Полёт человека на Марс остаётся одной из ключевых задач современной космонавтики. Подготовка к нему уже ведётся в разных странах мира — через имитационные миссии, испытания скафандров и марсоходов, эксперименты по психологической совместимости экипажей и моделирование жизни в изоляции.
О том, как устроены такие эксперименты, какие задачи они решают и с какими ограничениями сталкиваются их участники, на лекции в Ельцин Центре в Екатеринбурге 24 апреля рассказал Марат Айрапетян — космический инженер, участник команды по созданию спутников, руководитель центра управления марсианской имитационной миссии, автор блога «Юра, мы справимся!». Его выступление вошло в цикл «Космос в центре внимания».
Прогноз Циолковского и неожиданный «прыжок»
В начале лекции Марат Айрапетян напомнил слушателям о теоретическом фундаменте, на котором строится вся современная космонавтика. Константин Циолковский ещё в дореволюционные годы вывел уравнение, связывающее массу ракеты, массу её топлива и скорость истечения газов. Уже тогда стало понятно: одноступенчатой ракеты для полёта в космос недостаточно, нужна многоступенчатая.
В одной из своих работ Циолковский описал и стадии будущего развития космонавтики. Первым шагом, по его прогнозу, должно было стать оснащение самолётов реактивными двигателями. Затем — ракеты на жидком топливе (твёрдое, использовавшееся ещё в древнекитайских фейерверках, плохо контролируется). Потом — первый спутник, первый человек в космосе, орбитальные станции и только в самом конце полёты на другие планеты.
История подтвердила прогноз почти полностью — но с одним важным исключением. Между полётом Юрия Гагарина и созданием орбитальных станций человечество совершило неожиданный «прыжок выше головы»: высадку на Луну. Президент США Джон Кеннеди в 1961 году поставил инженерам задачу до конца десятилетия добраться до Луны, и колоссальные деньги, вложенные в программу, позволили достичь этой цели — несмотря на то, что технологически человечество к комфортному функционированию на Луне ещё не было готово.
— Полёт на Луну во многом был политической задачей, — объясняет Марат Айрапетян. — Пользу для науки получили косвенно: привезли много грунта. Но оказалось, что полёты очень дорогие, технологически мы не были готовы к жизни на Луне, а околоземную инфраструктуру тогда ещё не построили. Поэтому в семидесятые годы человечество вернулось к логичной последовательности: создание орбитальных станций, развитие связи, навигации.
Именно поэтому, по словам лектора, человечество пятьдесят лет не возвращалось на Луну: только сейчас оно готово к освоению других планет на постоянной основе. На МКС научились комфортно жить, всё, что можно, там уже сделали. Сегодня речь идёт уже не о разовых высадках, а о полноценной обитаемой базе.
Вторая лунная гонка
Программа «Артемида», к которой американцы готовились начиная с десятых годов, начала активно развиваться, когда Китай объявил о собственных планах высадки к 2030 году. По обновлённой архитектуре программы, в 2027 году в околоземном пространстве пройдёт миссия «Артемида-3» — отработка стыковки корабля «Орион» с лунными посадочными модулями, а на 2028 год запланирована «Артемида-4», которая должна стать первой высадкой астронавтов на Луну со времён «Аполлона».
Космонавтика, подчёркивает лектор, всегда движется вместе с геополитикой. Собственная лунная программа была когда-то и у Советского Союза. Ракету Н1 Сергей Королёв строил в ответ американцам: по планам, в 1970-м должна была состояться высадка на Луну, а в 1974-м — пилотируемый полёт на Марс. Если читать автобиографии советских инженеров того времени, они пишут о марсианской экспедиции как о деле ближайших лет.
— Состоялось четыре пуска ракеты Н1, и все оказались неудачными, — рассказывает Марат Айрапетян. — Главная проблема — двигатели: на ракете их было около тридцати, и вычислительная система того времени просто не справлялась с управлением таким количеством. По плану предполагалось десять тестовых пусков, но, когда Сергей Королёв умер в 1966 году, стало понятно, что американцы будут первыми, и программу закрыли.
После этого Советский Союз сосредоточился на орбитальных станциях — «Алмазах», «Салютах», «Мире», — и именно советский опыт лёг в основу МКС.
