Пилотируемые миссии на марс: сдерживающие факторы

Марсианский день всего примерно на 40 минут длиннее, чем на Земле. И хотя на первый взгляд можно, наоборот, обрадоваться тому, что у тебя будет на целых 40 минут больше каждый день, это на самом деле может оказаться очень серьезной проблемой, так как суточный биологический ритм человека рассчитан на 24 часа. Дополнительные 40 минут каждый день на Марсе вскоре приведут к тому, что у человека разовьется синдром бесконечной смены часовых поясов, что, в свою очередь, будет проявляться в виде постоянной усталости и плохого самочувствия.

Операторы аэрокосмического агентства NASA уже успели испытать на себе все "радости" этого синдрома, так как им пришлось работать в соответствии с марсианским временем, как только одни из первых отправленных на Марс роверов начали свою ежедневную работу на Красной планете. Все работники космической марсианской миссии "Соджорнер", например, придерживались того же времени, в каком приходилось работать роверу. Спустя месяц такого напряженного графика операторы, что называется, выдохлись.

Для последующих марсианских роверов центр управления NASA смог успешно придерживаться марсианского времени в течение трех месяцев, однако к концу миссии работники по-прежнему очень сильно уставали. На основе наблюдений ученые выяснили, что человек способен придерживаться марсианского времени только лишь на кратковременные периоды. Астронавтам же, которым придется оставаться на Марсе месяцами, никак не удастся выбраться из рамок марсианского времени.

Более ранние исследования вопросов сна показали, что человеческое тело обладает естественным 25-часовым биологическим ритмом, однако, как оказалось позже, результаты этих исследований были неверны. После проведения новых наблюдений ни один из участников не смог адаптироваться к марсианскому времени.




Несмотря на имеющуюся возможность симуляции космического путешествия к Марсу на борту Международной космической станции путем долгого пребывания на ней, эффект продолжительного воздействия на человеческое тело марсианской гравитации (составляет 38 процентов от земной) по-прежнему остается загадкой для ученых. Позволит ли долгое воздействие такой частичной гравитации сохранить целостность мышечной и скелетной плотности? И если нет, то как с этим бороться? Если учесть, что при любом полете на Марс человеку придется провести долгие месяцы в закрытой консервной банке, поиск ответов на эти вопросы является критически важным аспектом.

В рамках не самых идеальных симуляций два исследования на мышах показали, что потеря костной и мышечной массы в условиях марсианской гравитации могут быть равнозначны полному ее отсутствию. Первое исследование обнаружило, что даже нахождение в условиях с 70-процентной от земной гравитации не предотвратит потерю мышечной и костной массы.

В рамках второго исследования ученые выяснили, что мыши, находясь в условиях с пониженной гравитацией, утратили по меньшей мере около 20 процентов скелетной массы. Однако следует учитывать, что все эти исследования основаны на симуляциях. До тех пор, пока астронавты на самом деле не высадятся на Марсе, узнать истинные последствия воздействия пониженной гравитации на их тела будет невозможно.




Первое, что выяснил Нил Армстронг после своего шага на поверхность Луны, было то, что посадочная область была в буквальном смысле покрыта большими булыжниками, представляющими опасность для его посадочного модуля. Аналогичная проблема может возникнуть у астронавтов, которые будут совершать посадку на Марс. У них будет очень мало времени для определения и избегания попадания посадочного модуля на такие вот булыжники или песчаники. Камни и различные склоны могут привести к опрокидыванию марсианского посадочного модуля. Дело в том, что даже весьма крупные изменения в плоскости поверхности бывает очень трудно обнаружить с орбиты, поэтому люди, которые будут создавать планы посадки, могут такие изменения просто случайно пропустить.

Небольшие трещины и впадины тоже могут обмануть сенсоры, что, в свою очередь, может привести к несвоевременному выпуску парашютов или посадочных ног, а также неправильному автоматическому расчету посадочной скорости. Шансы на то, что посадочный модуль может ждать катастрофа из-за неправильно проанализированного места посадки, на удивление очень высоки. Одним из исследований было установлено, что эти шансы составляют около 20 процентов.




При разработке пилотируемого посадочного марсианского модуля практически мгновенно возникает одна серьезная техническая проблема - диаметр головного обтекателя ракеты, на которой этот марсианский модуль будет запущен. Несмотря на то, что в настоящий момент диаметр самого большого обтекателя составляет 8,4 метра, будет очень сложно сделать так, чтобы его размер соотносился с конструкцией пилотируемого марсианского посадочного модуля.

Защитный тепловой экран, необходимый для протекции тяжелого груза, в этом случае будет слишком громадным, чтобы уместиться под обтекателем. Поэтому в этом случае, скорее всего, придется использовать надувную технологию теплового экрана, разработка которой к настоящему моменту находится только на стадии экспериментов.

