Помоги проекту - поделись книгой:
Состоящий из четырех частей космический аппарат был оснащен инструментами для фотосъемки, картирования водяного пара, температуры, сейсмологии, метеорологии и так далее, но сердцем миссии было оборудование для биологических исследований. Инженеры, обслуживавшие «Викинг», упаковали три биологические лаборатории общим весом около 9 килограммов в объем, который можно уместить на книжной полке.
Три эксперимента в биологическом блоке строились на одном базовом принципе: нужно закрыть в контейнере с питательной средой небольшое количество марсианского грунта, выдержать в различных условиях, а затем измерить количество выделившихся или поглощенных газов. Эти эксперименты отличались друг от друга подходом к выдерживанию образцов и результатами, которые аппаратура должна была зафиксировать и измерить в качестве доказательств жизни. Посадочные модули «Викинг» также были оснащены рентгеновскими инструментами, способными провести химический анализ почвы, и газовыми хроматографами и масс-спектрографами (ГХМС), которые могли обнаружить и идентифицировать органические компоненты почвы.
Поиски жизни начались на восьмой марсианский день аппарата «Викинг-1» – восьмой сол в местной часовой зоне, 28 июля 1976 года на Земле, – когда посадочный модуль вытянул манипулятор для сбора образцов, пронес его над поверхностью Марса и доставил грунт в контейнер для исследований. Три эксперимента получили свои маленькие доли и приступили к работе. В течение следующих трех дней все три эксперимента дали невероятные результаты. Аппаратура зафиксировала мощное выделение газов – в некоторых случаях практически сразу после помещения марсианского грунта в питательную среду.
Биологи из команды «Викинга» были ошеломлены. Три эксперимента, три положительных результата, три указания на существование жизни… возможных указания. Сигналы о выделении газа были уверенные, но внезапность и их возникновения, и их исчезновения говорила о том, что это скорее звено цепочки химических реакций, а не свидетельство биологического роста. Пришлось проявить осторожность. Открытие жизни где-либо в Солнечной системе имело бы далеко идущие последствия не только для науки, но и для человеческого сообщества в целом. Снова, как и во времена Кеплера, оно могло бы узнать правду о своем месте во Вселенной. Мы бы обнаружили, что раз мы не центр Вселенной, мы – часть явления, общего для всей Вселенной. Мы бы узнали, что жизнь охватывает ее всю. Разумеется, это было бы очень важным открытием.
Никто из команды ученых не хотел торопиться с такими заявлениями. К тому же многие биологи в группе подозревали, что зафиксированные реакции были небиологическими по своей природе. Один из ведущих исследователей команды, Норман Горовиц, довольно четко обозначил свою позицию во время пресс-конференции, посвященной первым положительным результатам его собственного эксперимента. «Я хочу подчеркнуть, – сказал он нетерпеливой группе журналистов, – нет, мы не открыли жизнь на Марсе».
На 23-й сол газовый хроматограф и масс-спектрометр проанализировали образец марсианского грунта и не обнаружили там ни следа органических углеродных соединений. После реакций, проведенных тремя биологическими установками, новый результат поразил исследователей и оживил дискуссию. Ученые ожидали, что ГХМС обнаружит хотя бы какие-то следы органических соединений небиологической природы, таких как включения в метеоритном веществе. Исследователей главным образом заботило, как отличить биологическую органику от небиологической. А теперь, когда ГХМС зарегистрировал полное отсутствие органических соединений в марсианском грунте, поиски жизни на Марсе для некоторых ученых свелись к поиску процессов, которые могли бы примирить столь противоречивые результаты.
3 сентября «Викинг-2» высадился на равнину Утопия, примерно в половине окружности планеты, в 6400 километрах, от места посадки «Викинга-1» и на 25 градусов севернее. Биологические лаборатории и ГХМС вскоре включились и начали работать, исследуя почвы, которые казались слегка более сырыми, чем на равнине Хриса. Результаты биологических экспериментов снова дали положительные результаты, которые снова выглядели последствием химических процессов, а ГХМС не показал никаких следов органического углерода. Опять поднялась шумиха, в которой одни ученые поддерживали биологическое объяснение, другие – химическое. Результаты окончательно обрисовали основную проблему: «Викинги» могли провести четыре и только четыре эксперимента, три из которых указывали на возможное существование жизни, в то время как четвертый – на большую сомнительность первых трех. Если бы образцы грунта находились в земной лаборатории, можно было бы провести десятки дополнительных экспериментов, которые помогли бы разрешить спор. На Земле даже можно было бы непосредственно изучить под микроскопом результаты взаимодействия марсианских почв с питательной средой. Но не на Марсе. По сути, у нас были только противоречивые результаты. Как выразился писатель Леонард Дэвид, «Викинг» полетел на Марс и спросил, есть ли на нем жизнь, а Марс в ответ сказал: «Пожалуйста, переформулируйте вопрос».
Сегодня большинство исследователей – но определенно не все – понимают, что «Викинг» не обнаружил следов жизни. Ученые пришли к выводу, что марсианский грунт богат пероксидами и окислами. Согласно этой теории, результаты как минимум двух экспериментов «Викингов» свидетельствуют о химических реакциях, в которых эти пероксиды участвовали. Неудачи ГХМС в попытке обнаружить углерод на обеих площадках примерно согласуются с пероксидно-окисловой теорией, поскольку пероксиды легко разрушают органические соединения. Но не все разделяют эти взгляды, некоторые предполагают, что, возможно, ГХМС оказался недостаточно чувствительным, чтобы зафиксировать исчезающее малые количества органического вещества, то есть жизнь. Вполне вероятно, что во время экспериментов на «Викинге» такое малое количество спор могло быстро разрастись, превратиться в довольно большую популяцию и дать положительный результат. Внезапное исчезновение положительных сигналов, поданных биологическими лабораториями, может объясняться как исчерпанием имевшегося количества пероксидов, так и чрезмерным ростом популяции организмов, отравляющих себя продуктами собственной жизнедеятельности. Гилберт Левин, ведущий исследователь и разработчик биологического эксперимента, названного «Маркированный выпуск» (Labeled Release), по сей день страстно верит, что его оборудование зарегистрировало проявления марсианской жизни. Через десять лет после высадок «Викингов» Левин напишет: «…после многолетних лабораторных попыток воспроизвести результаты с Марса, используя небиологические способы, мы обнаружили, что выводы научного анализа позволяют заявлять с большей уверенностью: в нашем эксперименте на Марсе были зафиксированы следы жизнедеятельности каких-то организмов. Я выражаю не мнение, а позицию, продиктованную объективной оценкой всех научных данных, имеющих отношение к рассматриваемому вопросу» [2]. Всего на двадцать страниц раньше в том же издании член другой группы биологов Норман Горовиц пишет: «Для некоторых Марс всегда будет необитаемым независимо от доказательств… Не нужно долго искать тех, кто считает, что на Марсе условия как в райском саду: во влажном и теплом климате процветает марсианская жизнь. Однако это все мечты» [3].
Я склоняюсь к тому, что Горовиц слишком суров в своих оценках, а Левин излишне оптимистичен. Разумней всего считать, что «Викинг» не обнаружил
Все создания, большие и маленькие, выживающие в экстремальных условиях, имеют кое-что общее: в их среде есть источник воды, пусть даже и скромный. Тот факт, что на Марсе найдены многие признаки существования воды в далеком прошлом, как на поверхности, так и под ней, позволяет задуматься о существовании на планете жизни, в прошлом или даже сейчас – в каком-нибудь «райском саду», пока скрытом от нас. Условия для такой жизни могут быть найдены в термальных источниках на поверхности (что-то вроде родников), под ней, в зонах подповерхностной вечной мерзлоты, подземных соленых озерах или даже в областях, где происходило испарение воды и остались солевые отложения, подобные земным, служившим домом для бактерий миллионы лет. Многие геологи полагают, что на Марсе как минимум в некоторых местах есть водоносный слой. Его глубина залегания, вероятно, близка к километру. Возможно, жизнь, которая эволюционировала на поверхности планеты в далеком прошлом, когда Марс был теплым и влажным, потом ушла под поверхность. Недавно исследователи из штата Вашингтон открыли вид бактерий, живущих глубоко под землей и существующих за счет энергии, получаемой из реакции между холодной грунтовой водой и базальтом. Кажется, нет причин полагать, что подобные организмы не могли бы так же успешно выживать марсианских глубинах. Дело в том, что живое умеет приспосабливаться к внешним условиям, даже если они такие тяжелые, как на Марсе. Никто не ожидает обнаружить стада восьминогих барсумских коней, скачущих через марсианские дюны. Но жизнь в виде микроорганизмов, прячущаяся в скрытых уголках, – совсем другое дело. Она может существовать сейчас, она могла существовать в прошлом. Чтобы обнаружить ее, придется использовать не только автоматические зонды с их ограниченной подвижностью, ловкостью и чувствительностью.
