому, определяемому как “двойной нырок” (“double-dip”) при прямом входе в атмосферу [NEXUS, 2015].
В некоторой степени новый опыт представляется как ретро-взгляд на “виртуальную реальность” прошлого. Другой аспект заключается в том, что при этих испытаниях перегрузки для будущих экипажей были выше, чем перегрузки, зафиксированные при полетах Аполлонов. Максимальная перегрузка для Ориона составляла 8,2 g, что немного больше по сравнению с перегрузками, которые записаны в отчетах по посадке командных модулей Аполлонов-8, -10 и -11, при этом наибольшая из них была 6,8 g. В отчете делается вывод, что при следующем испытательном полете, EM-1, будут опробованы “несколько новых возможностей”, в том числе скользящий спуск с отскоком от атмосферы [Lockheed, 2015, p. 14].
Крис Крафт (Chris Kraft)
Важно отметить, что сегодня специалисты НАСА признают, что для них спуск с отскоком от атмосферы является новым методом, который еще только предстоит опробовать [NEXUS, 2015]. Впрочем, на эту тему есть много недоразумений. Например, в своей книге Крис Крафт, Руководитель Полетов НАСА во времена Аполлонов, говорит, что КМ Аполлона-8 “совершил отскок от атмосферы, что позволило погасить избыточную скорость и энергию, затем погрузился в атмосферу и приводнился на удалении нескольких миль в поле наблюдения телевизионных камер” (курсив автора). [Kraft, 2001, p. 301]
К 2009 г. Крафт пересмотрел и подправил это первоначальное искажение истории так, что оно превратилось в последующее уверенное утверждение:
“По причине того, что скорость была слишком велика, если пытаться осуществить прямой вход в атмосферу, то требования к теплозащитному экрану должны быть очень высоки. Поэтому то, что мы сделали, это дали им войти в атмосферу, потом отскочили от неё, чтобы погасить скорость, и затем вновь погрузились в неё. Это привело к значительному снижению теплового удара на теплозащитный экран космического аппарата.”[Popular Mech., 2009].
Это полностью сфабрикованное заявление о маневрах КМ Аполлона с отскоком от атмосферы, прозвучавшее из уст одного из ведущих руководителей программы, является классическим примером того, как создавалась и совершенствовалась аполлоновская мифология с течением времени. Неожиданно оно стало поводом для довольно неприятного конфликта с бывшими астронавтами программы Аполлон, когда на конференции Autographica их критицизм был адресован лично Крису Крафту [Autographica, 2014].
Наиболее впечатляющий случай возвращения лунной экспедиции к Земле - это, конечно, чрезвычайное возвращение Аполлона-13, которое, по утверждениям НАСА, продемонстрировало надежность методики НАСА и способность Агентства быстро перенастроить полетную программу для безопасного возвращения. Корректировка траектории, чтобы “перенацелить космический корабль, чтобы он не прошел на расстоянии 40 000 миль мимо Земли”, как излагается в драматическом повествовании, было достигнуто с помощью “незначительной подстройки курса двигателем модуля”. [Lovell, 1994, p. 150] Во время своего маневра к Земле астронавты Аполлона-13 не могли видеть планету, но тем не менее смогли точно скорректировать курс, используя простую навигационную таблицу (Рис.1).
Навигационная таблица Аполлона-13
Рис.1. Навигационная таблица Аполлона-13, называемая “Визуальная диаграмма для вычисления положения Аполлона по углам тангажа и рыскания, 1960-е гг.”, экспонируемая в Историческом Музее Штата Техас в г. Остин, Техас (Bullock Texas State History Museum, Austin, Texas).
Слева внизу - наручные часы, с помощью которых пилот Аполлона Джэк Свигерт, как утверждается, отсчитал критические 14 секунд работы двигателя для тонкой корректировки траектории корабля. (Фото Ф. Кутса).
Подлинная таблица Аполлона-13 в настоящее время экспонируется в Историческом Музее Штата Техас в столице штата г. Остине. Мы должны поверить, что тогда это было достаточным инструментарием для точной ручной корректировки курса космического корабля в чрезвычайной ситуации. Подпись к экспонату утверждает, что “астронавты совершили подстройку курса вручную, используя линию терминатора Земли (линия, которая разделяет на земной поверхности ночь и день)”. Этот текст дополняет рассказ в изложении командира Аполлона-13 Джима Ловелла, как их КМ “приближался к Земле с ночной стороны, и при этом было ясно, что в критический момент перед входом в атмосферу там внизу ничего не будет видно, только темная масса там, где должна находиться планета" [Lovell, 1994, p. 304], т. е. в тот момент не было видно никакой линии терминатора из-за положения планеты.