Если использовать нынешний дизайн обтекателя для марсианской миссии, то потребуется использовать гораздо более компактный посадочный модуль, который будет соответствовать диаметру 8,4 метрового обтекателя. Любые более крупные модули просто не поместятся.

Даже если будет решено использовать более компактный посадочный модуль, то, скорее всего, из-за таких технических ограничений придется переделывать его конструкцию. Придется, например, переработать не только месторасположение астронавтов, но и топливные баки модуля. Сам же размер обтекателя изменить не получится, потому что это дестабилизирует ракету-носитель.




Одним из основных способов снизить скорость посадочного марсианского модуля для мягкой стыковки с марсианской поверхностью является система сверхзвуковой тормозной двигательной установки (ТДУ). Суть ее заключается в использовании направленных в сторону движения реактивных двигателей для замедления аппарата со сверхзвуковых скоростей.

Использование сверхзвуковой ТДУ в тонкой разряженной атмосфере Марса является обязательным условием. Однако запуск двигателей сверхзвуковых мощностей может создать ударную волну, которая может повредить марсианский посадочный модуль. У NASA, например, практически нет опыта использования подобных процедур, что, в свою очередь, уменьшает шансы на успешность всей миссии.

Данная технология имеет три проблемных аспекта. Во-первых, эффект взаимодействия между воздушным потоком и выхлопными газами двигателей могут в буквальном смысле развалить посадочный модуль пополам. Во-вторых, тепло, генерируемое выхлопом отрабатываемого ракетного топлива, может нагреть посадочный модуль. В-третьих, сохранить стабильность посадочного модуля при запуске сверхзвуковых ТДУ может быть очень непростой задачей.

Несмотря на проведенные ранее мелкомасштабные испытания таких ТДУ с использованием аэродинамических труб, требуется проведение множества полномасштабных тестовых испытаний для определения надежности такой системы. Это очень дорогая и длительная задача. Однако у того же NASA, возможно, имеется и альтернативный (непрямой) вариант испытаний подобных систем. Американская частная компания SpaceX активно пытается разработать многоразовую ракету, которая использует аналогичный принцип посадки. И следует отметить, что успехи в этом направлении есть.




Да, да, то самое, от которого волосы встают дыбом, или происходит небольшой электрический удар, когда вы чего-либо касаетесь. Здесь, на Земле, статическое электричество, может, и является предметом различных шуток и розыгрышей (хотя в земных условиях оно тоже может быть опасным), но на Марсе статическое электричество может обернуться серьезными проблемами для астронавтов.

На Земле большинство статических разрядов происходят благодаря изолирующим свойствам резиновых основ обуви, которую мы носим. На Марсе изолирующим материалом будет служить сама поверхность Марса. Даже просто пройдя по марсианской поверхности, астронавт может накопить статический разряд достаточной силы для того, чтобы сжечь электронику, например, входного шлюза воздушной камеры, просто прикоснувшись к внешней металлической обшивке корабля.

Особенность и сухость марсианской поверхности делает ее отличным изолирующим материалом. Частицы марсианской поверхности могут до 50 раз быть меньше частиц пыли на Земле. При хождении по ней, на ботинках астронавтов будет накапливаться ее определенный запас. Когда марсианский ветер ее сдует, его обувь накопит достаточно заряда, чтобы вызвать легкий электрический удар, которого в таких условиях может быть достаточно, чтобы похоронить всю миссию.

Марсианские роверы, работающие сейчас на Красной планете, используют специальные тончайшие иглы, которые разряжают заряд в атмосферу и не дают ему поразить электронику марсоходов. В случае с пилотируемыми миссиями на Марс, потребуется использование специальных скафандров, которые позволят защитить и астронавтов, и оборудование, которое они будут использовать.




Система Космических Запусков (Space Launch System, SLS) является в настоящий момент крупнейшей находящейся в разработке ракетой-носителем, которую планируют использовать в ближайшем будущем. Именно эту ракету Запад планирует использовать для пилотируемых миссий на Марс.

Согласно текущим планам NASA, для одной пилотируемой миссии на Марс потребуется с десяток ракет SLS. Однако нынешняя наземная инфраструктура для запусков SLS лишь по минимальным параметрам соответствует необходимым условиям: необходимо иметь как минимум одно помещение для сборки ракеты, один гигантский транспортер для доставки ракеты на стартовую площадку и собственно одну стартовую площадку.

Если хотя бы один из этих компонентов сломается или не справится со своей задачей, то возникнут серьезные опасения по поводу доступности необходимой ракеты-носителя, что в свою очередь поставит под вопрос саму возможность пилотируемой миссии на Марс.