После «Викингов»
Орбитальные и разведывательные модули программы «Викинг» еще долго продолжали свои научные эксперименты, после того как была завершена биологическая часть программы. Последний сигнал от орбитального модуля «Викинг-2» пришел 25 июля 1978 года, а за ним 11 апреля 1980 года, почти через два года, отключился посадочный модуль второго аппарата. Орбитальный модуль «Викинг-1» послал свой последний сигнал 17 августа 1980 года, а посадочный модуль перестал работать 5 ноября 1982 года.
В рамках советской космической программы в 1988 году были проведены два запуска аппаратов для исследований Марса и его спутника Фобоса. Оба закончились неудачей. Неудачи преследовали каждую советскую или российскую миссию, связанную с Марсом (всего более 16 попыток). Американская космическая программа тоже столкнулась с трудностями. Аппарат «Марс Обзервер» с семью инструментами на борту должен был исследовать планету в течение марсианского года. Миссия позволила бы перевернуть наши представления о Марсе, по крайней мере исследователи надеялись на это. Но за несколько дней до выхода на околомарсианскую орбиту аппарат замолчал. Пытаясь воссоздать обстоятельства случившегося, инженеры предположили, что была повреждена топливная магистраль, когда аппарат приготовился включить двигатели для выхода на орбиту вокруг Марса. Какой бы ни была причина, после семнадцатилетнего перерыва американские исследования Марса, кажется, собирались уйти в глубокую спячку.
К счастью, вместо того чтобы использовать неудачу «Марс Обзервер» как предлог и урезать бюджет марсианской исследовательской программы НАСА, члены Конгресса благосклонно отнеслись к новым исследованиям, основанным на опыте «Викингов». Руководствуясь принципом «быстрее, лучше, дешевле», НАСА изменило структуру многолетней программы изучения Марса из-за провала миссии «Марс Обзервер». Вместо одного крупного космического аппарата Америка планировала запустить к Марсу серию маленьких аппаратов, включающих орбитальные и посадочные модули. Эта программа началась в конце 1996 года с запуска спутника «Марс Глобал Сервейор» (МГС) и миссии «Марс Пасфайндер». «Сервейор», по размеру примерно вдвое меньший, чем «Марс Обзервер», начал картирование Красной планеты с полярной орбиты в марте 1999 года и успешно продолжал это дело до ноября 2006 года. Благодаря данным альтиметрии «Сервейору» удалось обнаружить бассейн, представляющий собой углубленную и относительно некратерированную часть марсианского северного полушария. Эта часть оказалась приблизительно столь же плоской, как земное морское дно, а значит, могла быть дном марсианского океана [5]. Еще более поразительны две фотографии одного и того же кратера (рис. 2.1), которые МГС сделал в 2001 и 2005 годах. На снимках можно увидеть появление нового водяного протока как раз в период между съемками [6]. Такое могло произойти только из-за временного стекания воды по стенке кратера где-то между 2001 и 2005 годами, что доказывает существование на Марсе подповерхностных водоемов с жидкой водой. «Марс Пасфайндер» высадился на Марс 4 июля 1997 года с помощью парашютов, тормозных ракет и воздушных подушек. Пережив несколько скачков со скоростью от 60 до 90 километров в час, «Пасфайндер» выпустил на поверхность Марса маленький ровер, получивший имя «Соджорнер» в честь Соджорнер Трут, боровшейся за отмену рабства. «Соджорнер» два месяца двигался по долине Ареса, которая, вероятнее всего, была прорезана водой, собирал геологические данные и раз за разом обнаруживал скругленные булыжники и группы камней, указывающие на существование здесь в прошлом воды.
Рис. 2.1. Фотографии одного и того же кратера, сделанные орбитальным аппаратом «Марс Глобал Сервейор» (МГС) в 2001 и 2005 годах, демонстрируют водяные подтеки, появившиеся за время между съемками. Подтеки указывают на существование под поверхностью Марса водоносного слоя (фото – Космические научные системы Малин/НАСА)
Американская автоматическая программа по изучению Марса ускорялась, дважды удалось успешно провести запуски в 1996–1997 годах. Тем временем финансовые трудности и злой рок повергли в хаос российскую программу. Попытка русских запустить миссию «Марс-96», в ходе которой планировалось сделать аппарат спутником Марса, а также задействовать две малые научные станции и два прибора для бурения марсианской поверхности, была сорвана из-за аварии ракеты-носителя осенью 1996 года. Это привело к тому, что вторую миссию, «Марс-98», которая должна была доставить на Марс орбитальный аппарат, ровер и аэростат, отложили на неопределенный срок. Русский «Марсоход» превышал бы по размеру американский аппарат «Пасфайндер» и, вместо того чтобы пройти 10 метров от места посадки, мог бы преодолеть около 50 километров. Аэростат, тянущий за собой вереницу инструментов, был разработан французским Национальным центром космических исследований, для того чтобы днем подниматься в марсианскую атмосферу на высоту до 4 километров, а ночью опускаться на поверхность. Аэростат, рассчитанный на десятидневный полет, должен был преодолеть несколько сотен километров. Поскольку российская экономика в следующем десятилетии переживала тяжелые времена, надежда на осуществление миссии таяла, и сейчас ее будущее неизвестно.
Рис. 2.2. Марсианский исследовательский ровер «Спирит», работающий на поверхности Марса (иллюстрация НАСА/ЛРД)
Американская программа исследования Марса также сильно пострадала: осенью 1999 года были потеряны сразу и «Марс Полар Лэндер», и «Марс Клаймэт Орбитер». Первый – из-за проблем с выходом на околомарсианскую орбиту а второй – при маневрировании перед посадкой. НАСА продолжило ускорять работу над десятилетним планом, и в октябре 2001 года удалось успешно вывести на орбиту вокруг Марса «Марс Одиссей». Успешно работающий до сих пор аппарат с помощью системы инфракрасных камер и спектрометр-гамма-лучей составил карту минеральных соединений на марсианской поверхности, при этом среди прочего открыл высокоширотные области размером с континент, где почвы содержат более 60 % воды по весу [7].
После этого успеха НАСА запланировало в середине 2003 года запустить на Красную планету два аппарата среднего размера – марсианские исследовательские роверы. Прибыв на Марс через шесть месяцев, оба марсохода совершили посадку на воздушных подушках в двух сильно удаленных друг от друга точках планеты. Марсоход «Спирит» высадился 3 января 2004 года в кратер Гусева – образование размером со штат Коннектикут в 15 градусах к югу от марсианского экватора. Кратер Гусева привлек внимание ученых, поскольку в его край врезается 900-километровая извилистая долина. Скорее всего, эта долина была проложена руслом реки в далеком прошлом, и однажды через нее кратер мог заполниться водой. «Спириту» предстояло поискать свидетельства этих событий. В итоге «Спириту» пришлось проделать нелегкий путь от места посадки, чтобы отыскать доказательства. Второй ровер, «Оппортьюнити», высадился на три недели позже примерно на противоположной стороне Марса в области плато Меридиана, одного из самых гладких и плоских мест на планете. Разработчики миссии опять ориентировались на свидетельства существования воды, выбирая место посадки. Инструменты на борту «Марс Глобал Сервейор» обнаружили, что эта область богата редким серым гематитом. Оксид железа в форме гематита встречается на Земле и обычно образуется во влажной среде. Когда «Оппортьюнити» стал передавать первые изображения, команда исследователей одновременно была удивлена и восхищена тем, что ровер совершил посадку, заехал в маленький кратер и сел на поверхность напротив обнажения слоистого камня. Более удачное место посадки трудно было и представить.
Рис. 2.3. «Спирит» отбрасывает тень на поверхность Марса (фотографии: Космические научные системы Малин/НАСА)
Миссии каждого из роверов были запланированы на 90 солов. До того как закончилось номинальное время работы, оба аппарата нашли веские доказательства существования жидкой воды в марсианском прошлом. В марте 2004 года научная команда программы марсианских исследовательских роверов объявила, что «Оппортьюнити» нашел убедительные свидетельства тому и в составе, и в морфологии изученных камней. Через несколько дней команда объявила, что «Спирит» открыл отложения соли, остатки древней береговой линии в кратере Гусева. С таким заделом оба ровера активно продолжили работу.