Школьная физика и марсианская баллистика
Чтобы попасть на другую планету, нужно очень много энергии. Корабль «Союз» весит порядка семи тонн, а ракета, выводящая его на орбиту, — около трёхсот тонн. Получается, что космонавты летают «на огромной бочке с топливом»: полезная нагрузка составляет всего три процента от массы ракеты. И это только для того, чтобы достичь орбиты МКС — около 400 километров. До Луны — 400 тысяч километров, до Марса в момент максимального с ним сближения — порядка 50-55 миллионов километров.
Первая космическая скорость, при которой тело начинает вращаться по орбите Земли, — около 7,9 км/с. Чтобы добраться до Луны, нужно достичь второй космической — 11,2 км/с, а для полёта на Марс — около 15 км/с, или примерно 60 тысяч километров в час. Соответственно, нужны и гораздо более мощные ракеты.
Корабль Starship компании SpaceX, высотой 121 метр и массой около пяти тысяч тонн, проектируется именно под марсианские задачи. Его ключевая особенность — повторное использование ступеней. Космические запуски очень дороги, и тренд последних лет — сделать их максимально многоразовыми. Первая ступень возвращается и приземляется на специальный механизм-«мехазиллу» (mechazilla) — 145-метровую стартовую и улавливающую башню. Ту же технологию вертикальной посадки предполагается использовать и на Луне, и на Марсе.
Сама схема будущего марсианского рейса проста: первая ракета стартует и оказывается на орбите Земли с практически опустошённым баком. К ней подлетает вторая, заправленная, и дозаправляет её прямо в космосе. Затем уже полностью заправленный корабль отправляется на Марс. Со стартом с поверхности Марса всё проще: гравитация там примерно в три раза слабее, чем на Земле.
Кроме того, Starship летает на метане и жидком кислороде, и существуют технологии, позволяющие генерировать эти вещества прямо из марсианской атмосферы. В идеальной схеме корабль должен дозаправиться на Марсе и вернуться обратно.
Расстояние до Марса корабль преодолевает примерно за полгода — то есть миссия предполагает полгода в одну сторону и полгода обратно. Стартовое окно открывается раз в два года — это важный баллистический фактор.
Невесомость, радиация и марсианский климат
Даже если технические задачи будут решены, остаётся главный вопрос: как организм человека выдержит такой полёт? Невесомость негативно влияет на тело: слабеет вестибулярный аппарат, перестраивается работа сердечно-сосудистой системы (на Земле кровь приливает к ногам, а в невесомости — к голове), атрофируется опорно-двигательный аппарат, из костей вымывается кальций. Чтобы предотвратить эти эффекты, на МКС космонавты тренируются по два часа каждый день — причём расписание тренировок жёстко интегрировано в общий график станции, потому что бегущий на дорожке космонавт создаёт микроколебания, которые могут испортить чувствительные эксперименты в других модулях.
Открытым остаётся и вопрос радиации. На Земле от космических лучей нас защищает магнитное поле, в полёте его нет, на Марсе оно слабое. Разные исследования дают разные оценки: одни говорят, что поездка на Марс и обратно эквивалентна максимальной дозе радиации, которую человек способен выдержать; другие — что и в одну сторону можно не долететь, если настигнет солнечная вспышка. На самом Марсе спрятаться можно: если закопаться в марсианский грунт на три метра, уровень радиации будет таким же, как на Земле. Поэтому первые марсианские базы, скорее всего, будут именно подземными, — считает Марат Айрапетян.
Сама атмосфера Красной планеты не похожа на земную. На 95 процентов она состоит из углекислого газа, а её плотность примерно в сто раз меньше земной. Гравитация — около 37 процентов от земной (Марс меньше Земли по диаметру в два раза, по массе — в девять). Температура на поверхности зимой колеблется от минус 90 до минус 15 градусов за сутки, летом — от минус 60 до плюс 30. Суточный перепад может достигать ста градусов.
— Будущие покорители Красной планеты теоретически смогут дышать кислородом, произведённым здесь же, — говорит Марат Айрапетян. — На марсоходе Perseverance был проведён эксперимент по генерации кислорода из углекислой атмосферы планеты. Удалось получить несколько граммов — «этого хватило бы, чтобы небольшая собачка час прожила на Марсе». Теперь нужно масштабировать систему, и тогда человек сможет там жить с комфортом.
Вода, необходимая для поддержания жизнедеятельности, также может быть местной. На Марсе, добавляет лектор, отчётливо видны русла рек: вода там когда-то была. Сейчас же — из-за низкого давления — она либо находится в виде льда (полярные шапки), либо мгновенно выкипает. Часть льда на полюсах представляет собой замёрзшую углекислоту, но есть и обычная вода, которую придётся добывать. Недавно сейсмологические исследования обнаружили на десятикилометровой глубине под марсианской поверхностью подземное озеро — крайне любопытный объект, потому что туда не доходит радиация и там, возможно, может что-то жить.
От ПрОП-М до Perseverance
История изучения Марса с поверхности насчитывает уже более полувека. Первым марсоходом, официально достигшим поверхности Красной планеты, стал советский ПрОП-М («Прибор оценки проходимости — Марс»), доставленный туда в 1971 году спускаемым аппаратом станции «Марс-3». На небольшом аппарате стояли не колёса, а лыжи, которые поочерёдно перемещались. Однако сама станция «Марс-3» проработала на поверхности всего четырнадцать секунд, и марсоход не успел даже выйти из своей посадочной платформы.
В 1997 году к Марсу прибыл первый по-настоящему серьёзный американский аппарат — Sojourner, размером с небольшую микроволновку. Он проработал три месяца и проехал около ста метров, но фактически доказал, что планетоходы способны жить и проводить исследования на поверхности другой планеты. Затем появились Spirit и Opportunity — машины, оснащённые камерами; их запустили парой, чтобы повысить вероятность успеха миссии: около трети всех отправленных к Марсу аппаратов терпит неудачу.
По словам Марата Айрапетяна, примерно каждые десять лет появляется новый, более совершенный марсоход. Curiosity к настоящему времени проехал около сорока километров, современный Perseverance, собранный частично из запасных частей предшественника, рассчитан на расстояние порядка ста километров. Его задача — собрать образцы марсианского грунта в специальные капсулы и подготовить их к доставке на Землю отдельной миссией; правда, из-за сокращения космических бюджетов эта операция оказалась под вопросом. На борту Perseverance также установлены образцы материалов, которые планируется использовать для марсианских скафандров. Вместе с Perseverance прибыл и небольшой вертолёт Ingenuity — первый в истории аппарат, поднявшийся в атмосферу на другой планете. Активно движется и Китай: в 2021 году его марсоход «Чжужун» успешно высадился на поверхность.
Управляются марсоходы вручную с Земли. С Красной планеты поступают детальные снимки, но не настолько, чтобы разглядеть каждый камень. К тому же сигнал идёт примерно десять минут в одну сторону, поэтому отдавать управление таким аппаратом в полную автономию слишком рискованно. Сама посадка идёт автономно, а вот движение — по маршруту, проложенному с Земли.
— Если у нас так много марсоходов и они такие успешные, зачем же отправлять туда человека? — задаёт вопрос Марат Айрапетян. — Представьте: вам нужно с помощью маленькой машинки на пульте управления и слабенькой камеры исследовать новый материк. Какие-то базовые знания вы получите, но для фундаментальных исследований этого недостаточно. Один полёт человека гораздо более наукоёмок, чем все марсоходы вместе взятые.
В подтверждение лектор приводит пример из лунных миссий. Первые астронавты NASA были военными лётчиками. Но в одной из последних программ «Аполлон» на Луну отправили геолога Харрисона Шмитта — и тот профессиональным взглядом нашёл образец, отличавшийся от всех остальных. Так в руках человека оказался самый древний камень, когда-либо найденный в Солнечной системе.
«Год в звездолёте»: советский марсианский эксперимент
Прежде чем лететь на Марс, всё это нужно отработать на Земле. Первые пробы по подготовке к длительному полёту начались ещё в Советском Союзе. В 1967 году стартовал эксперимент «Год в звездолёте», который был задуман еще Сергеем Королёвым, ушедшим из жизни полутора годами ранее. Трое советских специалистов — Андрей Божко, Герман Мановцев и Борис Улыбышев — провели 365 дней в гермокабине размером 12 квадратных метров, причём половина этого пространства была занята оборудованием.
— Это примерно как купе поезда, — комментирует Марат Айрапетян. — Современные эксперименты гораздо более гуманны.
Размеры гермокабины были выбраны не случайно: к этому времени уже был понятен общий облик будущего марсианского корабля. Все эти месяцы испытатели не получали воду извне: на трёх человек на десять дней давали ведро для мытья, а вся вода на питьё и готовку получалась за счёт регенерации мочи и пота. Условия были жёсткими: концентрацию кислорода специально снижали, температуру в камере поднимали до 30–40 градусов.
Самой большой проблемой оказались не бытовые условия, а конфликты внутри экипажа. Двое испытателей перестали слушаться командира. Затем у одного начали падать вес и силы, ему увеличили дозу питания — и двое других стали ему завидовать. Парадоксально, но в самые тяжёлые моменты — когда экспериментаторы поднимали температуру, снижали кислород, лимитировали еду — экипаж сплачивался. Настолько становилось плохо, что не оставалось другого выхода, кроме как находить общий язык. Если разделить годовую миссию на четыре равные четверти, то самой сложной для экипажа оказывается, по словам лектора, третья — «эффект третьей четверти», который, кстати, наблюдается и в обычных земных проектах.
Следующим ярким экспериментом стала американская «Биосфера-2» — попытка построить замкнутую инфраструктуру, в которой растения вырабатывали бы кислород, насекомые-опылители обеспечивали бы их размножение, а люди жили бы в полностью автономной экосистеме. Эксперимент оказался неудачным: бетонные конструкции пропускали кислород, его концентрация падала, погибли насекомые-опылители, расплодились тараканы. Состояние участников ухудшилось, и эксперимент пришлось остановить.
Современные имитационные миссии
Сегодня в мире проводится множество имитационных, или аналоговых, миссий — в местах, ландшафт и климат которых напоминают марсианские. Такие площадки есть в России, Армении, Иордании, Омане, Египте, на Гавайях. Миссии делятся на короткие — от двух недель до месяца, и длительные — до полугода и больше.
Длительные миссии проверяют ключевой фактор — психологический: как сделать так, чтобы члены экипажа за год полёта не возненавидели друг друга. В коротких миссиях отрабатывается всё остальное: техника, процедуры принятия решений, конструкция марсоходов, организация центра управления, протоколы взаимодействия человека и роботов, концепция самой марсианской базы.
Марат Айрапетян сам участвовал в двух коротких имитационных миссиях. Вторая — уникальная: в один и тот же момент 17 баз по всему миру параллельно имитировали жизнь на Марсе, изображая разветвлённое научное поселение. У каждой базы было собственное руководство — лектор как раз руководил одним из таких центров. Часть площадок имитировала марсианские условия, часть — лунные, ещё несколько — полёт небольшого корабля. Например, в Индии один испытатель провёл две недели в станции три на три метра, изображая жизнь в маршевом отсеке. Базы регулярно созванивались — было приятно поговорить с живым человеком.
— Сами «марсиане» не очень охотно рассказывают о том, что у них происходит, — отмечает лектор. — Но чувствуется надрыв в голосе. Видимо, на третий-четвёртый месяц «кукуха» у участника начинает потихоньку ехать, хоть их и подбирают одного из ста тысяч.
Похожие процессы идут и на МКС. В подкасте Марата Айрапетяна космонавт Александр Лазуткин рассказывал, что в какой-то момент начинаешь слышать, как напарник бреет каждый отдельный волосок, и за каждый волосок хочется его убить. И с этим научились работать: космонавт честно задаётся вопросом, действительно ли что-то изменилось или это уже его собственные нервы.
Армянская база и центр управления
Именно в Армении, в окрестностях села Армаш, в марте 2024 года прошла одна из самых масштабных международных аналоговых миссий — AMADEE-24, организованная Австрийским космическим форумом. Марат Айрапетян рассказал о ней подробнее как непосредственный участник.
Армянскую базу спроектировали длинной — потому что по концепции она должна была быть встроена в гору, в боковом тоннеле. Скафандры весом около 50 килограммов тестировались на полигоне. Один из марсоходов был оборудован системой компьютерного зрения и мог самостоятельно «захватить» космонавта и следовать за ним до заданной точки без внешнего управления. Отрабатывались и более сложные интерфейсы: космонавт надевает шлем, и марсоход едет в нужную сторону по импульсам, считываемым с мозга.
Когда находишься на такой базе, рассказывает лектор, действительно начинаешь чувствовать себя на другой планете. Связь с Землёй идёт с задержкой, наружу выходишь только в скафандре, перед глазами фантастические пейзажи.
Ключевой элемент любой марсианской миссии — центр управления полётами. В нём работают руководители полёта, медики и психологи, имеющие право в любой момент остановить эксперимент. Также работают группы, отвечающие за эксперименты и процедуры, кто-то напрямую переписывается с космонавтом. С базы поступают голос и дискретная картинка — периодические фотографии со скафандров.
Но главное отличие марсианского ЦУПа от стандартного — задержка сигнала. От 6 до 24 минут (в среднем — около 10) нужно радиосигналу, чтобы дойти до Марса. То есть сообщение от ЦУПа доходит до экипажа через десять минут, и даже мгновенный ответ возвращается ещё через десять. Если кто-то неточно сформулировал или неправильно понял, задержка ещё увеличивается. Работа выглядит так, будто общаешься с другом, который медленно отвечает. На МКС, где космонавты в любой момент могут связаться с Землёй и сами решают много задач, ЦУП устроен совершенно по-другому, — поделился Марат Айрапетян.
Случаются и забавные эпизоды. Однажды, рассказывает лектор, телеметрия с армянской базы показала всплеск этанола, и он написал коллегам: «Ребята, чем вы там занимаетесь? И почему нас не пригласили?» Те ответили: «Уборку делаем». Сенсоры просто считали испарения чистящих средств.
— Главное открытие этих экспериментов для меня, — говорит Марат Айрапетян, — что Марс во многом не про науку, а про быт. Примерно как в Советском Союзе осваивали целину. Времени для собственно научной работы там остаётся не так много. Первые поселенцы — это люди, которые с нуля будут разворачивать инфраструктуру и налаживать марсианский быт.
Сухая иммерсия и наклонённая кровать
Помимо длительных и аналоговых миссий, существуют и более простые эксперименты, имитирующие отдельные эффекты космического полёта. Один из них — «сухая иммерсия». В бассейн с водой кладут непромокаемую плёнку, на неё на несколько дней или недель помещают человека: он словно болтается в невесомости — организм реагирует похожим образом. За участие в двухнедельном эксперименте платят порядка двухсот тысяч рублей.
Другой эксперимент — антиортостаз. Человека укладывают на кровать с наклоном минус шесть градусов, и кровь начинает приливать к голове так же, как в космосе. Что особенно интересно, регулируя угол наклона, можно имитировать самые разные условия: при минус шести градусах — невесомость, при плюс двенадцати или тридцати — лунную или марсианскую гравитацию. Например, можно полностью смоделировать лунный полёт: четыре дня под минус шесть градусов на пути к Луне, потом несколько дней под плюс двенадцать на самой Луне, потом снова четыре дня под минус шесть на обратной дороге — и, не отправляя человека в космос, узнать, как организм отреагирует на такой полёт.
Когда же на Марс?
Технологически, считает Марат Айрапетян, у человечества уже есть почти всё, что нужно для полёта на Марс: появилась тяжёлая ракета, на МКС научились возить еду, плюс-минус решён вопрос защиты от радиации. Не хватает лишь главного — постановки задачи.
— Космонавтика всегда идёт рядом с постановкой задачи, — говорит лектор. — Либо это политическая воля государства, как было с лунной программой Кеннеди. Либо энтузиасты вроде Илона Маска. Кстати, недавно Маск сменил приоритеты: раньше он говорил только про Марс, сейчас — что сначала надо заняться Луной. Потому что у SpaceX контракт от NASA на создание посадочных платформ для Луны.
Айрапетян считает, что нынешнее поколение может застать высадку человека на Марсе. Если ориентироваться на текущие планы, Луна повторно «откроется» в 2027–2028 годах. А к 2040–2045 годам вероятен и марсианский полёт.
Что точно даст Марс земной науке? Прежде всего, новые технологии в энергетике — для жизни на Красной планете нужны не только солнечные батареи, но и компактные ядерные реакторы (как, например, проект Kilopower). Скорее всего, появятся новые средства защиты от радиации. Будет получено очень много данных о реакции человеческого организма на пониженную гравитацию: можно ли там расти, развиваться, родиться — пока неизвестно, и это совершенно отдельная этическая и научная история. Уже сейчас, отмечает лектор, существует компания Varda Space, которая выращивает в условиях невесомости лекарства: вещества там кристаллизуются иначе, чем на Земле, и это позволяет создавать препараты, недостижимые для земной фармацевтики.
— Самое главное — не просто отработать технику, — подытоживает Марат Айрапетян. — Самое главное — это люди. Чертежей, наработок и марсианских, и лунных миссий очень много. А вот людей, которые могут с нуля провести подобную миссию своими руками, — мало. Их нужно тренировать и учить.
