Нижняя часть «Артемиды» глазами баллистика

Посадки на Луну бывали разные. Но готовящиеся прилунения экипажей станут самыми масштабными. Именно они определят успешность нового освоения Луны человеком.

Возможный вид Starship HLS Илона Маска

Фото: SpaceX

Масштабный проект НАСА «Артемида» с обитаемой базой на Луне слеплен из баллистических этапов. Старт с Земли, перелет к Луне, базовая гало-орбита, посадка на поверхность, возвращение на орбиту. Баллистика посадки, маловысотная нижняя часть лунной баллистики «Артемиды», своеобразна и критична. При стартах и на орбитах ошибка в полкилометра легко исправима. Но вниз — не орбита, здесь климат иной, идут потери одна за одной, и вновь за аппаратом разбит аппарат. Внизу посадочной траектории ошибка и в 50 м может стать критической.

Интерес к Луне

Не только полет, но и высадка на Луну интересует человечество с новой силой. Найденные орбитальными станциями залежи водяного льда на полюсах Луны могут питать экипажи, теплицы и давать топливо для кораблей. Обитаемая база на Луне станет новым и большим шагом вперед в пилотируемой космонавтике. Это не одни и те же низкие околоземные орбиты, обжитые уже полвека. И если людям лететь на Марс, то набраться опыта стоит сперва на Луне — другой планете всего в трех днях полета от Земли.

НАСА хочет строить лунную базу в районе Южного полюса Луны, в силу плюсов этого места. База будет расположена в кратере Шеклтон диаметром 19 км, на кольцевом валу которого находится точка полюса, а в чаше дна лежат запасы льда. Оборудование ретрансляторов на возвышениях рельефа обеспечит каналы связи с Землей, всегда висящей в местном горизонте. Представлены и планы создания нескольких баз, связанных между собой, а сетевые структуры эффективнее. Транспортные средства проложат дороги к объектам исследования, техническим площадкам и другим базам. Для всех этих задач нужна доставка на поверхность Луны сотен тонн конструкций и самих обитателей лунных баз. Экипажи надо еще вывозить с Луны обратно, как и разные грузы. Дорога на Луну и обратно, в оба конца, будет баллистической и поэтому потребует баллистического обеспечения.

Что такое баллистическое обеспечение? Это решение баллистических задач, приводящих к достижению цели. Баллистика связана с любыми полетами в гравитационных полях, на которых она и взросла, и появилась. В облетах планеты можно поставить разные цели. Наблюдение высокого разрешения вблизи с низких высот или большой охват с высокоэллиптических орбит, с обзором трети планеты. Полет в непрерывном солнечном освещении, или над одним и тем же местным временем, или внутри одной трубки магнитного поля. Любая синхронизация любых пространственных движений, формы орбит, высот, времени, задач происходит в баллистическом мире. Поэтому, управляя гравитационным движением с нужными параметрами, можно обеспечить инженерные задачи высадки на поверхность и подготовки конструкции. Ведь это борт будет решать баллистические задачи посадки и взлета.

Основа баллистического обеспечения

Для полета к лунной базе выбрана своеобразная орбита NRHO для космической обитаемой станции - пересадочной базы Gateway. Мы рассказывали о ней подробнее в материале «Гало-орбита: в ожидании полета человека». В бесконечных вариантах околоземных орбит можно взять идущие вокруг Земли почти так же, как орбита Луны, с похожим удалением и скоростями. Можно выбрать орбиту, на которой тело будет видно в земном небе то чуть севернее Луны, то немного южнее. Иногда слегка обгоняя Луну, иногда отставая. Эти положения вокруг Луны чередуются, и с Земли видны как циркуляция тела по контуру вокруг Луны.

Так видится гало-орбита, пространственная кривая перемещений вокруг Луны, но не под действием лунной гравитации. Это не оборот вокруг центра поля тяготения, не кеплеров эллипс, хотя близкая Луна оказывает свое гравитационное воздействие на тело. Это лишь складывающиеся взаимные положения в пространстве, гонки наперегонки по соседним околоземным орбитам, однако геометрически реально формирующие орбиту вокруг Луны. Она не имеет условностей гравитационных орбит. Ей незачем быть в плоскости; ее линия может не замыкаться, рисуя меняющиеся с каждым витком петли. Орбита положений, в отличие от гравитационной орбиты, имеет другую природу, тем не менее создавая реальный облет Луны. Похожим образом космический корабль «Союз» делает облет МКС — станцию он облетает именно по орбите взаимных положений. Разница лишь в том, что МКС не притягивает «Союз» (гравитация МКС исчезающе мала), формируя его орбиту облета вокруг; Луна же искривляет своим притяжением околоземную орбиту близкого к ней спутника, внося в его движение свое гравитационное влияние.