Рис. 2.4. Следы гусениц марсохода «Оппортьюнити» на Марсе: а) вид с марсохода; б) вид с аппарата «Марс Реконнэйсенс Орбитер» (МРО) (фото: Космические научные системы Малин/НАСА)
В течение шести с лишним лет марсоходы продолжали научные исследования, осторожно передвигаясь по поверхности Марса во время марсианских зим, пылевых бурь, невзирая на механические неисправности и временные приступы амнезии. «Спирит» оправдал свое название (в переводе с английского – «дух»), преодолев многочисленные сложности, включая проблемы с правым передним колесом, которое стало плохо работать в июне 2004 года. Роверу приказали дать задний ход, при этом неисправное колесо подрагивало, передвигаясь по гладким участкам поверхности. Инженеры заставляли марсоход очищать камни от пыли и наскакивать на крупные булыжники, исследовали почвы в мельчайших деталях, наблюдали прохождение Фобоса по диску Солнца, запечатлели пылевые смерчи, мчащиеся по поверхности Марса, и даже видели метеоры в небе над планетой. Библиотека необработанных изображений с марсоходов включает невероятное множество снимков: от изумительных панорамных пейзажей до крупных планов мельчайших песчинок. Все кадры можно посмотреть в Интернете, если у вас есть время пролистать более четверти миллиона фотографий [8].
В мае 2009 года колеса «Спирита» проломили корку поверхностного слоя грунта и увязли в рыхлом песке. Из песка марсоход вызволить не удалось, и НАСА объявило «Спирит» стационарной научной платформой. За время, проведенное на Марсе, аппарат преодолел 7730 метров пути. Сотрудники команды изучили грунт, в котором застрял «Спирит», и детальный анализ разрытых слоев снова указал на то, что в прошлом на Марсе могла существовать вода. Чуть меньше чем через год ровер замолчал, последняя передача сигнала состоялась в марте 2010 года. Тем временем «Оппортьюнити» продолжал работать. Жизнестойкий двойник «Спирита» годами колесит от одного удивительного объекта к другому. На конец 2010 года он проделал больше половины пятнадцатикилометрового пути к кратеру Индевор. Если он переживет еще одну зиму и если марсианские ветра сдуют пыль с его солнечных батарей, «Оппортьюнити» продолжит поездку.[10] Несмотря на те впечатляющие достижения роверов, самым большим успехом все же нужно считать тот факт, что благодаря этим открытиям НАСА смогло в чем-то убедить Конгресс США. В марте 2009 года он единогласно выразил одобрение работе марсоходов, признавая «…успешность и значимый научный вклад марсианских исследовательских роверов НАСА».
В 2004 году поверхности Марса достиг первый европейский зонд. В рамках амбициозной миссии «Марс Экспресс» на Красную планету были отправлены французско-итальянский орбитальный аппарат и английский посадочный модуль «Бигль II». Хотя «Бигль II» разбился при посадке, орбитальный модуль функционировал успешно, передавая на Землю огромное количество данных, включая информацию об обнаружении следовых количеств метана в марсианской атмосфере [9]. Сначала они казались спорными, но теперь их достоверность окончательно подтверждена. В 2009 году команда исследователей из центра полетов имени Годдарда НАСА объявила, что удалось не только подтвердить наличие метана в атмосфере Марса на основании наблюдений, сделанных на поверхности планеты, но и обнаружить многочисленные «плотные шлейфы» газа, которые появляются при потеплении весной и летом. Эти струи газа, обнаруженные в северном полушарии Красной планеты, были видны над областями, которые имеют отметины, характерные для древнего подпочвенного льда или текущей воды [10].
Рис. 2.5. «Марс Реконнэйсенс Орбитер» (рисунок предоставлен НАСА/ЛРД)
Была и еще более интригующая новость: исследовательская группа узнала, что на Марсе действует некий механизм, который удаляет метан из атмосферы с такой высокой скоростью, какую нельзя объяснить только фотохимическим разрушением под действием ультрафиолета. Что-то разрушает газ не за столетия, а всего за четыре земных года или даже за шесть месяцев. То есть наличие метана в современной марсианской атмосфере показывает, что где-то на Марсе должен быть источник, где вырабатывается метан, и этот источник действует
Аппарат НАСА «Марс Реконнэйсенс Орбитер» (МРО) был выведен на орбиту в 2006 году. Он начал картировать Марс, используя камеру, которая позволяла непосредственно видеть «Спирит» и «Оппортьюнити» из космоса и управлять ими на маршруте. С помощью фотографий, сделанных МРО, мы можем отобрать для высадки аппаратов места, где нет булыжников, чтобы обеспечить безопасность будущих исследователей, автоматических или живых. В 2008 году «Феникс», названный так потому, что его построили из запасных частей, оставшихся после неудачной программы «Марс Полар Лэндер» 1999 года, сумел все-таки успешно высадиться на северный полюс Марса. С тех пор как Кристиан Гюйгенс открыл яркие полярные шапки Марса в 1672 году, их состав был предметом научных споров. «Феникс» обнаружил чистый водяной лед, решив вопрос раз и навсегда, по крайней мере для северного полюса Марса.
Рис. 2.6. Марсианская научная лаборатория «Кьюриосити» (рисунок предоставлен НАСА/ЛРД)
Следующей миссией НАСА, которую собирались отправить на Марс, была «Марсианская научная лаборатория» («Марс Science Laboratory»). Сейчас она переименована в «Кьюриосити» (по-русски «любопытство») по предложению двенадцатилетней жительницы Канзаса Клары Ма), запуск запланирован на ноябрь 2011 года, а высадка на Марс – на август 2012 года.[11] «Кьюриосити», питаемый радиоизотопным генератором, который позволит ему работать вне зависимости от количества солнечного света или времени года, будет нагружен научной аппаратурой в 11 раз больше, чем «Спирит» или «Оппортьюнити», и сможет путешествовать намного дальше и быстрее. Уровень технической оснащенности (и финансовых вложений) можно оценить по данным из табл. 2.1, в которой сравниваются «Кьюриосити» и его предшественники – марсианские исследовательские роверы.
Таблица 2.1. Сравнение «Кьюриосити» с марсианскими исследовательскими роверами «Спирит» и Оппортьюнити»
«Кьюриосити» будет оснащен комплексом камер, позволяющих создавать полноцветные трехмерные фотографии и фильмы. Камеры были разработаны специалистами по изображениям из космического научного центра Малин при участии создателя «Аватара» Джеймса Кэмерона. Роботизированная рука «Кьюриосити» будет оснащена микроскопом, который позволит увидеть останки микроорганизмов, если они обнаружатся в исследуемых камнях и почвах. Также на марсоходе будет установлен лазер от лаборатории Лос-Аламос, способный испарять камни на расстоянии до 7 метров, и французский спектрометр для изучения химического состава полученного пара. Дополнительные инструменты для определения элементного и минералогического состава образцов грунта включают канадский рентгеновский спектрометр на α-частицах, российский нейтронный спектрометр и американский прибор, использующий в своей работе рентгеновскую дифракцию и флуоресценцию, для изучения химического и минералогического состава образцов. Также «Кьюриосити» будет оборудован газовым анализатором, разработанным совместно с Французским космическим агентством (CNRS), который будет не только искать в марсианской атмосфере следы органических газов, таких как метан, но и определять на основании изотопного состава, имеет газ геохимическое или биологическое происхождение. Испанский метеорологический блок позволит измерять атмосферную влажность, давление, скорость ветра и его направление, температуру воздуха и почвы, а также уровень ультрафиолетового излучения. И кроме того, «Кьюриосити» оборудован американо-германским прибором RAD, который будет измерять и давать характеристику спектру излучения марсианской поверхности для подготовки к появлению людей-исследователей.
Таким образом, «Кьюриосити» обещает быть значимой, но рискованной миссией, поскольку НАСА пренебрегло стратегией использования множества маленьких зондов вместо одного большого после неудачного запуска «Марс Обзервер». Действительно, в 2008 году, еще задолго до запуска «Кьюриосити», когда программа марсианских исследований уже была близка к провалу, научный руководитель НАСА смалодушничал и попытался поставить на миссии крест, основываясь на прогнозе о 20 %-ном перерасходе средств (после того как 80 % суммы уже израсходовали).
Дело спасли только бурная ответная реакция защитников миссии, среди которых был и я, и решительный настрой строгого руководителя НАСА Майкла Гриффина, готового взять всю ответственность на себя. Итак, нам всем остается ждать, затаив дыхание, когда «Кьюриосити» будет проходить взлетное и посадочное испытания огнем.
