Исследование Марса человеком: Базовая проектная архитектура 5.0

Художественная концепция, изображающая одну из множества потенциальных стратегий исследования Марса. В данном подходе соединяются преимущества центрального жилого модуля с малыми герметичными роверами, которые могут расширить радиус исследований их экипажей. Rawlings, 2007.

От @avshkol, переводчика и комментатора:

Пройдет еще десятилетие, и дети, которые пошли в сентябре 2026 в школу, будут выбирать профессии вроде "удаленный оператор лунного/марсианского робота", ведь в ближайшие десятилетия в лунно-марсианский проект (точнее, гонку, поскольку это будет несколько конкурирующих проектов пилотируемых миссий и строительства баз) будут вовлечены все страны мира, которые смогут себе это позволить...

@avshkol взялся за перевод и выкладывает в этом посте главы и комментарии к "Human Exploration of Mars: Design Reference Architecture 5.0" - последнего (от 2009 года) из доступных в сети комплексного доклада NASA о способах и технологиях реализации обитаемой базы на Марсе. Этот документ описывает результаты изучения большими группами ученых и инженеров всех технических моментов освоения землянами Марса. Подобные документы скоро станут даже не учебниками, а базовыми текстами для введения в специальность для многих землян, выбирающих работу в начинающей рокит-расширение и стремительную экспансию во все сферы нашей жизни "дальнекосмической" отрасли.

Исследование Марса человеком: Базовая проектная архитектура 5.0

Руководящая группа по архитектуре марсианских миссий, Штаб-квартира НАСА

Брет Г. Дрейк, редактор. Космический центр имени Линдона Б. Джонсона, Хьюстон, Техас

Июль 2009

Реквизиты документа

Центр аэрокосмической информации НАСА (CASI)

Национальная служба технической информации (NTIS)

7115 Standard Drive

5285 Port Royal Road

Hanover, MD 21076-1320

Springfield, VA 22161

Телефон: [phone] или 703-605-6000

Факс: [phone]

«Мы все… дети этой вселенной. Не только Земля, или Марс, или эта система, но весь грандиозный фейерверк. И если нас вообще интересует Марс, то только потому, что мы удивляемся своему прошлому и ужасно беспокоимся о своём возможном будущем».

Рэй Брэдбери, «Марс и разум человека», 1973 г.

Благодарности

Лица, перечисленные в приложении, оказали содействие в разработке концепций, а также в подготовке описаний, изображений и данных, представленных в настоящем отчете. Реальный вклад в данный документ внесли: Дэйв Бити, Стэн Боровски, Боб Каталдо, Джон Чарльз, Кэсси Конли, Даг Крейг, Брет Дрейк, Джон Эллиот, Чад Эдвардс, Уолт Энгелунд, Дин Эпплер, Стюарт Фельдман, Джим Гарвин, Стив Хоффман, Джефф Джонс, Фрэнк Джордан, Шери Клуг, Джоэл Левин, Джек Малквин, Гари Норин, Хоппи Прайс, Шон Куинн, Джерри Сандерс, Джим Шир, Лиза Симонсен, Джордж Таху и Абхи Трипати.

Представлено под руководством Руководящей группы по архитектуре Марса (Mars Architecture Steering Group)

Освоение Марса человеком станет сложнейшим предприятием. Это начинание подтвердит потенциальные возможности человечества покинуть родную планету и отправиться в глубины космоса. Хотя это небольшой шаг в космическом масштабе, для человечества он будет иметь огромное значение, поскольку потребует длительного пребывания вдали от Земли с весьма ограниченными возможностями возвращения. Стратегия и концепции реализации, описанные в настоящем отчете, не следует рассматривать как официальный план освоения Марса человеком. Напротив, данный отчет представляет видение одного из возможных подходов к пилотируемому исследованию Марса, основанное на наилучших из имеющихся оценок. Это новейшая из серии эталонных марсианских миссий (Design Reference Missions), используемых НАСА для создания единой основы для дальнейшего планирования системных концепций, разработки технологий и операционных испытаний. Кроме того, описание данной архитектуры служит ориентиром для интеграции различных направлений деятельности агентства, включая роботизированные миссии на Марс, исследования на Международной космической станции (МКС), а также будущие лунные миссии и системы.