Таким образом, версия командира о процессе корректировки оказывается даже более поразительна, чем музейная версия, и ее можно сравнить с попаданием в яблочко, когда мишень вообще не видна. Справедливости ради следует отметить, что в навигационном отчете о возвращении Аполлона-13 сообщается о неоднократных корректировках курса с помощью звезд и Солнца; это заслуживает отдельной статьи.
Почему все это так интересно в связи с разработкой Ориона? Большой вопрос вот в чем: почему для НАСА необходимо освоить методику возвращения на Землю с отскоком от атмосферы, когда в отчетах утверждается, что в прошлом Агентство успешно продемонстрировало технику прямого спуска?
Ответ заключается в том, что не следует возвращаться из дальнего космоса методом прямого спуска, так как с большой вероятностью это приведет к фатальному исходу. [NEXUS, 2015]
Аэродинамика
Что касается автоматизации процесса спуска во времена Аполлонов, эксперт Инструментальной Лаборатории МТИ Дан Ликли3 в интервью 2001 года, обсуждая действия астронавтов в критический период входа в атмосферу, заключил: “Насколько я знаю, никто из них даже не прикасался к рычагу управления, - так как на этапе спуска, - вспоминал Ликли, - они были совершенно разбиты после двухнедельного полета.” [Digital Apollo, 2008, p. 160]. Поэтому мы вынуждены прийти к выводу, что все посадки Аполлонов проходили в автоматическом режиме.
“Алгоритм управления Орионом при посадке в основном был такой же, как аполлоновский алгоритм”, таким образом, на атмосферном участке траектории Орион совершил ряд довольно крутых (“мгновенных”) разворотов по углу вокруг продольной оси для управления спуском [Lockheed, 2015, p. 8] аналогично тому, как описано в отчетах миссий Аполлонов. Аполлоновский отчет на эту тему, как всегда, безупречен, так что никаких упоминаний о физиологических проблемах с экипажем там не встретить. Однако, весьма вероятно, что такие маневры могли вызывать физиологические проблемы для экипажа, поэтому не удивительно, что теперь предполагается провести серию экспериментов для исследования неблагоприятных воздействий, которые может испытывать экипаж при посадке. См. ниже абзац про “манекены в шлемах".
Для понимания современного технического уровня НАСА основательный отчет 2005 года [Arch. Study, 2005], анализирующий потенциальные возможности Агентства, остается наиболее полным источником информации. Что касается возвращения КМ из-за пределов НОО, там недвусмысленно утверждается, что имеется такая важная характеристика при посадке спускаемого модуля, как моностабильность, которая “означает, что спускаемый аппарат имеет только один устойчивый угол атаки* на атмосферном участке траектории”.
*) Более точно: одно устойчивое положение в продольной плоскости со стабильным углом атаки. - Прим. ред.
Это гарантировало бы, что аппарат самостоятельно примет правильное положение теплозащитным экраном вперед по направлению движения в пассивном режиме, без воздействия со стороны системы управления.
“Спускаемый аппарат Аполлона был не в состоянии достичь моностабильности из-за невозможности расположить центр тяжести (ЦТ) достаточно близко к теплозащитному экрану. Напротив, спускаемый аппарат Союза моностабилен, и утверждается, что он может обеспечить нужное продольное позиционирование аппарата и успешный спуск в случае первоначального неупорядоченного кувыркания со скоростью до 2 град/сек.” [Arch. Study, 2005, p. 261].
Анализ аэродинамической устойчивости в Архитектурном Исследовании приводит к необходимости “переориентировать спускаемый аппарат из положения ‘вершиной вперед' в положение 'экраном вперед' в процессе спуска” из-за опасения, что “…КМ CEV, как и КМ Аполлона, может быть бистабилен и иметь второе устойчивое положение, в котором вершина конуса спускаемого аппарата будет направлена по направлению вектора скорости. Такая ориентация, очевидно, недопустима, так как аппарат (CEV) будет неспособен противостоять интенсивному нагреву при входе в атмосферу. Если ЦТ аппарата может быть занижен достаточно близко к теплозащитному экрану в кормовой части, то второй стабильной точки можно избежать, и аппарат будет иметь единственное (моностабильное) продольное положение, при котором теплозащитный экран будет направлен вперед по вектору скорости.” [Arch. Study, 2005, p. 231].