Рис. 2.7. Копии трех поколений марсианских роверов выставлены в Лаборатории реактивного движения. В центре – маленький «Соджорнер», который высадился на Марс в 1997 году. Слева – один из марсианских исследовательских роверов («Спирит» или «Оппортьюнити»), которые оказались на Марсе в 2004 году. Справа – «Кьюриосити», прибывший на Марс в 2012 году (рисунок предоставлен НАСА/ЛРД)
Также в расписании полетов на 2011 год стоял запуск совместной российско-китайско-финской миссии «Фобос-Грунт».[12] Запуск был произведен с космодрома Байконур с использованием украинской ракеты-носителя «Зенит». Планировалось, что в миссии будут задействованы первый китайский межпланетный орбитальный зонд «Инхо-1» (созданный для изучения ионосферы и магнитосферы Марса), два финских метеорологических посадочных модуля «Метнет» (так-то, страны, не стремящиеся быть космическими державами!),[13] а также российский модуль, который должен был высадиться на Фобос, изучить его с помощью российско-китайского набора инструментов, собрать образцы грунта и вернуться с ними на Землю. Если бы миссия оказалась успешной, она стала бы первой межпланетной кампанией по сбору образцов грунта, которая могла бы проторить дорогу для последующих российских проектов по сбору проб с астероидов, комет и спутников далеких планет.
В ближайшие годы планируется еще некоторое количество автоматизированных миссий, в том числе миссия НАСА под названием MAVEN (Марс Atmosphere and Volatile EvolutioN – «Эволюция атмосферы и летучих веществ на Марсе») для изучения ионосферы и атмосферы Марса, запланированная на 2013 год,[14] и запуск аппарата «Марс Сайенс Орбитер» (Mars Science Orbiter) 2016 года – его задачей будет поиск метановых шахт, которые могут привести нас к местам под поверхностью Марса, где теплится жизнь. Также на 2016 год запланировано появление роверов-близнецов ExoMars («Экзомарс»).[15] Их совместно разрабатывают НАСА и Европейское космическое агентство (ЕКА) как часть их общей инициативы по исследованию Марса. Эти аппараты будут искать следы прошлой или настоящей жизни на поверхности Красной планеты.[16] В стадии обсуждения находится множество дополнительных будущих миссий, включая Mars Aerial Platform («Марс Эриал Платформ», МЭП), которая разработана мной и моими коллегами по «Мартин Мариетта».[17] МЭП – проектный вариант малобюджетной миссии, которая передаст на Землю десятки тысяч фотографий марсианской поверхности в высоком разрешении, проанализирует и проведет картографирование глобальной циркуляции атмосферы, а также изучит поверхность и подповерхностные слои Марса с помощью методов дистанционного зондирования. В основе миссии лежит высокотехнологичный вариант очень простой идеи – использования воздушных шаров. МЭП будет работать следующим образом: одна ракета-носитель серии «Дельта» доставит полезную нагрузку МЭП на траекторию, ведущую к Марсу. Полезная нагрузка будет состоять из космического аппарата с восемью капсулами, в каждую из которых упакованы воздушный шар, оборудование для развертывания и корзина, несущая научную аппаратуру. За десять дней до прибытия на Марс космический аппарат, вращаясь как волчок, выпустит капсулы в направлениях, которые гарантировали бы их посадку на больших расстояниях друг от друга. По мере того как каждая капсула начнет снижаться, проходя через атмосферу, раскроется парашют, который замедлит капсулу для подхода к точке, в которой можно надуть шар. Каждый из них будет изготовлен из широкодоступного материала – капрона, толщиной всего 12 микрон – одна треть толщины стандартного пластикового мешка для мусора. Несмотря на кажущуюся легкость, эти шары окажутся удивительно прочными. В таком нейлоне отсутствуют поры, а значит, шары из него не будут пропускать наружу заполняющий их газ и смогут сохранять форму не в течение нескольких дней, а хотя бы несколько месяцев. После надувания шаров парашют, капсула и вспомогательное снаряжение отстреливаются, обеспечивая метеорологическому оборудованию мягкую посадку на марсианской поверхности. Теперь свободные от постороннего оборудования шары начинают странствие над Марсом, которое может продлиться сотни дней.
Шары диаметром 18 метров будут парить над Марсом на высоте 7–8,5 километра и, в отличие от французского воздушного шара, который проектировался для аппарата «Марс-98», смогут оставаться на этой высоте и днем, и ночью. Такую возможность обеспечивают новый материал и компактные размеры (благодаря очень легкой корзине). Воздушные шары получатся достаточно крепкими, поэтому, когда давление газа внутри шаров будет возрастать из-за дневного нагрева, они смогут удержать газ, не стравливая его. А если не нужно спускать газ днем, то нет никакой необходимости сбрасывать балласт в ночное время, поэтому такие шары могут почти вечно находиться на постоянной высоте. Согласно современной модели движения марсианской атмосферы предполагается, что ветры будут сносить воздушные шары в первую очередь по направлению запад-восток примерно на 50–100 километров за час. При таких скоростях каждый шар может облетать Марс кругом каждые десять-двадцать дней, и, предполагая, что среднее время жизни шара составляет сто дней (если считать с запасом), мы вправе ожидать, что шар обогнет Марс по меньшей мере четыре раза. Каждый шар будет нести 8 килограммов инструментов: научную аппаратуру для исследования атмосферы, приборы для записи и передачи данных, аккумулятор, панель солнечной батареи и самый ценный груз – фотоаппаратуру. Фотографическая система будет состоять из двух наборов оптики: для изображений высокого и среднего разрешения. Сделанные с их помощью снимки в значительной степени расширят наши представления о марсианский геологии, кроме того, они позволят нам выбрать посадочные площадки для будущих миссий и области для поиска прошлой или настоящей марсианской жизни. Лучшие изображения, полученные с орбитального модуля «Викинг», позволяли различить на поверхности Марса детали размером с бейсбольную площадку, изображения с «Марс Глобал Сервейор» – детали размером с большой автомобиль, качество изображений с МРО позволяет найти ровер «Оппортьюнити», а камеры МЭП позволят обнаружить детали размером с кошку (но это не означает, что мы увидим марсианских кошек). Каждые пятнадцать минут в дневное время камеры на каждом шаре одновременно будут делать два снимка: один черно-белый высокого разрешения, а другой цветной умеренного разрешения с центром в той же области (последняя фотография поможет определить местоположение участка, снятого камерой высокого разрешения, на карте планеты). МЭП передаст на Землю ошеломительное количество фотографий. Каждые сто дней флот из восьми шаров будет облетать Марс, а МЭП будет пересылать 32 тысячи фотографий высокого разрешения и столько же снимков общих планов с разрешением выше, чем у лучших изображений, переданных «Викингом».
МЭП обрушит на нас лавину научных данных, которые изменят наши представления о марсианской геологии и метеорологии, геоморфологии и поведении атмосферы. Инженеры и ученые получат данные, которые помогут им разрабатывать новые миссии, определять места для биологических исследований и вероятные источники воды. Но наибольшая польза от МЭП будет наименее осязаема: я говорю о влиянии на интеллектуальную деятельность человечества в целом.
Сегодня, почти через пятьсот лет после Коперника и Кеплера, Браге и Галилея, большинство людей до сих пор считают, что Земля – единственный мир во Вселенной. Другие планеты остаются всего лишь светящимися точками, чьи перемещения по ночному небу интересны немногим избранным, абстракциями из школьного учебника. Камеры миссии МЭП предлагают человечеству взглянуть на другую планету так, как никогда не смотрели раньше. С их помощью мы увидим Марс в эффектном разнообразии: его огромные каньоны, исполинские горы, его высохшие озера и русла рек, его каменистые равнины и ледяные поля. Мы увидим, что Марс – действительно другой мир, уже не абстрактное понятие, а возможная цель путешествия. И точно так же, как Новый Свет привлекал и очаровывал моряков здесь, на Земле, Марс поманит новое поколение путешественников, поколение, готовое построить корабли, паруса которых наполнит космический ветер.