Например, любые задержки, связанные с настройкой и проверкой всех систем SLS, могут внести серьезные изменения в графики пусков. Такие же проблемы могут создать и менее значительные технические проблемы и даже погодные условия.

Кроме того, стыковка на орбите, необходимая для сборки космического аппарата, который отправится на Марс, требует соблюдения так называемого окна запуска, то есть времени, в рамках которого будет осуществляться запуск ракеты. Помимо этого, запуск корабля к Марсу уже непосредственно с самой орбиты Земли тоже требует соблюдения определенных временных рамок. На основе исторических данных о ранних запусках шаттлов ученые разработали целые модели запусков. Они показывают отсутствие уверенности в том, что ракета SLS будет доступна к определенном пусковому окну, что в свою очередь тоже может поставить крест на любой пилотируемой миссии на Марс.




В 2008 году автоматический зонд NASA сделал историческое открытие. На поверхности Марса были обнаружены перхлораты. Несмотря на то, что эти токсичные реагенты нашли свое применение в индустриальном производстве, они способны вызывать у людей серьезные проблемы с их щитовидной железой даже при использовании в малых количествах.

На Марсе концентрация перхлоратов в грунте составляет 0,5 процента, что уже является очень опасным для человека. Если астронавты занесут эти реагенты в свои марсианские жилища, то со временем обязательно случится загрязнение, а потом и отравление.

В какой-то степени снизить вероятность загрязнения могут помочь технологии процедуры дезактивации, которые обычно применяются в горной промышленности. Однако полностью избавиться от проблемы в условиях Марса не получится, и, следовательно, астронавтов рано или поздно будут ожидать проблемы щитовидных желез.

Помимо этого, отравление перхлоратами организма связывают с различными заболеваниями кровеносной системы. Правда, ученые в этом направлении пока далеко не продвинулись, и поэтому выяснение всех эффектов воздействия перхлоратов на человеческий организм еще только предстоит узнать. Поэтому в долгоиграющей перспективе последствия пребывания на Красной планете очень сложно предсказать.

Вполне вероятно, что астронавтам придется постоянно принимать искусственные гормональные препараты, чтобы поддерживать их метаболизм для борьбы с последствиями долгосрочного воздействия перхлоратов.




Для полета на Марс и обратно нам потребуется ракетное топливо. Огромный запас топлива. Самым эффективным в настоящий момент ракетным топливом является криогенное топливо, представляющее собой жидкий водород и кислород.

Это топливо при хранении необходимо постоянно охлаждать. Однако даже при максимальной подготовке, по статистике, из топливных баков ежемесячно происходит 3-4-процентная утечка водорода. Если, находясь уже в полете астронавты обнаружат, что в их топливных баках не хватает топлива для обратной дороги домой, то - сами понимаете - произойдет полная катастрофа.

Астронавтам придется следить за выкипанием криогенного топлива несколько лет до тех пор, пока будет проходить их миссия на Красной планете. Дополнительное топливо можно было бы производить непосредственно на самом Марсе, однако его хранение и охлаждение потребует установки специальных охладителей, которым, в свою очередь, необходима электроэнергия для работы. Поэтому перед началом миссии на Марс нам необходимо провести множество долгосрочных испытаний технологий хранения топлива, чтобы убедиться в том, что нам его хватит при любых обстоятельствах.




В рамках долговременных космических перелетов никто не может заречься от возникновения между членами экипажа романтических отношений. К концу сложного трудового дня многим людям необходима психологическая и физическая разрядка, выходом из которой как раз являются любовные отношения. И хотя на первый взгляд все это звучит мило и романтично, на практике в космосе такой вид отношений может очень плохо сказаться на всей миссии.

В 2008 году группа людей участвовала в эксперименте. Долгое нахождение в закрытом пространстве использовалось в качестве симуляции полета на Марс. События эксперимента вышли из-под контроля в тот момент, когда один из "астронавтов" очень расстроился, что его подружка отказалась заняться с ним сексом и вместо этого выбрала третьего астронавта. Находящийся в состоянии постоянного стресса и утомления первый астронавт в какой-то момент не выдержал, и все это закончилось сломанной челюстью третьего астронавта. Если бы это был не эксперимент, а реальная космическая миссия, то такое поведение поставило бы серьезное сомнение в ее успешности.

К сожалению, NASA даже не пытается рассматривать все эти возможности. Согласно недавнему отчету Национальной академии наук США, NASA вообще не исследовало вопросы возможных сексуальных отношений в рамках космических миссий на Марс, а также не занималась вопросами возможной сочетаемости психотипов людей при долговременных космических миссиях.