Ясно, что КМ Аполлона не имел этого важного свойства. Насколько тогда опасным было возвращение домой в таком аппарате? Нынешние испытания Ориона еще должны дать ответ на этот вопрос, спустя более 45 лет после бурных оваций в честь приземлений Аполлонов, которые каждый раз объявлялись безукоризненными.
“Дизайн и форма командного модуля CEV прошли в своем развитии четыре этапа, рассмотренных в этом Исследовании, с первичным производным от аполлоновского дизайном диаметром 5 м с 30-градусным наклоном боковой стенки.” [Arch. Study, 2005, p. 223]. В первом цикле модификации его форма является фактически очертанием Ориона (Рис.2). Дальнейшая модификация КМ Аполлона на третьей стадии (Рис.2) приближает орионовские очертания к форме капсулы Союза (Рис.3), у которой больше шансов выдержать процесс возвращения на Землю.
Модификация размеров командного модуля CEV
Рис.2. Последовательная модификация размеров командного модуля CEV согласно отчету 2005 года. Дизайн и форма КМ эволюционировали в четыре этапа, как показано в Архитектурном Исследовании [Arch Study, 2005], при этом производный от аполлоновского дизайн диаметром 5 м с углом боковой стенки конуса 30 градусов [Arch. Study, 2005, p. 223] фактически является конфигурацией Ориона.
Российский спускаемый аппарат Союз
Рис.3. Российский спускаемый аппарат Союз, экспонируемый в Научно-Космическом Центре Шабо (Chabot Space & Science Center) возле Сан-Франциско, Калифорния. (Фото Ф. Кутса)
(Хорошо видно, что инженерная эволюция разработок реального спускаемого аппарата американцев плавно придрейфовала к форме старого советского корабля "Союз". Вот это и есть отличие настоящих полётов в космос от голливудских. прим. photo-vlad )
Более того, НАСА в своем Исследовательском Центре в Лэнгли (Langley Research Center), намеревается оценить качество безопасности космического корабля Орион для экипажа при возвращении из дальнего космоса, имитируя различные сценарии приводнения “путем сбрасывания макета Ориона в связке с тем теплозащитным экраном, который был использован в первом полете”. Предполагается, что шлем на голове астронавта может оказывать негативное воздействие из-за своего веса. “Боковые нагрузки вызывают швыряние головы из стороны в сторону, так что полезно разобраться на манекенах, какая будет реакция в шлемах и без.” [Langley, 2016].
Этот упрощенный комплекс испытаний неизбежно вызывает вопросы, а изучал ли кто-нибудь вообще эти аспекты применительно к программе Аполлон? Если, на первый взгляд, экспериментирование с приводнением кажется тривиальным и запоздалым, то обеспокоенность специалистов НАСА тем, что астронавты могут пострадать от перегрузок во время спуска - особенно во время маневрирования по углу крена, как описано выше, причем сразу после многодневного пребывания в невесомости - кажутся вполне обоснованными.
Испытательный манекен
Тогда становится ясно, что такие эксперименты с манекенами в шлемах действительно важны и необходимы. Опять же, надо отметить, что с любой точки зрения не видно никакой связи с предыдущим опытом Аполлонов, если на него вообще кто-то опирается.
Более того, разработчики рассматривают эти испытания как “один из множества шагов, необходимых для того, чтобы Орион гарантированно отвечал всем требованиям для отправки человека впервые за пределы околоземного пространства.” [Langley, 2016]. В другом аналогичном обозрении делается вывод, что Орион “вернется на Землю с большей скоростью и с более сильным нагревом, чем когда-либо прежде.” [Ins and Outs, 2016]. Что это значит? Можно ли делать подобные заявления, не подразумевая при этом, что полетов Аполлонов вообще не было?
Источник Продолжение, 2-я часть.
Каталог всех статей журнала с ссылками: https://photo-vlad.livejournal.com/1627.html