Миссия «Доставка марсианского грунта»
Священный Грааль автоматических программ по исследованию Марса – это миссия по доставке марсианского грунта (ДМГ). Если бы образцы, полученные «Викингом», оказались в одной из наших лабораторий, мы бы подвергли их серии тестов и испытаний, которые бы развеяли все сомнения. Что ж, почему бы не привезти образцы марсианского грунта? Сравнительно недавно при обсуждении планов по исследованию Солнечной системы НАСА запланировало именно такую миссию на 2020 год. Есть три способа реализовать этот проект. Первым и самым простым в идейном плане является метод грубой силы. В этом случае будет использована тяжелая ракета-носитель, способная доставить на орбиту 30 тонн груза, которая отправит на поверхность Марса очень большую полезную нагрузку, в том числе миниатюрную ракету массой около 500 килограммов, с достаточным количеством топлива для взлета с Марса и возвращения на Землю. Также на борту посадочного модуля будет автоматический ровер, который отправится исследовать окрестности (при помощи дистанционного управления) и собирать геологические образцы. Затем образцы погрузят в капсулу на борту ракеты. Когда примерно через год-полтора после прибытия откроется окно для запуска с Марса, ракета отправится обратно на Землю. Спустя восемь месяцев при подлете к Земле капсула отделится от остальной части корабля и на высокой скорости войдет в плотные слои атмосферы, во многом напоминая пилотируемые капсулы «Аполлона», а затем приземлится в намеченном пустынном районе. В зависимости от конструкции торможение капсулы будет происходить с помощью парашюта или сминающегося материала, наподобие пробкового дерева или пенопласта, чтобы смягчить удар. Идея этой миссии довольно проста, но проблема заключается в том, что, вероятнее всего, она будет очень дорогой, как обычные беспилотные исследовательские миссии. Потребуется ракета-носитель, превосходящая по возможностям существующие тяжелые ракеты класса «Атлас-V». Разработка и ракеты, и большого взлетно-посадочного модуля, необходимого для доставки такого тяжелого груза на поверхность Марса, вероятно, обойдутся очень дорого. Таким образом, метод грубой силы всегда приводил к оценкам стоимости, которые обрекали миссию на провал. В надежде снизить затраты также были рассмотрены некоторые другие методы. Один из самых популярных вариантов – проект марсианского орбитального рандеву (МОР). В этой схеме на Марс отправляют два космических аппарата, каждый запускается с помощью сравнительно недорогой (55 миллионов долларов каждая) ракеты-носителя «Дельта-2». Одна из ракет доставляет на околомарсианскую орбиту возвращаемый на Землю аппарат и спускаемую капсулу, а другая доставляет на поверхность Красной планеты полностью заправленный марсианский взлетный модуль (МВМ), в котором будет ровер и контейнер для образцов грунта. Ровер приступит к сбору образцов, которые поместит в контейнер. Когда задание будет выполнено, МВМ стартует с поверхности Марса на орбиту, где он в автоматическом режиме пристыкуется к ВЗА. Контейнер с образцами будет перемещен из МВМ в спускаемую капсулы на борту ВЗА. Затем два корабля расстыкуются, МВМ больше нужен не будет, а ВЗА останется ждать на марсианской орбите, пока не откроется окно для возвращения на Землю, а в нужный момент запустит свой двигатель и возьмет курс на Землю. Остальная часть миссии выполняется так же, как было описано выше.
Следует отметить, что план МОР обойдется значительно дешевле по сравнению со методом грубой силы. Так как МВМ должен только долететь до Марса, а его возвращение на Землю не предусмотрено, и его задача – поднять на орбиту только контейнер с образцами, а не многоразовый спускаемый аппарат, он может иметь сравнительно скромные размеры. То есть посадочный модуль, который доставит МВМ на Красную планету, можно сделать меньше, легче и дешевле и для запуска на Марс использовать менее мощную ракету-носитель. Тем не менее существуют серьезные проблемы, связанные с планом МОР. В первую очередь нужны две ракеты-носителя, что удваивает риск неудачного запуска и, значит, провала миссии. Кроме того, нужны два полноценных космических аппарата, каждый из которых должен быть спроектирован, построен, проверен на стадии сборки, а также потребуется предполетная подготовка (при запуске космический корабль подвергается сильным вибрациям и акустическим нагрузкам, которые до запуска воссоздаются в дорогостоящих установках), и каждый аппарат должен быть встроен в ракету-носитель. По сути, все эти работы удваивают стоимость миссии. Далее, стыковочные детали двух космических аппаратов должны сохранять идеальную точность после запуска и многих лет космического полета, несмотря на перепады температур в космосе и на поверхности Марса. Изготовители не могут этого гарантировать, поскольку такие нагрузки нельзя воссоздать при испытаниях. Наконец, технологии для стыковки в автономном режиме и передачи образцов на орбите Марса еще не разработаны, поэтому обойдутся очень дорого и также не могут быть проверены до начала миссии. Это еще больше увеличивает риск провала и без того почти неосуществимой миссии.
В попытке сделать план МОР более привлекательным его сторонники прибегли к оригинальным методикам, позаимствованным в бухгалтерском учете, например распределению стоимости двух необходимых запусков на отдельные миссии. В более экзотических вариантах ровер доставляет на Марс некая предшествующая миссия, так что расходы на его отправку и обслуживание можно списать на других исполнителей. В этом случае посадочный модуль, несущий МВМ, должен выполнить посадку в непосредственной близости от ровера. Возможность этого, опять же, нельзя проверить заранее, а в настоящее время мы умеем сажать беспилотные спускаемые аппараты на поверхность Марса только с погрешностью до 100 километров. Видимо, чтобы привнести элемент новизны, сторонники орбитального рандеву также предложили перенести место встречи с марсианской орбиты в межпланетное пространство. Это сэкономит топливо для ВЗА, потому что теперь ему не нужно будет выходить на орбиту Марса или сходить с нее. Однако потребуется больше топлива для МВМ, к тому же он должен будет взлететь в строго определенное время (что также невозможно заранее протестировать), чтобы успеть произвести стыковку с ВЗА в глубоком космосе. При этом ВЗА будет удаляться от Марса со скоростью 5 километров в секунду. Такую точность тяжело гарантировать с учетом работы инженерных систем одного только МВМ, не говоря уже о возможных плохих погодных условиях в назначенный день взлета.
Так что же остается, если план грубой силы слишком дорогостоящ, а схема МОР слишком рискованна?
Есть третий план, который я и мои коллеги-инженеры: Джим Френч, Кумар Рамохалли, Роберт Эш, Дайан Линн и еще несколько человек – развиваем уже несколько лет. Он называется «Доставка марсианского грунта с использованием топлива, произведенного на Марсе» (ДМГ).
В плане ДМГ используется одна ракета-носитель «Дельта-2», которая доставит на Красную планету один незаправленный марсианский взлетный модуль вместе с ровером. Пока ровер будет собирать образцы грунта, МВМ запустит у себя на борту небольшой химический завод, чтобы перерабатывать газ, закачиваемый из марсианской атмосферы в ракетное топливо (я предпочитаю комбинацию метан/кислород, хотя также возможен вариант угарный газ/кислород), и заполнить баки МВМ. Ко времени открытия стартового окна для полета обратно на Землю будет заготовлено необходимое количество топлива, и МВМ с образцами взлетит с Марса и направится прямо к Земле – так же, как в плане грубой силы. Непосредственное возвращение на Землю можно осуществить с помощью спускаемого модуля, использованного при запуске ракеты «Дельта», потому что «Дельта» и ее спускаемый аппарат должны будут всего лишь доставить на поверхность Марса незаправленный МВМ (предположительно массой порядка 70 килограммов) вместо гораздо более тяжелого заправленного МВМ.
Миссия ДМГ на сегодняшний день является самой дешевой из обсуждаемых планов такого типа, потому что вместо использования новой ракеты-носителя, способной доставить на орбиту 30 тонн и несущей один большой космический аппарат, или двух ракет «Дельта» с двумя маленькими космическими аппаратами можно запустить одну «Дельту» с одним небольшим космическим кораблем. Риск этой миссии значительно ниже, чем у плана МОР, потому что необходимое технологическое новшество – завод по производству ракетного топлива на Марсе (ЗПТМ) –
Как мы увидим, использование топлива, произведенного на Марсе, – единственная возможность для человечества исследовать Красную планету. Когда речь идет о планировании миссии ДМГ, следует продумать убедительную стратегию. Ценность миссии ДМГ резко возрастет, если с ее помощью продемонстрировать ключевые технологии, необходимые для полетов людей на Марс. Посудите сами: миссия ДМГ позволит доставить лишь приблизительно один килограмм образцов грунта с поверхности Марса, которые при удачном стечении обстоятельств будут собраны в нескольких километрах от места посадки аппарата. Поскольку маловероятно, что сейчас на поверхности Марса существует жизнь, поиски биологической активности на Марсе в значительной степени сведутся к поиску окаменелостей. Роботизированные роверы с их ограниченной подвижностью при большой временной задержке (до 40 минут из-за скорости распространения радиосигналов) при передаче команд с Земли на Марс будут очень плохим подспорьем в таких поисках. Если вы в этом сомневаетесь, представьте, что ровер вроде «Спирита» или «Кьюриосити» отправили в Скалистые горы. Скорее наступит следующий ледниковый период, чем ровер найдет останки динозавра. Поиск ископаемых требует мобильности, проворства и развитой интуиции, чтобы немедленно уловить даже еле заметные подсказки. Другими словами, нужны исследователи-геологи и старатели. Охота за ныне существующей жизнью повлечет за собой установку и запуск буровых машин, рытье шахт глубиной до сотни метров, сбор образцов, а затем проращивание культур в питательной среде, фотографирование и анализ результатов в лаборатории. На все это роверы не способны. Если Марс создан, для того чтобы открыть нам свои секреты, «люди, которых не отпугнут однообразные мрачные просторы космоса», должны отправиться туда сами.
