Космонавтика-2017 на Geektimes, часть 2: полёты на Луну, Марс и Венеру

В прошлой части Космонавтики-2017 на Geektimes мы поговорили о Международной космической станции, о частном космосе и о полётах на орбиту Земли. В этот раз предлагаю отправиться в беспилотное путешествие за пределы околоземной орбиты — к Луне, Марсу и Венере, поговорить о планах Роскосмоса, НАСА и ЕКА, а также частных корпораций по освоению других планет роботизированными зондами.


Запущенный СССР 4 октября 1957 года «Спутник-1» дал начало эпохе освоения человеком космического пространства. С того момента на орбиту Земли отправились тысячи искусственных спутников, а к другим планетам — десятки космических аппаратов. Из этих аппаратов 42 навеки похоронены на других планетах Солнечной системы, но не напрасно: благодаря ним мы многое узнали о других планетах, сейчас готовимся отправлять туда людей.

Среди таких зондов-героев — станции «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Эти аппараты были отправлены в космос в 1977 году. «Вояджер-1» сегодня — самый удаленный от Земли объект из созданных человеком, а его брат «Вояджер-2» — первый и единственный зонд, который долетел до четырёх планет-газовых гигантов Солнечной системы: Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Скоро энергоустановки зондов перестанут вырабатывать нужное количество энергии, и «Вояджеры» продолжат полёт в радиомолчании.

Более 40 лет станции бороздят просторы Солнечной системы и отправляют данные на Землю. При этом двигатели «Вояджер-1» запускал в предыдущий раз 8 ноября 1980 года, а затем — в декабре 2017, спустя 37 лет. Тот факт, что двигатели до сих пор в рабочем состоянии, говорит о том, что есть возможность изменить его ориентацию и увеличить срок его работы со связью с Землёй.

На этой фотографии — критически важное «железо» для «Вояджеров». Оно настолько старое, что нужна табличка, чтобы его случайно не выкинули.

А зонд «Кассини», запущенный с Земли 20 лет назад, 15 октября 1997 года, в этом году завершил свою миссию. Учёные благодаря зонду узнали о строении колец Сатурна, его спутниках и спутниках других планет, что вода в любом виде в Солнечной системе — скорее правило, чем исключение, что океан жидкой воды может быть подо льдом на спутниках Юпитера Европе и Сатурна Энцеладе. Свою смерть «Кассини» встретил в глубинах атмосферы Сатурна, оставив нам на память свою последнюю фотографию этой планеты.

Космические аппараты и путешествия на орбиту Земли позволили выяснить, какие опасности и вызовы встанут перед человеком во время путешествий к другим планетам. Среди них — космическая радиация, которая приведёт к слабоумию, потере памяти и другим не самым приятным симптомам. В частности, солнечные вспышки гарантируют повышенную дозу облучения. От них придётся спасаться в специальных помещениях внутри корабля, поскольку полная защита слишком сильно его утяжелит. Но учёные в этом году, видимо, смогли найти способ справиться с этой проблемой: они разработали плёнку, которая может защитить от радиации.

Ещё одна проблема, которая преследует человека всегда и везде — это нехватка энергии. С космическими аппаратами приходится постоянно экономить, выдумывать новые способы наиболее эффективного потребления энергии, а в случае с колонизацией других планет этот фактор станет одним из важнейших. НАСА начинает испытания «портативных» атомных реакторов нового типа Kilopower, которые могут придти на смену РИТЭГ. Новые портативные реакторы смогут производить до 10 кВт электричества в течение десяти лет.

Весить они будут около трёхсот килограммов, тогда как РИТЭГи не превышают вес в 50 кг, но в новых Kilopower будет использоваться уран-235, который стоит 500 тысяч американских долларов за 35 кг, что существенно меньше стоимости плутония-238 для РИТЭГов, который обходится в 50 млн долларов за 45 кг.

Новым космическим кораблям понадобятся новые скафандры. В августе 2017 года Илон Маск показал скафандр SpaceX для корабля Dragon, а в начале года новый скафандр представила компания Boeing — в нём перчатки совместимы с емкостными тачскринами. Новые скафандры разрабатывают в России для корабля «Федерация». Читайте подробнее, в чём космонавты полетят в космос в будущем.

Одним из важнейших событий в космической отрасли в 2017 году стало подписание США и России совместного заявления об исследовании и разведке дальнего космоса. Роскосмос будет участвовать в строительстве окололунной базы Deep Space Gateway, которая станет платформой для путешествия к Марсу и для других миссий в космосе.