Чаф-чаф-чаф!

«Неожиданно снова послышалось: "Чаф-чаф-чаф!" — это включился двигатель поворота. Незнайка и Пончик увидели в иллюминатор, как нависшая над ними, словно безбрежное море, поверхность Луны покачнулась, будто ее толкнул кто-то, запрокинулась куда-то назад и всей своей громадой начала перевертываться в пространстве… Когда ракета повернулась хвостовой частью к Луне, двигатель поворота выключился. Но вскоре снова послышалось: "Чаф-чаф-чаф!" На этот раз громче обычного. Это включился основной двигатель. Но так как теперь ракета была обращена хвостовой частью к Луне, нагретые газы выбрасывались из сопла в направлении, противоположном движению, благодаря чему ракета начала замедлять ход. Это было необходимо для того, чтобы ракета приблизилась к Луне с небольшой скоростью и не разбилась при посадке».

Николай Носов, «Незнайка на Луне». 1964–1965 годы

Можно подобрать и выполнить орбиту околоземного спутника, который в ходе полета будет занимать нужные удаления от Луны. Запуск на орбиту вокруг Земли с такими параметрами будет и запуском на орбиту положений вокруг Луны. Ее назвали гало-орбита от слова «гало» — круг, который образуют петли этой орбиты. Средняя орбитальная скорость Луны около 1020 м/с. Близкая скорость и у аппарата на околоземной орбите рядом с Луной. Мелкие особенности ее формы, эллиптическая вытянутость и другие детали то отводят его от Луны, то приближают к ней. Аппарат рисует в пространстве вытянутую, почти ровную полосу, непохожую на округлый кеплеров эллипс. Эту орбиту назвали NRHO, Near Rectilinear Halo Orbit, «почти прямолинейная гало-орбита». Одним концом она обходит Луну с полярным перицентром (нижняя точка, для Луны периселений), на высоте 1500 км над Северным полюсом. А потом уходит почти вертикально вверх над Южным полюсом на 70 000 км. Там разворачивается и возвращается к Луне длинным узким лепестком; станция делает на ней оборот за семь земных суток.

«То взлет, то посадка, то снег, то дожди»

Астронавт Эдвин Одрин распаковывает экспериментальное оборудование из лунного модуля миссии Apollo 11

Фото: NASA

Энергия полета на орбиту NRHO — это, по сути, энергия для выхода на орбиту Луны вокруг Земли. Изменение скорости аппарата (а значит, и необходимое количество топлива на борту) для перехода с NRHO в гравитационное руководство Луны вполне посильно для реальных конструкций. И высаживать на Луну с гало-орбиты удобно, это тоже часть баллистического обеспечения проекта. Ближняя к Луне точка гало-орбиты — не кеплеров перицентр. Поэтому скорость в нижней точке гало-орбиты будет не такой большой и меньше скорости круговой орбиты на этой высоте. Что упростит торможение для перехода на траекторию посадки. Построив перицентр гало-орбиты над Северным полюсом, можно перейти с него уже на гравитационный кеплеров эллипс с низким, высотой 15–20 км, перицентром возле Южного полюса Луны в районе посадки. И с этого низкого перицентра съехать к прилунению на полюс.

Для высадки в долины нужны посадочные средства. А поскольку лететь обратно, то взлетно-посадочные. При взлете топлива должно хватить для достижения переселения гало-орбиты (высота 1500 км) и перехода на нее, то есть уравнивание скорости взлетного модуля и орбитальной базовой станции Gateway. Вертикальный взлет может начать переходить в наклонную траекторию уже через пару километров подъема (так стартовали взлетные лунные модули «Аполлонов»), важно только не удариться об горы. Далее подъем до высоты 80–100 км, оттуда переход на 1500 км переселения NRHO. Возможен и выход сразу со старта на эллиптическую орбиту с высшей точкой — точкой встречи с Gateway, с согласованием времени прохождения этой общей верхней/нижней точки. Или прибытием в ее окрестности, если так будет удобнее подходить к станции, догоняя или подходя спереди.