Глава 3
Разработка плана
Через тернии к Марсу
20 июля 1989 года президент Джордж Буш-старший стоял на ступеньках Национального музея авиации и космонавтики в Вашингтоне. Позади него в прохладных залах музея располагались артефакты величайших космических достижений Америки. Среди них были напоминающий формой желейную конфету космический аппарат «Колумбия» и командный модуль «Аполлона-11». Люди, которые добирались на «Колумбии» домой с лунной орбиты, – Нил Армстронг, Майкл Коллинз и Базз Олдрин, экипаж «Аполлона-11» – стояли рядом с президентом, который готовился по случаю двадцатой годовщины первой высадки человечества на Луне объявить о смелой космической кампании.
Буш говорил о проблемах и пользе освоения космоса, о том, что нации следует взять на себя обязательство – осуществить длительную программу освоения человеком Солнечной системы, и даже о том, чтобы заселить космическое пространство. Это были слишком громкие слова, пусть они и прозвучали через двадцать лет после того, как астронавты США впервые ступили на поверхность другого мира. Президент продолжал речь, говоря о необходимости выработать план на срок более 10 лет, о долгосрочных обязательствах по исследованию космоса. Затем Буш озвучил свою программу: «Во-первых, в следующем десятилетии – в 1990-е годы – орбитальная станция «Фридом»… И потом – в новом веке – возвращение на Луну… После него – в более далеком будущем – путешествие на другую планету – пилотируемый полет на Марс».
Так родилась программа, которая стала известна как «Инициатива исследования космоса» (ИИК). Начало было хорошее, но потом все пошло под откос.
Обширная команда, представляющая все подразделения НАСА, которую поддержали все крупные аэрокосмические подрядчики, начала выяснять, как можно осуществить программу Буша. Через три месяца команда представила документ под названием «Отчет о 90-дневном изучении возможностей исследования Луны и Марса человеком», который вскоре стали просто называть «90-дневный отчет» [11]. В отчете говорилось, что перед тем, как человечество сможет отправиться на Марс, американцам потребуется тридцать лет на разработку космической инфраструктуры и это будет самая большая и самая дорогостоящая программа правительства США со времен Второй мировой войны.
НАСА собиралось построить спроектированную ранее космическую станцию, но теперь планируемый размер хотели увеличить втрое, добавив «сдвоенные кили» с большими ангарами для строительства межпланетных космических кораблей. Также требовалось построить множество дополнительных орбитальных объектов: отдельные криогенные хранилища топлива, доки для технического обслуживания, подсобные помещения для экипажа и так далее. Такой огромный и сложный комплекс вспомогательных сооружений был необходим для создания и обслуживания кораблей для полета на Луну (для доставки каждого из них на орбиту Земли потребуются три ракеты-носителя тяжелого класса и один шаттл). Те, кто помнит, что для каждого из «Аполлонов» требовался всего один запуск, почешут в затылке и подумают: «В прошлый раз долететь до Луны было не так тяжело…» В течение десяти лет эти лунные корабли должны были переместить на Луну все необходимые материалы и оборудование, чтобы создать обширную лунную базу. Вместе с орбитальными сооружениями она стала бы основой для строительства серии действительно громадных кораблей – тяжелее 1000 тонн – как «Звездный крейсер "Галактика"» – для полетов на Марс. Эти корабли работали бы на реактивной тяге и за счет других технологий, совершенно отличных от тех, использовались бы в лунных кораблях и, следовательно, потребовали бы больших затрат на разработку и на дополнительную инфраструктуру. В первых миссиях на Марс дорога заняла бы около полутора лет, причем на орбите Марса экипаж мог бы провести около одного месяца. Затем на поверхность планеты должен был спуститься маленький космический аппарат, способный поддерживать жизнь и работу небольшой команды исследователей в течение примерно двух недель, тем самым давая возможность астронавтам установить флаг США и совершить некоторые другие действия. Космические корабли вылетали бы к Марсу тяжело нагруженными и возвращались на орбиту Земли совсем легкими, сбросив все лишнее после каждой миссии (пустые топливные баки, марсианские роверы, подушки аэроторможения), таким образом навязывая дополнительные расходы на каждую последующую операцию вроде установки флага на Марсе. «90-дневный отчет» не включал оценки стоимости программы, однако в итоге эта информация просочилась в прессу. Минимальная оценка составляла 450 миллиардов долларов.
Вряд ли при такой стоимости программу можно было воспринимать всерьез. Длительность получалась большой, а разрекламированные преимущества колонизации космоса не вызывали энтузиазма у публики, заинтересованной в космических исследованиях. Предложения, озвученные в «90-дневном отчете», также были восприняты скептично. До тех пор пока предложенную стоимость программы в 450 миллиардов долларов не удалось бы значительно уменьшить, ИИК была нежизнеспособна. Это стало очевидно в последующие месяцы и годы, когда Конгресс продолжал отклонять каждый финансовый проект НИК, который попадал на рассмотрение.
На самом деле в «90-дневном отчете» не было ни внутренней логики, ни по-настоящему новых идей. Скорее, это был пересказ навязчивых идей, перекликавшийся с Die Marsprojekt – шестидесятилетней давности проектом пилотируемых миссий на Марс, который немецкий конструктор ракет Вернер фон Браун и его коллеги начали разрабатывать в конце 1940-х годов. Его техническая часть легла в основу программы пилотируемого полета к Марсу в рамках миссии «Аполлон», которая была предложена НАСА, но отклонена в 1969 году. Для фон Брауна и его сотрудников пилотируемая межпланетная миссия была поводом для самых смелых конструкторских фантазий: огромный межпланетный космический корабль (или еще лучше флот из огромных межпланетных космических кораблей), собранный на космической станции и запущенный с околоземной орбиты. Что происходило бы потом на поверхности Марса, было делом второстепенной важности. На базе этой навязчивой идеи – гигантские космические станции для сборки гигантских космических кораблей – обширный коллектив, работавший над «90-дневным отчетом», продолжал предлагать технологии, которые или уже существовали, или планировались в рамках программы технологического развития НАСА. Чтобы привлечь к процессу как можно больше людей, совет разработал самые сложные варианты архитектуры миссии, какие только можно было придумать, – вот пример того, как не нужно заниматься проектированием.
Создание логически последовательной Инициативы исследования космоса
К концу 1989 года для многих стало очевидно, что архитектура миссии, описанная в «90-дневном отчете», была внутренне противоречивой. В попытке разработать систематизированный критический анализ я написал следующий меморандум, который я впоследствии использовал в качестве введения к каждой большой серии статей о плане «Марс Директ» (см., например, [12]). По сути, этот меморандум обобщает рассуждения, которые привели к разработке миссии «Марс Директ», и я привожу его здесь в полном объеме.
В настоящее время существует необходимость разработать для Инициативы исследования космоса логически последовательную архитектуру. Под логически последовательной архитектурой следует понимать прозрачный и логичный набор целей и простой, четкий и экономически оправданный план их реализации. Выбранные цели должны вести к максимальному результату и возможности достигнуть еще более амбициозных целей в будущем. Чтобы упростить план, сделать его более надежным и дешевым, нужно отказаться от создания взаимозависимых миссий (то есть лунных, марсианских и околоземных орбитальных), поскольку в такой зависимости нет необходимости. В то же время план должен опираться на использование довольно разнообразных технологий, которые позволят достичь большого количества целей, – таким образом можно снизить расходы за счет многофункциональности оборудования. И, наконец, самое главное – следует выбрать технологии, которые повысят эффективность миссий. Недостаточно просто слетать на Марс, важно сделать что-то полезное, когда мы там окажемся. Миссии, не дающие весомых результатов, не имеют никакой ценности.
Несмотря на то что вышеизложенные принципы могут показаться очевидными, от них отступали много раз при разработке деталей ИИК (то есть «90-дневного отчета»), и, в результате ИИК стала такой дорогой и непривлекательной, что финансирование программы Конгрессом оказалось под сомнением. Высокая стоимость объясняется тем, что в плане предлагалось использовать совершенно разные ракеты-носители для полетов к Луне и к Марсу и принципиально разные
;устройства для передвижения по поверхности Луны и Марса. Кроме того, план навязывал полностью искусственную зависимость полетов на Марс от лунных миссий и требование связать лунные миссии с огромным орбитальным комплексом космической станции «Фридом», где производилась бы сборка и заправка космических кораблей. Более того, обе исследовательские миссии, и лунная, и марсианская, имели бы близкую к нулевой научную значимость, не было сделано серьезных попыток обеспечить мобильность аппаратуры на поверхности небесных тел, а исследователи Марса должны были провести на Красной планете меньше 5 % времени всего путешествия.