Всего полтора года прошло после запуска «Спутника-1» до запуска первого аппарата для исследования Луны. Этот естественный спутник Земли гораздо ближе к колыбели человечества, чем любой другой. Читайте подробнее об истории исследования Луны автоматическими аппаратами: часть 1 и часть 2.


«Спутник-1» слева и «Луна-1» справа

Президент Китая Си Цзиньпин планирует сделать Китай космической державой и к 2036 году высадить астронавтов на поверхность Луны. В стране продолжается эксперимент Lunar Palace 1, в рамках которого несколько студентов-энтузиастов в течение длительного времени живут замкнутой биологической системе жизнеобеспечения в загерметизированном бункере площадью 160 квадратных метров. Они выращивают зерновые и овощные культуры, используют пищевые и другие отходы, получают кислород из растений, перерабатывают мочу в питьевую воду.

В конце 2018 года в рамках программы Deep Space Gateway в сторону Луны отправится космический корабль Orion, пока без людей на борту. Спустя несколько дней корабль отстыкуется от двигательной установки, которая выступает верхней ступенью ракеты, и на орбиту Луны будут выпущены несколько спутников-кубсатов. Также около Луны будет работать спутник BioSentinel, на борту которого в течение 18 месяцев будут находиться живые клетки для исследования влияния на них космической радиации.

Астронавты на окололунной базе будут строить и тестировать системы для путешествия к Марсу, а также проверять роботизированные миссии со спуском на поверхность Луны. Космопорт Deep Space Gateway по плану НАСА станет промежуточным этапом перед пилотируемым полётом на Марс.

В строительстве базы Deep Space Gateway примет участие Роскосмос. На первом этапе Роскосмос займётся строительством орбитальной части комплекса перспективой применения отработанных технологий на поверхности Луны, а позже — Марса. Стыковочные узлы и системы жизнеобеспечения планируется сделать на основе российских разработок, также вкладом Роскосмоса могут стать от одного до трёх модулей станции.

В России в то же время разрабатывают системы навигации на Луне. Их основой станут лазерные маяки, которые установит на поверхности естественного спутника Земли посадочная станция в рамках программы «Луна-25». Аппарат «Глоб» стартует в 2019 году.

Лунным колонистам предстоит справляться с космической радиацией на поверхности Луны а также с воздействием очень высоких и очень низких температур. Вполне возможно, чтобы справиться с этими проблемами людям придётся использовать ландшафт этого спутника. Они смогут обосноваться в полостях в лунной коре, образованных после извержений вулканов — в лавовых трубках. Одну из таких трубок обнаружил японский зонд «Кагуя»: её длина составляет более 50 километров, высота — 75 метров, а возраст — около 3,5 миллиардов лет. В этой пещере можно будет построить город.

Очень интересно, что данные, которые отправляли на Землю различные космические аппараты десятки лет назад, до сих пор позволяют учёным совершать открытия. В июне 1985 года на поверхность Венеры сел спускаемый модуль советского космического аппарата «Вега-2». Атмосфера этой планеты на высоте менее 7 километров оказалась довольно нестабильной, при этом этот слой горячее, чем слой выше. В 2017 году учёные предложили объяснение этому факту: по мнению команды исследователей из университетов Франции и США, нижние слои атмосферы Венеры представляют собой сверхкритическую жидкость.


Модель космического аппарата «Вега-2» в филиале Национального музея авиации и космонавтики США. Спускаемый модуль спрятан внутри сферической оболочки

Первым космическим аппаратом, который отправился к Венере, стала советская «Венера-1». Со времён распада СССР Россия не запускала аппаратов к этой планете, но в 2026 году это изменится: на этот год назначен запуск автоматической межпланетной станции «Венера-Д». Над миссией совместно работают Роскосмос и НАСА. Проект получит финансирование от Агентства по науке.

Средняя температура на поверхности Венеры — 464 °C. Для сравнения — на ближайшей к Солнцу планете, Меркурии, максимальная температура не превышает 427 °C. Рекорд по времени работы на поверхности Венеры принадлежит советскому зонду «Венера-13» и составляет 127 минут. Такого результата удалось достичь после многих неудачных попыток. Все компоненты компьютера на «Венере-13» были спрятаны в титановом кожухе, который предварительно охладили на орбите планеты. Из-за высоких температур и давления, превышающего 90 атмосфер на поверхности Венеры, электронным устройствам здесь приходится очень тяжело.

Лаборатория реактивного движения НАСА планирует использовать подход, отличающийся от стандартной защиты электроники с помощью кожуха и системы охлаждения: их вездеход будет заводным. То есть команда инженеров решила максимально избавиться от электроники и создать вездеход со множеством механических систем. Все привыкли к существующим сегодня роботам и цифровым технологиям, но ведь и двести лет назад были роботы — автоматоны, среди которых встречаются чрезвычайно сложные системы.

Илон Маск на 68-м международном астронавтическом конгрессе в Аделаиде представил гигантскую ракету BFR и описал план марсианского города. Новая BFR станет универсальной ракетой, пригодной как для полётов на Луну и на Марс, так и для коммерческих перелётов между двумя точками Земли менее чем за 1 час. Грузоподъёмность BFR — 150 тонн, в пять раз больше, чем у сверхтяжёлой ракеты Falcon Heavy в частично многоразовом варианте.

Годом ранее, на 67-м конгрессе, Маск также выступал с планами колонизации Марса, где показал множество изображений, достойных научно-фантастических произведений, но далёких от реальности. В 2017 году идеи были немного более реалистичны, но дизайнеры и пиарщики по-прежнему побеждают инженеров. Остаётся лишь надеяться, что в 2018 году SpaceX совершит 30 космических пусков, а в 2022 году всё-таки отправит два грузовика на Марс для начала строительства инфраструктуры.

На том же конгрессе ещё один заметный игрок космической отрасли, компания Lockheed Martin, показала концепт корабля для посадки на Марс и взлёта с поверхности планеты. Спускаемый аппарат Mars Base Camp станет частью марсианского орбитального комплекса.

Проект будет координироваться с окололунной платформой Deep Space Gateway. Многоразовый корабль Deep Space Transport будет забирать людей с лунного космопорта и отвозить их в другую точку Солнечной системы.

НАСА планирует отправить людей на Марс к 2030 году. Первый этап этой миссии — изучение аспектов жизни на Марсе в условиях Земли и на околоземной орбите, на Международной космической станции. Для этого НАСА в начале 2017 году запустила эксперимент по изоляции для симуляции полёта на Марс.

На Большом Гавайском острове разместили купол для проживания в нём шести человек, которые в итоге провели восемь месяцев в заточении. Результаты исследования помогут специалистам НАСА отбирать людей и собирать группы с правильным соотношением психологических черт для наиболее эффективной совместной работы.

Однако, у НАСА может не хватить денег на высадку людей на Марсе. Выходом из ситуации может стать использование транспортных средств таких компаний, как SpaceX, United Launch Alliance и Blue Origin.

Исследовать Марс долгие годы позволяют марсоходы. В 2017 году марсоходу Curiosity исполнилось пять земных лет. За это время он обнаружил органические соединения в грунте и метан в атмосфере, нашёл свидетельства водного прошлого Марса, изучил воду на поверхности планеты.

Пятым марсоходом НАСА станет Mars-2020, который получит 23 камеры, что позволит ему зафиксировать процесс посадки зонда. В отличие от камер Curiosity, которые позволяют делать панорамные фотографии после склейки фото, камеры Mars-2020 будут делать такие селфи и панорамы без склеек. При этом основой конструкции будет подвижная платформа Curiosity, показавшая свою эффективность за время работы ровера.

Важным отличием Mars-2020 от предшественников будет предустановленное программное обеспечение AEGIS (Autonomous Exploration for Gathering Increased Science), которое позволит более эффективно работать в автономном режиме, в случае потери связи с Землёй.

Марсоход на Красную планету планирует отправить Роскосмос и Европейское космическое агентство в рамках проекта «Экзомарс». Шестиколёсный вездеход массой 270 килограммов будет оснащён двухметровым буром, чтобы получить образцы пород с большой глубины. Специалисты уже определили два возможных места посадки на планету в северном полушарии.

Как может выглядеть город на Марсе? В ноябре 2017 года жюри конкурса на дизайн марсианских городов Mars City Design 2017 подвело итоги состязания в пяти номинациях: архитектура, городской дизайн, транспорт, ИИ, устойчивые источники энергии. В номинации «Архитектура» победил проект Массачусетского технологического института под названием Redwood Forest — набор лесных рощ внутри сфер, объединённых системой корней-туннелей. Быть может, через несколько десятков лет мы сможем преодолеть все препятствия на пути к Марсу и на её поверхности и в двух сотнях таких сфер будут жить десять тысяч поселенцев.