Варианты взлета могут быть разные, с оптимизацией по топливу, времени, количеству включений двигателя; детали считают для конкретного полета. Поскольку точка старта находится на полюсе, не нужно ждать разворота Луны для попадания в плоскость (примерную плоскость) гало-орбиты, можно взлетать сразу с нужным азимутом в нужном направлении. Первые старты будут на привезенном бортовом запасе топлива. Позже можно заправляться на месте топливом лунного производства, кислородом и водородом, на которые можно разложить лунный лед. В этой перспективе взлетно-посадочные модули стоит оснащать кислородно-водородными двигателями.

Баллистическая схема прилунения проста, но ее осложняют детали. Все может начинаться с низкой почти круговой орбиты на высоте около 100 км. На Луне воздуха нет, и можно лететь хоть на высоте 10–15 км. Но долго это делать опасно: такая орбита нестабильна из-за гравитационной неоднородности поверхности Луны, насыщенной масконами (маскон — от слов «масса» и «концентрация»). Эти обширные геологические образования из более плотных пород создают местные усиления гравитации. Попадаясь вблизи орбиты, прямо по курсу, справа и слева, они изгибают орбиту, «раздергивая» ее в разные стороны своим притяжением и увеличивая растущую с витками неустойчивость. И чем ниже и ближе к масконам орбита, тем больше и быстрее она меняется их возмущениями. Поэтому нужен запас высоты над рельефом, чтобы не удариться об него, и немного ослабить влияние масконов. С безопасных 100 км высоты торможением двигателя съезжают на провисающую вниз эллиптическую орбиту, и по ней до 15 км к поверхности. И там переходят с орбиты на посадочную траекторию с частой или непрерывной работой двигателя.

Прилетели!

«Ракета совсем близко подлетела к Луне. Нагретые газы, с силой вырывавшиеся из сопла двигателя, подняли с поверхности Луны тучи пыли, которые, поднимаясь все выше и выше, окутали ракету со всех сторон!

— Что это? — недоумевал Незнайка.— Не то дым, не то пыль! Может быть, какой-нибудь вулкан внизу?..

Как раз в этот момент ракета опустилась на поверхность Луны. Произошел толчок. Не удержавшись на ногах, Незнайка и Пончик покатились на пол кабины. Некоторое время они сидели на полу и молча глядели друг на друга. Наконец Незнайка сказал:

— Прилетели!»

Николай Носов, «Незнайка на Луне»

На это движение накладываются неизбежные ошибки процесса управления двигателем и движением. Мы уже рассказывали об этом на примере управления лунными посадочными модулями «Аполлонов». Из-за небольших динамических смещений многих тонн топлива в баках центр масс посадочной ступени «гуляет» вбок от ее главной оси. Тяга основного посадочного двигателя, идущая по оси ступени, поэтому не проходит через отползший центр масс, создавая этим разворачивающий момент — произведение силы тяги на сдвиг центра масс от оси аппарата. Момент слегка подкручивает ступень, по-новому смещая топливо в баках и центр масс и вызывая новый разворот корпуса в пространстве в виде безостановочного взаимосвязанного «гуляния» центра масс и ориентации ступени. Эти вихляния конструкции с работающим двигателем вызывают вихляния посадочной траектории и необходимость компенсационных мер, загоняющих эти отклонения от расчетной траектории в допустимый диапазон.

Кривая посадки в ходе торможения все больше уходит вниз. Горизонтальное начало посадочной траектории с наклонным средним участком заканчивается строго вертикальным финишем. И система координат, удобная для начального горизонтального участка, тоже сменяется другой, основанной на посадочной вертикали и повернутой на прямой угол, 90 градусов. Переключение систем координат делается в ходе снижения, и оно не должно вносить ошибок в процесс управления посадкой. Но в реальных посадках здесь случались критические ошибки.

Финишная вертикаль с посадочным аккордом газодинамики

Но вот все участки посадочной траектории пройдены, осталось пятьдесят или тридцать метров вертикали. Скорость снижения здесь держится небольшой, чтобы толчок касания не стал чрезмерным для конструкции. Тяга посадочного двигателя или двигателей приводится (делается равной) к текущему лунному весу ступени, почти или полностью уравновешивая его. В последнем случае приближение к поверхности идет по инерции движения, небольшой оставленной скоростью, уравновешенно, чтобы без гравитационного разгона обнулить высоту. У посадочных ступеней «Аполлонов» тяга главного двигателя составляла 4,6 тонны, с ослаблением до 0,5 тонны перед касанием. При этом тяга даже в полтонны — это мощная сверхзвуковая струя, бьющая в грунт с разлетом радиально во все стороны. Это дает два не очень приятных эффекта, лежащих в области газодинамики.

Разлетающийся со сверхзвуковой скоростью в стороны поток частично попадает и на днище ступени, и на ее посадочные опоры. Встречая препятствия, сверхзвуковой поток уплотняется на них в несколько раз с многократным ростом давления. Силы этого давления уменьшают устойчивость ступени на поверхности Луны, особенно если их сумма (результирующая сила) сопоставима с посадочным весом. Поэтому дно ступени должно быть достаточно далеко от поверхности при касании, оставляя широкий коридор для безвредного разлета выхлопа.

Вторая проблема — это пыль, выдуваемая реактивной посадочной струей. Поверхностный слой лунного грунта — реголит — это перемолотый и разбросанный ударами метеоритов за многие миллионы лет материал, рыхлый и неплотный, микропесчинки с острыми краями. Посадочная струя может вырыть в нем яму и выдуть его из-под опор ступени, вызвав ее наклон. Это также приводит к пылевой завесе вокруг ступени в момент касания поверхности, сильно, иногда до обнуления снижая видимость. Что хорошо заметно на кадрах некоторых лунных посадок программы «Аполлон».

Разгон пыли сверхзвуковым выхлопом приводит к ее широкому разбросу вокруг точки посадки. Пыль при этом летит не с воздухом, аэродинамически, как в атмосфере. Она не вязнет в воздухе, разлетаясь баллистически на разную дальность и образуя свои максимумы выпадения в окрестностях точки прилунения. Эти набросы могут накрывать объекты неподалеку, вызывая сильное запыление их самих, иллюминаторов, измерительных и наблюдательных приборов, солнечных батарей, дорог и других важных компонентов лунной базы. Баллистику пыли от посадки ступеней не оспоришь, это природный газодинамический и гравитационный процесс. Проблема просматривается как достаточно серьезная; для ее решения предлагаются разные варианты. Например, замена одного мощного двигателя на несколько меньших, разнесенных по сторонам; размещение их в верхней части корпуса, подальше от лунной поверхности. А компания «Мастен спейс системс» предлагает другой метод защиты от лунной пыли. Для него в горячую реактивную струю хотят распылять (уже на малой высоте) тонкую пыль оксида алюминия. Его расплавленные микрокапли будут впекаться при снижении в поверхность грунта и сразу застывать, образуя на нем твердую корку.

Прилунения на подряде, или Первым пойдет «Старшип»

Первые попадания в Луну стали успехом, позже выросшим до успешных мягких посадок СССР и США. Но за эру космонавтики Луну щедро обсыпало осколками разбитых аппаратов из неудачных посадок. Этот осколочный салют комплексу задач лунной посадки не прекращается и сегодня. Израильский «Берешит» разбился в апреле 2019 года из-за ошибок с запуском двигателя на высоте 22 км, не погасив посадочную скорость. В том же году разбился индийский «Викрам»: нерасчетная траектория пошла уже совсем низко, с высоты 2 км, с потерей связи на 400 м над поверхностью. Японский «Хакуто-Р» разбился в апреле текущего года из-за нехватки топлива для посадки, сожженного в ошибочном зависании на высоте 5 км. Кто следующий падет (в буквальном смысле) баллистической жертвой Луне, покажет будущее, и вряд ли обойдется без этого.

Из трех за последнее время баллистических жертв Луне две принесены частными компаниями. Тем не менее НАСА решило отдать доставку на поверхность Луны по программе «Артемида» в руки частных подрядчиков. Первым стала «СпейсХ» Илона Маска, которая для прилунения готовит свой известный аргумент на все случаи — корабль «Старшип». В 2021 году «СпейсХ» получила контракт с НАСА на $2,9 млрд на создание лунного варианта корабля для первой в «Артемиде» посадки людей на Луну (полет «Артемида 3» в 2025–2026 годах). Лунный «Старшип» под названием Starship HLS (Starship Human Landing System) получит конструктивные особенности, которые продолжают прорабатываться. Например, отсутствие теплозащиты и аэродинамических крыльев. В целом это все та же заостренная сигара диаметром 9 м и длиной 52 м. Ее грузоподъемность для доставки на поверхность Луны составит порядка 100+ тонн массы.

Ранее показывались версии с посадочными двигателями, вынесенными на верх «Старшипа» на его сторонах для снижения воздействия струй на реголит посадочной площадки. Однако позже этот вариант исчез из информационного потока. Недавно к «СпейсХ» пришла в гости инспекция НАСА, осмотрела интерфейс управления лунного «Старшипа». На нем видны шесть двигателей, как и на испытываемых сегодня базовых версиях корабля. Так что у Маска сейчас идет гонка лихой тройки: работа сразу над носителем, кораблем и его лунной модификацией. Серия из трех-четырех испытательных пусков позволит создать верно летающую ракету за полтора-два года.

Номер второй: «Голубая Луна» Безоса

Художественная концепция посадочного модуля «Голубая Луна» компании Джо Безоса «Блю Оригин»

Фото: Blue Origin

Однако Джо Безос и его компания «Блю Оригин» тоже разрабатывает большую ракету. Он оспорил безальтернативность Маска для НАСА и тоже получил контракт на свой посадочный аппарат. Два работающих варианта высадки намного лучше одного. Стратегически это выращивание двух центров лунных компетенций и опыта. И это типовой дальновидный подход, дающий хорошие результаты не только в космонавтике. «Мы хотим больше конкуренции»,— сказал администратор НАСА Билл Нельсон, поясняя такое решение. «Мы хотим два посадочных модуля. Так лучше. Это означает, что у вас есть надежность, у вас есть резервные копии. Это выгодно НАСА. Это выгодно американскому народу. Это помогает НАСА разделить риск, технический риск и финансовый риск, чтобы в конечном итоге обеспечить успех миссии».

НАСА в своем заявлении отметило, что два независимых посадочных модуля от разных КБ «усилят конкуренцию, сократят расходы налогоплательщиков, поддержат регулярную частоту посадок на Луну, дополнительно инвестируют в лунную экономику и помогут НАСА достичь своих целей на Луне и вокруг нее в подготовке к будущим полетам астронавтов на Марс».

Контракт с Безосом стоимостью $3,4 млрд (Безос хочет добавить еще своих средств, до $7 млрд) задает создание лунного взлетно-посадочного модуля «Голубая Луна» для грузов и экипажей, как и у Маска. Но если ракета Маска больше похожа на ракету Незнайки с Пончиком, то посадочный модуль Безоса напоминает лунные модули «Аполлонов» с их облетанной реальными лунными посадками схемой опор. Его стадия — пока проект, зато с участием таких игроков, как «Боинг», «Локхид Мартин», «Астроботикс» и др. Контракт требует с Безоса одну беспилотную посадку и затем высадку экипажа в 2029 году на Луну в полете «Артемида 5», забрав его перед этим с орбитальной станции Gateway. А также заправившись там топливом для лунных посадки и взлета, которое подвезет с Земли космотанкер «Локхид Мартин». Безос планирует перед этим еще «свои» посадки для отработки конструкции.

Высотой 16 м, с пятиэтажный дом, и диаметром почти 10 м, «Голубая Луна» имеет «перевернутую» компоновку: обитаемая кабина снизу, вблизи грунта; над ней низкий бак с кислородом и большой с водородом. Четверо проживут в этой штуковине месяц, после чего улетят на орбитальную базу. Стыковочные порты на боковой стенке модуля позволят экипажам садиться в луноходы, не выходя на улицу. «Голубая Луна» будет курсировать между поверхностью Луны и базовой орбитой NRHO, подолгу оставаясь там и там. Максимальная масса доставляемых на Луну грузов неизвестна, оценочно это десятки тонн.

С прилунений программы «Аполлон» прошло полвека. «Артемида» уже не та эпоха первопроходцев экипажей «Аполлонов», садившихся в пустой окружающий ландшафт. У второй волны освоения Луны другой масштаб и формат присутствия и поддержки. Посадки постепенно будут окружены поверхностной и орбитальной инфраструктурой: там и там долговременные обитаемые базы, заправки топливом, многоканальная связь, оперативные фото местности, подробная навигация и пр. Но посадка аппарата с экипажем всегда останется особенным моментом, где и когда она бы ни выполнялась. Какими в подробностях окажутся посадки программы «Артемида», мы увидим, вероятно, всего через два-три года. Заполненных безостановочной проработкой баллистики и подготовкой техники и экипажей. И после них уже Луна покажет, как она примет эти непростые посадки.