Чтобы сделать план внутренне согласованным, достаточно изменить структуру ИИК в нескольких строго определенных направлениях.
1. Простота и четкость требуют, чтобы лунные и марсианские миссии не зависели от любого рода инфраструктуры на низкой опорной орбите Земли. Помимо того что такую инфраструктуру чрезвычайно дорого проектировать, строить и обслуживать, она еще и крайне ненадежна, и ее трудно ремонтировать, а ее использование увеличивает риски для всех связанных с такой станцией межпланетных миссий, поскольку качество любой космической конструкции сложно проверить. Отказ от инфраструктуры на НОО приведет к использованию усовершенствованных разгонных блоков и/ или топлива, произведенного на планете назначения. Оба варианта позволят сократить массу миссии до такого значения, при котором сборка корабля на орбите вообще не требуется.
2. Низкая стоимость требует, чтобы для миссий к Луне, Марсу или даже другим планетам использовались одинаковые ракеты-носители, разгонные технологии и (по возможности) транспортные средства для исследования поверхности выбранного небесного тела. Также необходимо отказаться от инфраструктуры на земной НОО, так как запуск с ее помощью многоразовых ракет-носителей позволит сэкономить недостаточно средств, чтобы оправдать стоимость самой инфраструктуры. По текущим оценкам, она обойдется примерно в тысячу раз дороже, чем элементы будущего космического аппарата (двигатели, бортовая электроника) – то есть все то, на чем ремонт на орбите позволил бы сэкономить. Другими словами, потребуется подготовить к полету около тысячи миссий, прежде чем такой план окупится. Также, чтобы уменьшить расходы, мы всегда должны использовать наиболее экономичные траектории – то есть проводить запуски в те моменты времени, когда Марс находится в соединении с Землей (что означает экономию топлива и длительную экспедицию на поверхности Марса), – и отказаться от первоначально запланированных миссий с запуском во время противостояния Марса и Земли (большие затраты топлива, краткосрочное пребывание экипажа на поверхности Марса). Последние к тому же требуют принципиально иного оборудования.
3. Чтобы добиться высокой эффективности, астронавты должны получить три основных ресурса, как только достигнут места назначения. Эти ресурсы следующие.
A. Время.
B. Мобильность.
C. Энергия.
Само собой, время потребуется, если астронавтам предстоит выполнять какие-либо полезные исследования, что-то строить или экспериментировать с использованием ресурсов на поверхности планеты назначения. Это означает, что семейство марсианских миссий в противостоянии (полтора года полета и 20-дневное пребывание на поверхности Марса) не представляет интереса. Это также означает, что архитектура миссии с использованием лунного или марсианского орбитального рандеву (ЛОР, МОР) очень нежелательна по простой причине: если время пребывания на поверхности будет большим, то таким же будет время пребывания на орбите. Возникает затруднительное положение: или кого-то из членов экипажа придется оставить без дела в основном корабле на орбите на время длительной высадки на поверхность, подвергая воздействию космических лучей и суровых условий невесомости; или оставить основной корабль беспилотным на долгое время и надеяться на то, что он сохранит свою функциональность к возвращению экипажа. Если корабль окажется хотя бы частично поврежден, положение астронавтов безнадежно.
Альтернативой ЛОР и МОР являются такие варианты, где предусмотрено прямое возвращение с Марса на Землю. Это возможно, если речь идет о полете на Луну с использованием топлива земного производства, однако содержательную часть такой миссии можно было бы значительно расширить, если использовать для возвращения на Землю жидкий кислород, произведенный на Луне. Непосредственное возвращение астронавтов на Землю с поверхности Марса возможно только при использовании топлива марсианского производства.
Мобильность абсолютно необходима, если на небесном теле размером с Марс или даже Луну запланирована любая полезная исследовательская деятельность. Мобильность также требуется для транспортировки природных ресурсов из отдаленных мест на базу, где их можно переработать, и для того чтобы экипаж мог посетить удаленные объекты, такие как группа оптических и радиотелескопов на Луне. Ключ к мобильности как на Луне, так и на Марсе – производство топлива из местных ресурсов для заправки энергоемких роверов и реактивных летательных аппаратов. Самый важный ресурс для топлива на Луне – жидкий кислород, который может быть сожжен с земными компонентами топлива вроде водорода или метана. На Марсе комбинации химического топлива и окислителя, такие как смесь метана и кислорода или угарного газа и кислорода, можно производить как для устройств, передвигающихся по поверхности, так и для и летательных аппаратов, и, кроме того, можно использовать реактивные аппараты, работающие за счет «сырого» топлива – углекислого газа, нагретого тепловым ядерным двигателем.
В больших количествах энергию, необходимую для производства ракетного топлива из местных компонентов и на Луне, и на Марсе, можно генерировать только с помощью ядерных реакторов. Когда нужное количество топлива на Марсе будет заготовлено, реакторы станут очень удобным подспорьем для запасания ядерной энергии, тем самым обеспечивая исследователей ее мобильными источниками, например генераторами на 100 кВт, работающими независимо от двигателя внутреннего сгорания лунохода или марсохода. Наличие больших запасов энергии и на базе, и на удаленных объектах имеет принципиально важное значение для астронавтов, поскольку дает им возможность проводить широкий спектр научных исследований и использовать природные ресурсы. Таким образом, мы видим, что требования простоты, четкости, низкой стоимости и высокой эффективности приводят ИИК к варианту, который предполагает непосредственный запуск на Луну или Марс с помощью существующих средств запуска и передвижения в космосе, а также прямой возврат на Землю с поверхности планеты за счет топлива «местного» производства, которое также используется для передвижения по поверхности и служит мобильным источником энергии [12].
Такова цепочка рассуждений, которая привела к разработке принципиально нового плана миссии, известной как «Марс Директ».
Рождение «Марс Директ»
К январю 1990 года стало ясно, что «90-дневный отчет» с треском провалился. Чтобы обсудить действия в сложившейся ситуации, в отеле «Бродмур» в Колорадо Спрингс было устроено выездное совещание избранных членов правления «Мартин Мариетта». Доктор Бен Кларк, менеджер нижнего звена «Мартин Мариетта», который был одним из четырех ведущих разработчиков миссии «Викинг» в 1976 году (он разработал эксперимент по рентгеновской флуоресценции), и я, тогда только старший инженер, тоже были приглашены. Оба мы имели в компании репутацию «идейных людей», но занимали там самое скромное положение по сравнению с другими присутствовавшими.
Мы с Беном поразили собравшееся руководство смелым замыслом: подобрать в «Мартин Мариетта» небольшую команду специалистов и разработать собственный идеализированный проект полета на Марс, свободный от предрассудков НАСА. Было бы достаточно сложно создать здравый, экономически выгодный и выполнимый в ближайшем будущем проект пилотируемой марсианской миссии, не привлекая кучу торговых агентов, которые придут и скажут, что мы должны в первую очередь угодить какому-то менеджеру или группе менеджеров из космического центра Джонсона или Маршалла НАСА. Наша команда должна быть свободной от таких влияний. В конце концов, именно попытка угодить всем привела к тому, что «90-дневный отчет» получился провальным.
Это предложение было очень радикальным. Основное негласное правило в управленческой среде аэрокосмической промышленности: всегда говорить покупателям (НАСА или ВВС США) только то, что они хотят услышать, другими словами, следовать линии партии. Очевидно, это самый простой способ продать товар. Мы предлагали противоположный подход: продумать несколько достойных вариантов, а затем сообщить покупателю то, что он должен услышать, причем не важно, понравится ему это или нет.
Самой значительной, хотя и не самой высокопоставленной, фигурой на встрече был Эл Шалленмюллер, недавно назначенный вице-президентом гражданских космических систем «Мартин Мариетта» в подразделение, отвечающее за ИИК. Шалленмюллер набрался опыта как инженер, работая на Келли Джонсон в легендарном «Сканк уоркс» – исследовательском подразделении «Локхида». Он знал, что большие и сложные программы можно создавать дешево и быстро, если взяться за дело с нужного конца. В 1976 году он работал одним из ключевых инженеров в программе «Викинг». Он раз за разом мог рассказывать, как захватывающе было изучать первую фотографию поверхности Марса, полученную «Викингом». Шалленмюллер действительно хотел «вернуться» на Марс. Он знал, что, если не появится что-то лучше, чем «90-дневный отчет», программы покорения Марса не будет вообще. Он поддержал наше предложение.
