КАК ДОЛЕТЕТЬ
ДО ЛУНЫ?

КАК ПОПАСТЬ НА ЛУНУ

Есть скафандр — готов путешествовать? Не все так просто. Чтобы полететь на Луну, нужна сверхтяжелая ракета, большой космический корабль и посадочный модуль. Зачем так много и можно ли как-то обойтись без этого?

Лонгрид 5

«Они, герои, смельчаки, проложат первые воздушные тропы трасс: Земля — орбита Луны, Земля — орбита Марса, а еще далее: Москва — Луна, Калуга — Марс»

Константин Эдуардович Циолковский

От Земли до Луны 384 000 км. По космическим меркам — это всего ничего. Однако пилотируемый полет на Луну — это очень сложное и дорогое мероприятие. И в немалой степени его сложность заключена в двух моментах. Чтобы отправить людей, требуются ракеты гораздо большей мощности. Кроме того, людей в отличие от космического аппарата на орбите Луны не оставишь, нужно возвращать их обратно. Всего два момента, а разница огромна.

Часть 1. Ракета

Попробуем разобраться. Вот, к примеру, автоматическая межпланетная станция «Луна-9». 3 февраля 1966 г. она впервые в истории освоения космоса совершила мягкую посадку на поверхность Луны и передала на Землю телепанораму лунной поверхности. Продолжительность активного существования автоматической лунной станции на поверхности Луны составила 75 ч.

Автоматическая межпланетная станция «Луна-9»

При этом общий вес станции составил 1 538 кг при длине 2,7 м. И это общий вес, а большая его часть приходится именно на перелетный блок

Сама автоматическая лунная станция имела диаметр 58 см и массу 100 кг. Запущена к Луне она была с Байконура при помощи одноразовой четырехступенчатой ракеты-носителя среднего класса «Молнии» — ракеты из семейства «Р-7», во многом похожей на ракету-носитель «Союз», которая и сейчас используется для доставки космонавтов на Международную космическую станцию. Кстати, именно при помощи «Союза-2» с космодрома «Восточный» будет доставлена на Луну космическая станция «Луна-25», старт которой назначен на октябрь 2021 года.

Основные характеристики ракеты «Молния»

Количество ступеней — 4
Длина (с ГЧ) — 43 440 мм
Диаметр — 10 300 мм
Стартовая масса — 305 т
Первый запуск — 10 октября 1960 г.
Последний запуск — 30 сентября 2010 г.

Хорошо, тогда какая ракета нужна, чтобы доставить на Луну космический корабль с космонавтами? Гораздо, гораздо больше этой. Космический корабль «Аполлон», с помощью которого американские астронавты добрались до Луны и вернулись обратно, весил 46,8 т. А это в 30 раз больше «Луны-9».

И это еще не все: ракете «Сатурн-5» в качестве полезной нагрузки приходилось выводить на орбиту Луны третью ступень с остатками топлива (еще 18 т нагрузки). Почему мы говорим о третьей ступени как о полезной нагрузке: именно она использовалась для полета «Аполлона» к Луне.

Из чего состоял «Аполлон»

Командный отсек
(без системы аварийного спасения)

5 470−5 500 кг

Служебный отсек

22 700−22 800 кг

Лунный модуль

14 500 кг

Переходник крепления корабля «Аполлон»
к ступени S-IVB

1 700−1 800 кг

Естественно, что для вывода практически 60 т на траекторию полета к Луне «Молнии» или «Союза» нам не хватит. Те способны вывести на транслунную орбиту порядка 2 000 кг. Тяжелой ракеты тоже недостаточно, нужна специальная ракета, созданная исключительно для лунной миссии. То есть придется конструировать и делать очень дорогую и сложную ракету, которая мало применима для космической деятельности, кроме полетов к Луне.

Американцы так и не смогли придумать, где еще можно применить ракету «Сатурн-5». Единственной ее нагрузкой, кроме космических полетов программы «Аполлон», была орбитальная станция «Скайлэб». Для любых других миссий использование такой огромной и дорогостоящей ракеты было чрезмерным.

РАКЕТА ИЗ ЗОЛОТА

Часть 2. Космический корабль

Обычный космический корабль, например «Союз», использующийся для полетов на Международную космическую станцию, для лунных миссий слишком мал. Так, в нем недостаточно места для космонавтов на несколько суток пути туда и обратно. Да, в «Аполлоне» места тоже было очень мало, но то, что могло применяться в 60-х гг. прошлого века вряд ли стоит использовать сейчас.

Да, в «Аполлонах» не было даже нормального туалета: астронавтам приходилось использовать специальные полиэтиленовые пакеты. Вообще, отсутствие туалетов — это минус всех американских космических кораблей вплоть до программы Space Shuttle.

Понятно, что в настоящее время никто не будет посылать космонавтов в полет в таких условиях. Нужен большой корабль, где можно будет переодеться, где будет нормальный туалет. Такие корабли имеют огромную массу и, соответственно, сложнее в создании, дороже стоят. Вот и получается, что пилотируемая миссия автоматически тянет за собой необходимость в большом и удобном корабле, а большой корабль требует еще более грузоподъемной ракеты.

В итоге пилотируемая миссия даже на этапе конструирования оказывается технически многократно сложнее, чем миссия с роботами

Отдельно стоит сказать о большом двигательном отсеке. Для лунных кораблей нужен больший запас топлива для орбитальных маневров как по пути на Луну, так и для торможения на пути обратно. Отдельно стоит сказать и о теплозащите космического корабля: возвращаться придется на скорости большей, чем при полетах на Международную космическую станцию, а значит, вопрос торможения должен быть решен отдельно.

Получается, что мало шансов создать корабль с требуемыми параметрами и небольшим весом. Сухая масса (без грузов и топлива) космического корабля «Орион» составляет 15 т. С учетом посадочного модуля и другой полезной нагрузки никак не получается менее 50 т. А чтобы вывести 50 т на транслунную орбиту, нужна ракета, выводящая как минимум 100 т на низкую околоземную орбиту. Вот и получается, что без сверхтяжа, о котором мы уже говорили, никак не выходит.

Часть 3. Модуль

Посадочный модуль тоже нужно сделать как можно больше. По крайней мере чтобы иметь возможность совершать не только недолгие миссии, но и продолжительные, длительностью несколько суток. А значит, там должно быть место для космонавтов в скафандре, которые смогли бы поспать и передохнуть. Последняя из миссий «Аполлон» — «Аполлон-17» — продолжалась более 20 ч. Если не отдыхать, а проводить все время на ногах и работать, то к концу высадки астронавты будут очень усталыми, начнут совершать ошибки. Для работы на поверхности Луны это неприемлемо.

То есть и на посадочном модуле сэкономить не получится. Минимальный вариант — это российский посадочный модуль для лунного космического корабля «ЛК», созданный в Советском Союзе во время лунной гонки:

Этот модуль даже не имел возможности загерметизированного перехода из корабля
Предполагалось, что космонавт выйдет в скафандре в открытый космос, переберется в посадочный модуль и спустится в нем на Луну в одиночку.
В посадочном модуле не было кресла
Предполагалось, что космонавт будет стоять во время приземления. При низкой силе тяжести на Луне — это нормальное решение, но долго проработать в таком модуле все равно бы не получилось.

Но даже в таком, самом маленьком варианте сухая масса «лунного корабля» не выходила менее 6 500 кг. А с заправкой была еще больше. Раз нельзя сделать массу меньше, все возвращается к ракете: нужно делать ее больше.

Часть 4. Скафандр

Николай Моисеев, специалист по скафандростроению и основатель компании Final Frontier Design, сотрудничает с NASA в подготовке лунного скафандра. Ранее работал на российском предприятии по изготовлению скафандров «Звезда»

Главные особенности лунного скафандра.
Почему существующие скафандры для ВКД не подходят для Луны?

На МКС сейчас есть две системы для выхода в открытый космос для внекорабельной деятельности (ВКД):

Российский скафандр «Орлан-МКС»
Американский скафандр EMU (Extravehicular Mobility Unit)

Оба скафандра были спроектированы для использования в невесомости на околоземной орбите.

Можно ли использовать их для исследования Луны?

Краткий ответ — нет. Теперь давайте разберемся, почему так. Условия применения скафандра ВКД на орбите вокруг Земли и на Луне похожи, но все же разные. В космическом пространстве на орбите и на Луне вакуум, но на Луне присутствует пыль. Значит, наружная верхняя одежда должна быть устойчива к пыли.

Рыхлая наружная ткань фенилон, из которой сделаны «Орланы», будет хорошо впитывать эту лунную пыль. Внутри посадочного модуля или в будущем на лунной базе от скафандра с наружным слоем из такой рыхлой ткани будут облака пыли. А пыль на Луне, как показали образцы лунного грунта, доставленные на Землю, имеет острые края в отличие от земной пыли, которая от ветра и воды стала более-менее округлой.

Также лунная пыль имеет высокую абразивность. Нельзя допустить, чтобы она попала внутрь корабля и нанесла вред оборудованию и здоровью космонавтов

Таким образом, нужна новая ткань для наружного слоя скафандров ВКД, которая должна обладать:

Пылеотталкивающими свойствами
Особым покрытием
Такое покрытие должно выдерживать широкий диапазон температур: от – 200 °C до + 150 °C (приведены цифры, близкие к реальным).
Жесткостью, быть тяжелой
Чтобы космонавт мог сохранять подвижность.

Кроме того, покрытие не должно оказывать большого влияния на драпируемость ткани (способность образовывать складки). Эту величину можно измерить и ввести соответствующие цифры в требования. Такой ткани нет, ее надо разработать. Наружная ткань американского скафандра EMU называется ортофабрик (Orthofabric). Она намного прочнее фенилона и имеет тефлоновое покрытие. Стоимость квадратного метра такой ткани составляет 650 долларов.

В верхней одежде есть множество клапанов для доступа к оболочке, и через эти клапаны пыль проникнет внутрь и накапливается между слоями скафандра. Чтобы не допустить этого, клапаны и разрезы в верхней одежде скафандра должны иметь противопылевые уплотнения. Например, клапан на перчатке должен быть серьезно доработан или вообще убран. Также есть много зазоров между крагой перчатки и рукавом, между рукавами и корпусом, между корпусом скафандра и шлемом, по разъему двери и т. д. Везде должна быть специальная преграда для пыли, дублированная защита.

Другой вызов для конструкции верхней одежды — отсутствие застежек. По опыту программы «Аполлон» и в соответствии с анализом загрязнений от пыли вернувшихся с Луны скафандров в NASA запретили использовать в новом лунном скафандре липучки «Велкро», кнопки-застежки и молнии. Как закрывать верхнюю одежду без этих видов застежек?

Наличие пыли и должно привести к пересмотру конструкции и отказу от всех узлов лунного скафандра: органов управления (кнопок, тумблеров, регуляторов, клапанов), подшипников скафандра, разъемов и мест соединения частей скафандра.

Должны быть разработаны методы и средства очистки скафандра от пыли после ВКД на поверхности Луны (пылесосы, насадки, фильтры, щетки, влажные салфетки), а также процедуры очистки и инструкции по этим процедурам, критерии очистки, место для хранения этого оборудования в шлюзовой камере. Кроме того, нужно будет провести тренировки космонавтов и астронавтов, т. к. должно быть запланировано время на процедуры по очистке в циклограмме ВКД, нужны критерии и датчики по замене фильтров и знание, когда их менять и сколько их нужно взять с собой.

Температурный диапазон на Луне шире, чем около МКС. Значит, надо улучшить теплозащиту скафандров. Особенно должна быть оценена и кардинально изменена теплозащита для ботинок: стоять и ходить по поверхности с криогенными температурами можно только в ботинках с очень хорошей теплозащитой

Еще одно отличие Луны от околоземной орбиты — это наличие силы тяжести. На Луне надо будет ходить, а у современных скафандров ВКД на станции нет специальных шарниров для удобной ходьбы. Должны быть разработаны новые дополнительные шарниры на ногах скафандров для того, чтобы можно было не только ходить, но и прыгать, наклоняться, вставать на колено/колени, подниматься после падения из положения лежа на груди и лежа на спине.

Главному изменению должны подвергнуться ботинки скафандра для Луны. Сейчас подошва скафандра для ВКД не гибкая, а ведь этот критерий очень важен для удобной ходьбы. Внутри ботинок не должно быть никаких складок от гермооболочки, кроме того, они должны быть надежно зафиксированы на ногах космонавта, чтобы не было потертостей и травм.

Не последним (а может быть, даже первым) условием при разработке лунного скафандра является его вес. Сейчас вес скафандра для ВКД составляет 115−125 кг. Вес скафандра для Луны должен быть не более 90 кг, чтобы в условиях лунной силы тяжести космонавт и астронавт могли двигаться и выполнять все задачи. Вес в 90 кг для лунного скафандра ВКД был определен еще в 60-х гг. в СССР и в США как максимально возможный для тренированного субъекта с учетом уменьшенной силы тяжести и распределенного веса (это обстоятельство очень облегчает перенос большой тяжести).

Что значит уменьшить вес скафандра, например «Орлана», на 25 кг? Это значит, что надо делать абсолютно новый скафандр, а не переделывать старый. При этом требуется усилить защиту скафандра, а это дополнительный вес. Именно поэтому нужны новые подходы и новые материалы.

Теперь, когда вы знаете, сколько всего требуется для полета на Луну, можно немного расслабиться и почитать о том, как такой полет представлялся 110 лет назад. Это отрывок из научно-популярной лекции одного из лучших специалистов, популяризаторов того времени. И да, напоминаем, что пуд — это 16 кг.

Предполагается, что вес всего снаряда будет около 60 пудов, причем 20 пудов относятся к запасу того вещества, которое должно быть источником энергии. Если снаряд будет способен развить поступательную тягу, превышающую на одну десятую его собственный вес, то на разстоянии 5.780 километров от земной поверхности снаряд будет освобожден от цепких оков Земли, и получит возможность, в силу инерции, продолжать путь дальше без новой работы своего двигателя. Случится это по прошествии 24 минуть после оставления поверхности Земли; собственная скорость снаряда достигнет в этот момент колоссальной цыфры — 81/2 верст в секунду (250 верст в минуту). Второй период путешествия, между областями притяжения Земли и Луны, потребует 48 час. времени. За это время снаряд подойдет к Луне на разстояние в 250 верст, и потребуется тормозящая сила для ослабления стремительнаго падения на Луну. В этой фазе пути снаряду придется пробыть всего лишь 33/4 мин. Итак, во все время фантастическаго перелета, требующаго немногим более двух суток, источнику энергии на снаряде придется работать только около 28 минут

Константин Вейгелин, русский инженер, популяризатор авиации, 1912 г.

Дополнительные материалы

Вы пролетели лонгрид 5!

Вперед

Все уроки

Присоединяйтесь к космочату в Telegram!

Как попасть на луну

В ближайшие годы нас ждет удивительное зрелище: сразу несколько государств и частных компаний поставили своей целью новую высадку на поверхность Луны. Почему так произошло и что мешало поставить такую цель раньше? Кто первым достигнет Луны и зачем человечеству нужно такое достижение?