Еще в 2007 году я разговаривал с Робом Мэннингом, выдающимся инженером из Лаборатории реактивного движения, и он рассказал мне нечто шокирующее. Несмотря на то, что он успешно руководил командами по входу, спуску и посадке (EDL) в трех миссиях марсохода, он сказал, что перспектива высадки человека на Красную планету может оказаться невозможной. Но теперь, после почти 20 лет работы и исследований, а также более успешных посадок марсохода, Мэннинг говорит, что перспективы значительно улучшились.
"С 2007 года мы добились огромного прогресса", - сказал мне Мэннинг, когда мы общались несколько недель назад в 2024 году. "Интересно, как это развивалось, но фундаментальные проблемы, с которыми мы столкнулись в 2007 году, никуда не делись, они просто изменились".
Проблемы возникают из-за сочетания сверхтонкой атмосферы Марса, которая более чем в 100 раз тоньше земной, и сверхбольших размеров космических аппаратов, необходимых для полетов человека, — вероятно, от 20 до 100 метрических тонн.
"Многие люди сразу же приходят к выводу, что высадка людей на Марс должна быть простой, - сказал Мэннинг еще в 2007 году, - поскольку мы успешно приземлились на Луне и регулярно доставляем транспортные средства с людьми из космоса на Землю. А поскольку Марс находится между Землей и Луной по размерам и количеству атмосферы, то найти золотую середину на Марсе должно быть легко".
Но атмосфера Марса создает проблемы, которых нет ни на Земле, ни на Луне. У большого, тяжелого космического корабля, несущегося сквозь тонкую, изменчивую атмосферу Марса, есть всего несколько минут, чтобы сбросить скорость с приближающейся межпланетной (например, марсоход "Персеверанс" двигался со скоростью 12 100 миль в час [19 500 км/ч], когда он достиг Марса) до менее 1 Маха, а затем быстро перейти на посадочный модуль, чтобы снизить скорость до уметь мягко приземляться.
В 2007 году среди инженеров EDL преобладало мнение, что здесь слишком мало атмосферы для приземления, как на Земле, но на самом деле на Марсе слишком много атмосферы, чтобы приземлять тяжелые транспортные средства, как на Луне, используя только двигательные технологии.
"Мы называем это проблемой сверхзвукового перехода", - снова сказал Мэннинг в 2007 году. "Разница в скорости и высоте ниже 5 Махов характерна только для Марса. Существует разрыв между возможностями крупных систем ввода на Марс и возможностями технологий сверхзвукового и субзвукового замедления, позволяющих достичь скорости ниже скорости звука".
Самым крупным полезным грузом, который до сих пор доставлялся на Марс, является марсоход Perseverance, масса которого составляет около 1 метрической тонны. Для успешной посадки Perseverance и его предшественника Curiosity потребовалась сложная серия маневров и устройств, таких как небесный кран, в духе Руба Голдберга. Более крупные транспортные средства, рассчитанные на человека, будут двигаться еще быстрее и тяжелее, что сделает их невероятно трудными для торможения.
"Итак, как вы снижаете скорость до дозвуковых скоростей, - сказал Мэннинг в 2024 году в качестве главного инженера JPL, - чтобы достичь скоростей, при которых мы традиционно знаем, как запускать наши двигатели для приземления? Мы думали, что парашюты большего размера или сверхзвуковые замедлители, такие как LOFTID (Летные испытания надувного замедлителя на низкой околоземной орбите, проведенные НАСА), позволят нам, возможно, лучше снижать скорость, но с обоими этими устройствами по-прежнему были проблемы".
"Но был один трюк, о котором мы ничего не знали", - продолжил Мэннинг. "Как насчет того, чтобы использовать вашу двигательную установку и запускать двигатели в обратном направлении — ретродвигатель — во время полета на сверхзвуковой скорости, чтобы снизить скорость? В 2007 году мы не знали ответа на этот вопрос. Мы даже не думали, что это возможно."
Почему нет? Что может пойти не так?
"Когда вы запускаете двигатели задним ходом при движении в атмосфере, образуется фронт ударной волны, который движется по кругу, - объяснил Мэннинг, - поэтому он может подойти и ударить по автомобилю, что приведет к его неустойчивости или повреждению. Кроме того, вы летите прямо в шлейф выхлопных газов ракетного двигателя, так что транспортное средство может испытывать дополнительное трение и нагреваться".
Все это очень сложно смоделировать, и практически не было опыта в этом, поскольку в 2007 году никто еще не использовал только двигательную технологию для замедления и последующей посадки космического корабля обратно на Землю. В основном это объясняется тем, что прекрасная, роскошно плотная атмосфера нашей планеты легко замедляет падение космического корабля, особенно при прыжке с парашютом или творческом полете, как это делал космический челнок.
"Люди немного изучили это, и мы пришли к выводу, что было бы здорово попробовать и выяснить, можем ли мы запустить двигатели в обратном направлении и посмотреть, что произойдет", - размышлял Мэннинг, добавляя, что у нас не было никаких дополнительных средств для запуска ракеты, чтобы просто посмотреть, как она снова упадет посмотреть, что произошло.
Но затем SpaceX начала проводить испытания в попытке вернуть на Землю первую ступень ракеты-носителя Falcon 9 для ее повторного использования.
"SpaceX заявила, что собирается попробовать это, - сказал Мэннинг, - и для этого им нужно было замедлить запуск ракеты-носителя на сверхзвуковой фазе, находясь в верхних слоях атмосферы Земли. Итак, во время полета они запускают двигатели в обратном направлении на сверхзвуковых скоростях в разреженной атмосфере, что очень похоже на марсианские условия".
Как вы можете себе представить, это было невероятно интригующе для инженеров EDL, которые думали о будущих миссиях на Марс.
После нескольких лет проб, ошибок и неудач, 29 сентября 2013 года компания SpaceX выполнила первый сверхзвуковой маневр обратного отталкивания (SRP), чтобы замедлить повторный запуск первой ступени своей ракеты Falcon 9. В то время как он в конечном счете упал в океан и был уничтожен, SRP фактически работал над замедлением запуска ракеты-носителя.
НАСА спросило, могут ли их инженеры EDL просмотреть и изучить данные SpaceX, и SpaceX с готовностью согласилась. Начиная с 2014 года, NASA и SpaceX создали трехлетнее государственно-частное партнерство, основанное на анализе данных SRP, под названием проект NASA Propulsive Descent Technology (PDT). Ускорители F9 были оснащены специальными приборами для сбора данных именно о тех участках траектории при входе в атмосферу, которые попадали в диапазон чисел Маха и динамического давления, ожидаемых на Марсе. Кроме того, были проведены кампании по визуальной и инфракрасной съемке, реконструкции полета и анализу гидродинамики — все это помогло как НАСА, так и SpaceX.
Ко всеобщему удивлению и радости, это сработало. 21 декабря 2015 года первая ступень F9 вернулась и успешно приземлилась в зоне посадки 1 на мысе Канаверал, что стало первой в истории посадкой ракеты орбитального класса. Это была принципиально новая демонстрация SRP, которая расширила знания и протестировала технологию использования SRP на Марсе.
"Основываясь на проведенных анализах, остающаяся задача SRP характеризуется как задача разумного проектирования систем полета, зависящая от зрелости конкретных систем полета на Марс, а не от развития технологий", - написала команда EDL, подробно описав результаты проекта PDT в статье. Короче говоря, успех SpaceX означал, что для доставки больших полезных грузов на Марс не потребуется никаких новых технологий или нарушения законов физики.
"Оказывается, мы изучили некоторые новые физические явления", - сказал Мэннинг. Они обнаружили, что "пузырь" ударного фронта, создаваемый вокруг космического аппарата при запуске двигателей, каким-то образом изолирует космический аппарат от любых ударов, а также от некоторого нагрева.
Инженеры EDL теперь считают, что SRP - это единственная технология входа, спуска и посадки на Марс, которая по своей сути масштабируема для широкого спектра миссий и позволяет снизить скорость, достаточную для полета в атмосфере, чтобы обеспечить безопасную посадку. Наряду с аэробрейкингом, это один из ведущих способов посадки тяжелой техники, мест обитания и даже людей на Марс.
Но, тем не менее, многие вопросы остаются нерешенными, когда речь заходит о высадке человека на Марс. Мэннинг упомянул, что есть множество неизвестных, в том числе, как будет управляться большой корабль, такой как Starship от SpaceX, и как он будет пролетать через атмосферу Марса; можно ли использовать гиперзвуковые плавники или они расплавятся в плазменной среде? Количество мусора, выбрасываемого большими двигателями корабля размером с человека, может быть фатальным, особенно для двигателей, которые вы хотели бы использовать повторно для возвращения на орбиту или на Землю, так как же вы защищаете двигатели и корабль?
На Марсе может быть довольно ветрено, так что же произойдет, если во время посадки вы столкнетесь со сдвигом ветра или пыльной бурей? Какие посадочные опоры подойдут для большого корабля на каменистой поверхности Марса? Тогда возникают проблемы с логистикой, например, как будет создана вся инфраструктура? Как будут заправляться корабли, чтобы вернуться домой?
"Все это займет много времени, больше, чем люди могут себе представить", - сказал Мэннинг. "Одним из недостатков полета на Марс является то, что трудно прибегать к методу проб и ошибок, если вы не очень терпеливы. В следующий раз вы сможете повторить попытку только через 26 месяцев из-за временных интервалов между запусками на наших двух планетах. Святые угодники, как же это будет мучительно! Но я думаю, что мы многому научимся, когда сможем попробовать это в первый раз."
И, по крайней мере, получен ответ на вопрос о сверхзвуковой обратной тяге.
"По сути, мы делаем то, что Бак Роджерс советовал нам делать еще в 1930-х годах: включайте двигатели задним ходом на очень большой скорости".