А в феврале 1990 года в «Мартин Мариетта» сформировали команду из двенадцати человек под руководством Эла Шалленмюллера и предоставили ей полномочия разработать «новые масштабные стратегии» освоения космического пространства человеком. Большинство членов команды, например Бен, я и Дэвид Бейкер, специалист в области систем управления космическими кораблями, были инженерами широкого профиля. Но среди нас было и несколько узких специалистов, например Билл Уилкоксон из «Мартин Мариетта», занимавшийся торможением аппаратов в атмосферах планет (Биллу предстояло сыграть ключевую роль в успешном торможении космического аппарата «Магеллан» в атмосфере Венеры), Эл Томпсон, лидер области в искусственной гравитации, а также Стив Прайс, специалист «Мартин Мариетта» по проектированию роверов.
Больше всего идей по проекту внешнего вида аппаратов миссии на Марс было у меня и Бена, но мы соглашались друг с другом далеко не во всем. Мы сходились в том, что нужно экономить топливо (то есть стоит ориентироваться на старт, близкий к моменту, когда Марс будет в соединении с Землей), что можно обойтись без лунной базы как пересадочной станции по пути на Марс и что использование орбитальной инфраструктуры для строительства кораблей на орбите было бы очевидной ошибкой. А в остальном наши представления расходились. Бен считал, что роботизированной технике и бортовым манипуляторам можно доверить сборку корабля из деталей, доставленных на орбиту Земли. Поскольку Бен очень хотел собрать свой космический корабль на орбите, он, в отличие от меня, не стремился уменьшить массу миссии. Несмотря на то что он годами продолжал активно интересоваться возможностями изготовления ракетного топлива на Марсе, он не видел необходимости встраивать эту стратегию в свой план полета. Бен также не считал нужным увеличивать время, которое экипаж проведет на поверхности Марса, – достаточно полутора лет. Значительную часть этого срока астронавты должны были находиться на орбите, выбираясь на поверхность лишь на тридцать дней на небольшом посадочном корабле. Бен предлагал использовать химические реактивные двигатели, которые можно приобрести у уже существующих производителей. Результатом таких размышлений была относительно традиционная миссия (если вообще можно называть «90-дневный отчет» и подобные ему планы традиционными), предусматривающая создание 700-тонного орбитального космического аппарата. Однако в этом проекте отсутствовали развитые в «90-дневном отчете» дорогостоящие идеи по строительству инфраструктуры на Луне и орбите Земли. Первоначально Бен называл свой план «Концепция 6», но позже изменил название на «Подход прямолетящей стрелы».
Я с рассуждениями Бена не согласился, так как не доверял схеме роботизированной самосборки. Кроме того, при требовании каждый раз запускать 700 тонн на низкую опорную орбиту Земли к Марсу отправят не так уж много миссий, а тридцать дней на поверхности не позволят детально исследовать планету. Насколько я понимаю, мы стремимся на Марс не ради нового рекорда, мы хотим изучить и начать обживать Красную планету.
Длительное присутствие на Марсе требует большого количества повторных миссий, а это возможно, только если масса и, следовательно, стоимость миссии будут снижены. Лучший способ добиться этого – использовать для возвращения на Землю топливо марсианского производства. В 1989 году я уже провел исследования, показывающие, что, если объединить такую стратегию с использованием ядерного реактивного двигателя при возвращении миссии с Марса на Землю, осуществить пилотируемый полет к Марсу можно с помощью одной ракеты-носителя «Сатурн-5» времен миссии «Аполлон». Если рассчитывать на одну ракету-носитель, все компоненты миссии можно собрать на мысе Канаверал, и вопрос о сборке армады межпланетных кораблей на орбите будет неактуален. Далее, используя топливо местного производства, можно высадить на Марсе всю необходимую технику, ничего не оставляя на орбите. Это позволит организовать длительные экспедиции на поверхность, которые я считаю абсолютно необходимыми, если мы хотим получить во время пребывания на Марсе какой-то результат. Прямой запуск одной ракеты-носителя тяжелого класса, использование ядерного реактивного двигателя при возвращении с Марса на Землю и старт напрямую с поверхности Марса за счет топлива местного производства – это лучший способ реализации миссии на Марс.
Теперь о варианте, предложенном Дэвидом Бейкером. Бейкер был высококлассным инженером во времена, когда системы космических кораблей и их внешний вид создавали, вдохновляясь программой разработки транспортного средства для лунной миссии в «Мартин Мариетта». Когда Бейкер трудился над этим проектом, его выводили из себя взбалмошные требования НАСА. Например, чтобы проектируемый модуль был в состоянии высадиться на Луне даже в случае отказа любых двух двигателей. (Лунный посадочный модуль «Аполлона» имел только один двигатель.) Тогда, чтобы соблюсти симметрию силы тяги, требовалось спроектировать модуль с пятью двигателями, хотя было достаточно, чтобы работал только один. При этом сила тяги стала бы слишком большой, и пришлось бы снизить мощность двигателей на 10 %, а значит, появлялась необходимость в новой дорогостоящей программе разработки. Кроме того, НАСА требовало, чтобы двигатели были многоразовыми. Другими словами, по пути к Луне и обратно пришлось бы нести пять тяжелых двигателей – что означало дополнительную нагрузку и серьезное увеличение стоимости миссии, – а потом проводить технический осмотр и встраивать их в следующую конструкцию стоимостью в многие миллиарды долларов. И все это для того, чтобы выполнить работу, с которой легко справится один двигатель «Пратт энд Уитни RL-10» стоимостью в 2 миллиона долларов. Бейкер сделал все, что мог, работая в проекте лунного транспортного модуля, но однажды признался мне: «Ничего из этого не имеет смысла».
Бейкер участвовал в более ранних исследованиях для других марсианских миссий, стиль работы над которыми заставлял вспомнить «90-дневный отчет», но было ясно, что логика проектов (или ее отсутствие) оставляла ощущение дискомфорта. Я высказал ему свои идеи, с некоторыми он сразу согласился, а в разумности других, например замысла использовать изготовленное на Марсе топливо для возвращения астронавтов на Землю, я смог убедить Бейкера постепенно. Однако с другими моими предложениями он согласен не был. В частности, он не считал нужным использовать ядерные реактивные двигатели для первых миссий к Марсу. Он утверждал, что разработка таких миссий будет слишком дорогой и поэтому общественность не поддержит эту идею. Я с его аргументами не согласился: затраты на разработку ядерного ракетного двигателя окупятся благодаря удешевлению запусков уже после двух или трех миссий, и если общественности нужна долгосрочная программа исследования Марса, придется смириться с тем, что для нее необходимы ядерные ракетные двигатели. Бейкер возразил, что, если настаивать на их использовании с самой первой миссии, придется задержать всю программу и задержка может оказаться фатальной.
Этот аргумент задел меня за живое. Я понимал, что отправлять людей на Марс нужно с минимальными промежутками. Оперативные запуски уменьшают расходы на программу, поскольку затраты – это количество людей, умноженное на время. К тому же каждый год любой крупный проект должен заново рассматриваться в Конгрессе, чтобы получить финансирование, и всегда существует риск отказа – причем дело может быть в межличностных разногласиях, которые не имеют никакого отношения к программе. Каждое рассмотрение – игра в русскую рулетку. Остается только надеяться, что повезет много раз подряд.
В 1961 году Джон Кеннеди призвал нацию добраться до Луны к 1970 году. К 1968 году президент и его администрация сменились, и, когда астронавты программы «Аполлон» высадились на Луне, президент Ричард Никсон собирался прекратить программу. Если бы Кеннеди призывал граждан Америки добраться до Луны за двадцать лет, а не за десятилетие, в 1969 году НАСА только-только завершало бы программу «Меркурий», Луна по-прежнему оставалась бы далекой целью. Программу могли бы отменить, и сегодня высадка на Луну казалась бы несбыточной мечтой. Если мы хотим отправить людей на Марс, нельзя растягивать программу на тридцать лет, даже двадцать – это слишком большой срок. Десять лет – это все, на что можно рассчитывать.
Я допускал, что ядерные ракетные двигатели могли бы подождать, но миссия на Марс ждать не могла. Следовало использовать ядерные ракетные двигатели во что бы то ни стало, как только они появятся, поскольку они позволяют увеличить грузоподъемность ракеты и сократить затраты на запуск (примерно в два раза). Но не следует откладывать миссию, пока она еще не разработана. Надо лететь на Марс как можно быстрее, используя то, что имеется под рукой. Улучшить миссию можно позже. Когда мы с Бейкером начали проводить больше времени за обсуждениями, говоря об особенностях транспортных средств и дизайне миссии, как с технической, так и с философской сторон, мы все более сходились во мнениях. Мы решили сотрудничать.
Поделиться книгой: