Проблемы марсианской пилотируемой экспедиции

Мечты людей о полете на Марс давно будоражили воображение. Вспомним романы Герберта Уэллса «Война миров» (1897), Алексея Толстого «Аэлита» (1923), Рэя Брэдбери «Марсианские хроники» (1950), Артура Кларка «Пески Марса» (1951), Айзека Азимова «Путь марсиан» (1955) [1]. В 2015 г. на основе научно-фантастического романа Энди Вейера «Марсианин» (2011) создан одноименный блокбастер. По сюжету забытому на Марсе астронавту Марку Уотни пришлось самостоятельно справляться со множеством проблем, чтобы выжить в течение 472 земных дней. Вклад NASA в создание фильма «Марсианин» стал ключевым, поэтому получилось правдоподобно. Однако в реальности бороться за жизнь экипажу пришлось бы еще задолго до прилета на Марс. Помимо медицинских проблем – влияние на физиологию и психику радиационного фона, невесомости, микрогравитации, ускорений, перегрузок и других факторов в течение всего полета и на Марсе, экипаж вынужден столкнуться и с техническими проблемами [2]. О них не знали и их не учитывали, разрабатывая проекты марсианских кораблей, основоположники космонавтики: Ф.А. Цандер (1924; предполагал, что полет состоится в 1940-х гг.), Вернер фон Браун (1949; в 1982 г.) и С.П. Королёв (1960–1964; в конце 1970-х гг.) [3, 4]. В США и СССР остались не реализованными несколько проектов марсианской экспедиции, в том числе РКК «Энергия», которая предполагалась в 2015–2016 гг. [5, 6] Вряд ли одна страна сможет ее осилить. Нынешние планы NASA послать человека на Марс в 2040-х гг., тоже можно считать нереальными [7].

Одна из главных причин задержки марсианской экспедиции – нет довольно существенной мотивации – цели и задачи пока не совсем ясны, а риск и затраты огромные. Только лишь дело в заманчивом приключении или престиже? Для чего лететь человеку, если можно программу исследований предоставить различным автоматам? Работа наших луноходов отлично продемонстрировали возможности роботов, выполнив те же задачи, что и человек в программе «Аполлон», но значительно дешевле и исключивших риски для человека. Зачем тратить не менее 500 млрд долларов, если значительно дешевле на все вопросы способны ответить аппараты? [6]

Рассмотрим медицинские проблемы [8]. Сочетаемость психотипов людей при столь длительной экспедиции (не менее трех лет) пока еще неизведанная область. Как поведет себя экипаж в стрессовой ситуации? Могут ли возникнуть трения между ее членами, в результате смогут ли они выполнить программу? Как повлияет на психику экипажа долговременное пребывание в замкнутом пространстве? В 2010–2011 гг. в ИМБП РАН проводился эксперимент Марс-500 по имитации 520-суточного полета на Марс [9]. Исследовалось взаимодействие «человек — окружающая среда». В результате ученые пришли к выводу, что существуют предпосылки развития эмоционального хронического стресса при экстремальном характере условий полета [10]. «Космическая болезнь» впервые дни полета остается: тошнота, головная боль, рвота и общий дискомфорт. К тому же концентрация углекислого газа в гермоотсеках повышена, несмотря на вентиляторы (их шум тоже влияет), что вызывает головные боли, раздражение и проблемы со сном. Известно, что, несмотря на применение тренажеров при длительной невесомости мышцы слабеют, вымывается кальций из костей, изменяется работа сердечнососудистой системы [2]. Другая сложность — в космосе зрение постепенно становится размытым из-за изменений в сетчатке. Но главная проблема межпланетного полета — воздействие радиации на человека в десять раз больше, чем на Земле. Нет эффективной радиационной защиты от солнечной вспышки и галактического излучения, способных вызвать лучевую болезнь [11]. Марс не обладает магнитосферой и мощной атмосферой, поэтому открыт для всех космических излучений, в том числе ультрафиолетового, которыми будут подвергаться люди на его поверхности. Человеку понадобится еще не придуманная серьезная защита, чтобы выжить на Марсе [12]. Кроме того, на Марсе обнаружена пыль с перхлоратами — агрессивный и токсичный реагент, как показывает опыт полетов человека на Луну, полностью избавиться от загрязнения не получится, поэтому возникнут проблемы щитовидной железы и кровеносной системы, а запах пыли повлияет на самочувствие космонавта. На Марсе можно накопить статический разряд достаточной силы для того, чтобы сжечь электронику или получить разряд, прикоснувшись к внешней металлической обшивке корабля. В случае с Марсом потребуется нового типа скафандры, позволяющие защитить от радиации, статического электричества и марсианской пыли людей и оборудование. Эффект воздействия на человека марсианской гравитации, составляющей 38 % земной, по-прежнему остается загадкой. До тех пор, пока космонавты не высадятся на Марсе, узнать истинные последствия воздействия пониженной гравитации невозможно. Неотложной медицинской помощи в космосе не существует: бортовая аптечка включает лекарства (они менее эффективны, чем на Земле) и оборудование первой помощи. Несмотря на о, что в экипаже будет врач, необходимо создать приборы, которые смогут справиться с тяжелыми заболеваниями, однако это не решит всех проблем [13].

Ученые установили: чтобы три человека могли прожить в течение трех лет полета нужно около 1,35 т кислорода, 11,25 т воды и 1,8 т пищи = 14,5 т (если экипаж из 5–6 человек, то до 29 т), что нерационально для весовых характеристик марсианского корабля. Чтобы пополнять запасы кислорода, питания и воды необходимо создавать систему замкнутого цикла. В нашей стране в 1964–1968 и 1972–1973 гг. были выполнены эксперименты БИОС-1, БИОС-2 и БИОС-3 по этой проблеме, но полностью замкнутой системы жизнеобеспечения не создано [8].

Необходимо решить и ряд технических и технологических проблем. Прежде всего, это безопасность полета, которая считается приоритетной. В комплекс мер для защиты от нештатных ситуаций и тем более аварии должны быть включены следующие системы: спасения экипажа, радиационной и метеоритной защиты, жизнеобеспечения с замкнутым циклом, пожаротушения и предупреждения о возможности взрыва, контроля всех бортовых систем и приборов [14]. Несмотря на то, что марсианский корабль будет оборудован самыми совершенными системами, не исключена их поломка, а подвезти запчасти, как на МКС, не получится. При сбое в работе или поломке систем экипаж должен быть в состоянии справиться со всеми происшествиями самостоятельно. Выход из строя главного компьютера или одной из важных систем, разгерметизация жилого отсека или отказ любого двигателя вообще поставит весь полет на грань катастрофы. Например, 14 апреля 1970 г. во время полета корабля «Аполлона-13» взорвался топливный бак на расстоянии 330 тыс. км от Земли и экипаж чуть было не погиб. В 1984 г. Л.Д. Кизим и В.А. Соловьёв совершили шесть выходов в открытый космос общей длительностью 22 часа 50 минут, выполнив сложный и трудоемкий ремонт объединенной двигательной установки станции «Салют-7», иначе станция стала бы аварийной [15]. В конце 1984 г. произошел отказ всех бортовых систем станции «Салют-7», спасательная экспедиция В.А. Джанибекова и В.П. Савиных ее реанимировала. Но это происходило рядом с Землей, в дальнем космосе такие ситуации, скорее всего, приведут к катастрофе. 21 июля 1969 г. при посадке на Луну КК «Аполлон-11» автоматика вела модуль «Орел» прямо в кратер с большими камнями, за 9 мин до посадки модуль пролетел мимо планируемого места, в результате промахнулся на 6 км [16]. Аналогичная проблема может возникнуть у экипажа при посадке на Марс: слишком мало времени для определения и избегания попадания посадочного модуля на камни, крутой склон или сыпучий песок, что может привести к его поломке или опрокидыванию, то есть возвращение на Землю будет невозможно. Обязательным способом мягкой посадки на Марс являются аэродинамический системы: надувной замедлитель сверхзвуковой скорости или тормозной двигательной установки. Но первая может сдуться, а вторая имеет три риска: выхлопные газы двигателей могут разрушить или опрокинуть посадочный модуль, в результате возгорания топлива возникнет пожар или взрыв, сохранить стабильность посадочного модуля станет сложной задачей [17].

Чтобы путешествие состоялось, нужны подходящие ракета-носитель и двигатели. Масса межпланетного корабля оценивается примерно в 500–800 т, чтобы отправить его к Марсу подойдет только сверхтяжелый носитель, причем необходимы несколько пусков. У России есть проект носителя «Енисей», но его разработка приостановлена, в основном, по финансовым причинам. США и Китай тоже создают такого типа носители, у NASA однако он только для лунной программы «Артемида». Кроме того, сборка корабля на околоземной орбите требует соблюдения временных рамок, иначе пуск не состоится в «окно» запуска, которое повторяется каждые 780 суток, если его пропустить, то следующий пуск возможен лишь через два года.

Для полета на Марс и обратно требуется огромный запас топлива, самым эффективным считается криогенное топливо – жидкий водород и кислород, в течение трех лет полета придется постоянно его охлаждать, но пока нет технологий хранения такого топлива в космосе. Вероятно, будут использоваться ионные или ядерные электрические двигатели для ускоренного перелета к Марсу и обратно, но и здесь есть проблема отвода излишнего тепла от реакторов [17].

Выше «упомянута лишь часть технических проблем, в то время как отработка с требуемой надежностью всех элементов… в силу сложнейших организационных, финансовых и научно-технических проблем… Полет человека к Марсу может быть подготовлен к 2070–2080 гг., конечно при наличии благоприятных факторов…» [18, с. 98].

Важна и экологическая проблема, которую тоже необходимо решать. Подсчитаны уровень загрязнения окружающей среды при создании ракетно-космической техники и в результате ее использования. Например, при эксплуатации в 1986–2001 гг. российского орбитального комплекса «Мир» в атмосфере и на поверхности Земли произошли значительные загрязнения окружающей среды от падения ступеней ракет и работы двигателей. С экологической точки зрения еще более значительный вред принесет марсианская экспедиция. Вряд ли в ближайшее время можно решить эту сложную задачу [19, 20].

Но одна из главных проблем — политико-экономическая. В отличие от других, с политической точки зрения ее решение преждевременно, с финансовой — она самая затратная за всю историю. Предстоит еще много работы и расходов по созданию и испытаниям систем безопасности, на которые уйдут десятилетия. Современная напряженная политико-экономическая политическая обстановка в мире скорее всего отодвинут марсианскую экспедицию на неопределенный срок. В обозримом будущем освоение Марса продолжится с помощью роботизированных систем и искусственного интеллекта, которые без риска для людей смогут успешно решить все поставленные перед марсианской экспедицией задачи [7, 18].