Стратегия, изложенная в настоящем отчете, была разработана по результатам исследования архитектуры марсианских миссий 2007 года. Рабочая группа по архитектуре марсианских миссий (MAWG, Mars Architecture Working Group) состояла из представителей общекосмического подразделения от Директората системных миссий по освоению (ESMD), Директората научных миссий (SMD), Директората аэронавтических исследовательских миссий (ARMD) и Директората миссий по эксплуатации космических систем (SOMD). В январе 2007 года была создана Совместная руководящая группа высшего руководства Агентства для предоставления аналитической поддержки, руководства и окончательного согласования рекомендаций MAWG. Данная стратегия будет обновляться и пересматриваться по мере получения новых знаний о Марсе, а также о системах и технологиях, необходимых для осуществления пилотируемых миссий за пределы низкой околоземной орбиты.

Джеффри Л. Йодер, Директор Отдела систем программы «Созвездие», Директорат системных миссий по освоению

Дуг МакКвистион, Директор Программы исследования Марса, Директорат научных миссий

Томас Б. Ирвин, Заместитель помощника администратора, Директорат аэронавтических исследовательских миссий

Дэвид П. Радзановски, Заместитель помощника администратора, Директорат миссий по эксплуатации космических систем

Содержание

1 Введение

2 Краткое описание Базовой проектной архитектуры 5.0
2.1 Базовая миссия на поверхности
2.2 Связь и навигация

3 Цели и задачи
3.1 Научные цели планетологии Марса (Цели I–III)
     3.1.1 Использование уникальных возможностей человека в научных исследованиях
     3.1.2 Научные цели для Марса: настоящее и будущее
     3.1.3 Геологические научные задачи начального этапа освоения Марса человеком
     3.1.4 Геофизические научные задачи начального этапа освоения Марса человеком
     3.1.5 Научные задачи по атмосфере/климату начального этапа освоения Марса
     3.1.6 Биологические научные задачи / поиск жизни на начальном этапе освоения
     3.1.7 Поиск существующей жизни
     3.1.8 Поиск прошлой жизни
3.2 Задачи, связанные с подготовкой к постоянному присутствию человека (Цель IV+)
     3.2.1 Задачи обеспечения устойчивости для первых пилотируемых миссий на Марс
3.3 Задачи, связанные с другими классами научных исследований (Цель V)
     3.3.1 Гелиофизика марсианской среды
     3.3.2 Космическая погода
     3.3.3 Лазерная дальнометрия для астрофизики
3.4 Итоговые выводы по целям и задачам

4 Транспортные системы
4.1 Межпланетная траектория и анализ миссии
4.2 Ракета-носитель сверхтяжелого класса
4.3 Космическая транспортная система: вариант с ядерным тепловым ракетным двигателем
4.4 Космическая транспортная система: вариант с химической тягой и аэроторможением
     4.4.1 Модуль выхода на траекторию полета к Марсу
     4.4.2 Модули выхода на орбиту Марса (грузовые и пилотируемые миссии)
     4.4.3 Модуль выхода на траекторию возврата к Земле
     4.4.4 Модуль поднятия орбиты для сборки на НОО
4.5 Предстартовая подготовка
4.6 Пилотируемый исследовательский аппарат / Аппарат возврата на Землю
4.7 Вход в атмосферу, спуск и посадка на Марс
4.8 Жилой модуль для межпланетного перелета

5 Системы на поверхности
5.1 Системы обитания на поверхности
5.2 Системы передвижения по поверхности
     5.2.1 Наземный транспорт: негерметичные и герметичные роверы
5.3 Использование местных ресурсов (ISRU)
5.4 Системы энергоснабжения на поверхности
     5.4.1 Стационарные источники энергии
     5.4.2 Мобильные источники энергии

6 Архитектурные оценки
6.1 Критерии эффективности
     6.1.1 Безопасность и успех миссии
     6.1.2 Результативность
     6.1.3 Финансовая возможность
6.2 Решение 1: Тип миссии
     6.2.1 Позиция научного сообщества относительно класса миссии
     6.2.2 Оценка здоровья и работоспособности экипажа
     6.2.3 Оценки рисков и стоимости
     6.2.4 Рекомендация по типу миссии
6.3 Решение 2: Единый запуск против предварительной доставки грузов
     6.3.1 Вариант с предварительной доставкой
     6.3.2 Вариант единой миссии (All-up)
     6.3.3 Рекомендация по режиму доставки грузов
6.4 Решение 3: Аэрозахват против реактивного выхода на орбиту Марса для грузов
     6.4.1 Обзор технологии аэрозахвата
     6.4.2 Системные сравнительные анализы
     6.4.3 Аэрозахват для эталонной полезной нагрузки
     6.4.4 Сравнение аэрозахвата и реактивного захвата
     6.4.5 Рекомендация по аэрозахвату
6.5 Решение 4: Использование местных ресурсов (ISRU) для взлета с Марса
     6.5.1 Операционная концепция ISRU
     6.5.2 Проведенные сравнительные анализы ISRU
     6.5.3 Результаты исследований вариантов ISRU
     6.5.4 Рекомендация по ISRU
6.6 Решение 5: Энергоснабжение на поверхности Марса
     6.6.1 Фаза работы ISRU
     6.6.2 Пилотируемая фаза
     6.6.3 Концепция солнечной энергетической установки
     6.6.4 Система распределения для энергоснабжения на поверхности (FSPS)
     6.6.5 Радиоизотопная энергетическая установка большой мощности
     6.6.6 Вопросы реализации
     6.6.7 Рекомендация по системе энергоснабжения на поверхности

7 Ключевые вызовы
7.1 Здоровье и работоспособность человека
     7.1.1 Защита от радиации
     7.1.2 Контрмеры против воздействия пониженной гравитации
     7.1.3 Медицинское обеспечение
     7.1.4 Обеспечение жизнедеятельности человека
     7.1.5 Поведение, работоспособность и человеческий фактор
7.2 Космический транспорт
     7.2.1 Транспорт «Земля – орбита»
     7.2.2 Перспективные химические двигательные установки
     7.2.3 Ядерные тепловые двигательные установки
     7.2.4 Вход в атмосферу, спуск и посадка
7.3 Системы на поверхности
     7.3.1 Перспективные системы обитания
     7.3.2 Внекорабельная деятельность и передвижение по поверхности
     7.3.3 Доступ к подповерхностным слоям
     7.3.4 Генерация ядерной энергии
     7.3.5 Солнечные энергосистемы и регенеративные топливные элементы
     7.3.6 Изотопные энергосистемы
7.4 Сквозные системы и прочие потребности
     7.4.1 Использование местных ресурсов (ISRU)
     7.4.2 Управление криогенными жидкостями
     7.4.3 Связь и навигация
     7.4.4 Ремонтопригодность и техническое обслуживание
7.5 Стратегии снижения рисков
     7.5.1 Международная космическая станция и околоземные миссии
     7.5.2 Лунные миссии
     7.5.3 Роботизированные миссии на Марс

8 Участие общественности
8.1 Руководящие принципы взаимодействия с общественностью
8.2 Стратегия вовлечения общественности

Приложение A: Состав участников
Приложение B: Список литературы

Графики, схемы и диаграммы

2‑1 Временные рамки последовательности этапов миссии
2‑2 Краткое описание последовательности этапов миссии в рамках эталонной архитектуры проектирования для Марса 5.0 (опорный вариант с ядерным тепловым ракетным двигателем)
2‑3 Условный вид наземной архитектуры «Коммьютер» («пригородный» вариант)
2‑4 Условные маршруты наземных исследовательских перемещений
2‑5 Условный график наземных исследований экипажа
2‑6 Условный сценарий операций вблизи особых регионов
4‑1 Траектории доставки грузов и экипажа для примерной миссии 2037 года
4‑2 Сводка значений характеристической скорости (ΔV) для опорных миссий класса «соединение»
4‑3 Опорная ракета‑носитель Ares V
4‑4 Грузоподъёмность ракеты‑носителя (конфигурация 45.0.2)
4‑5 Концептуальные проекты пилотируемых и грузовых аппаратов с ядерным тепловым двигателем
4‑6 Концепции пилотируемых и грузовых межпланетных транспортных аппаратов с химической двигательной установкой и аэродинамическим торможением
4‑7 Операции по подъёму аэродинамического обтекателя для Марса и полезной нагрузки в монтажно‑испытательном корпусе (VAB)
4‑8 Пилотируемый исследовательский корабль Orion
4‑9 Результаты оценки теплозащитной системы (TPS) корабля Orion
4‑10 Распределение тепловых нагрузок на этапах аэрозахвата и входа в атмосферу
5‑1 Варианты марсианских жилых модулей на базе архитектурных решений для Луны
5‑2 Оценки энергопотребления для солнечных и ядерных источников питания
6‑1 Дерево компромиссных решений по архитектуре марсианской миссии (верхний уровень)
6‑2 Сравнение профилей миссий: (а) класса «противостояние» и (б) класса «соединение»
6‑3 Пример сравнения временных графиков для миссий класса «соединение»
6‑4 Профиль полёта при аэрозахвате
6‑5 Дерево компромиссных решений для технологий использования ресурсов на месте (ISRU)
6‑6 Масса, энергопотребление и объём для различных стратегий использования ресурсов на месте (ISRU)
6‑7 Концепции энергоснабжения на поверхности
8‑1 Примеры путей взаимодействия с общественностью

Таблицы

3‑1 Сводка целей первоначальной программы пилотируемых миссий на Марс
3‑2 Декомпозиция цели IV+
4‑1 Сводная информация по опорному плану использования ядерных тепловых ракетных двигателей (NTR)
4‑2 Сводная информация по опорному плану использования химических двигателей и аэрозахвата
4‑3 Характеристики системы входа, спуска и посадки (EDL)
4‑4 Сводка массы транзитного жилого модуля
5‑1 Сводка массы для наземного сценария «Коммьютер» («пригородный» вариант)
5‑2 Масса системы использования ресурсов на месте (ISRU)
5‑3 Варианты энергоснабжения малогабаритного герметичного ровера
6‑1 Сводка соображений по учёту факторов здоровья человека в зависимости от типа миссии
6‑2 Сводка рекомендаций по выбору типа миссии
6‑3 Сводка рекомендаций по развёртыванию грузов
6‑4 Сводка рекомендаций по аэрозахвату
6‑5 Сводка рекомендаций по использованию ресурсов на месте (ISRU)
6‑6 Сводка рекомендаций по энергоснабжению

Акронимы и сокращения

Сокращение (англ.)	Расшифровка (англ.)	Расшифровка (рус.)
AEDL	aerocapture and entry, descent, and landing	аэрозахват и вход, спуск и посадка
AG	artificial gravity	искусственная гравитация
ALARA	as low as reasonably achievable	настолько низко, насколько разумно достижимо (принцип радиационной защиты)
ALSEP	Apollo lunar surface experiments package	комплект научных приборов для поверхности Луны программы «Аполлон»
Ar	argon	аргон
AR&D	automated rendezvous and docking	автоматическая стыковка и сближение
ARMD	Aeronautics Research Mission Directorate	Директорат по исследованиям аэронавтики
ATO	abort-to-orbit	аварийный выход на орбиту
AU	astronomical unit	астрономическая единица
BNTR	bimodal nuclear thermal rocket	двухрежимная ядерная тепловая ракета
CEV	crew exploration vehicle	пилотируемый исследовательский корабль
CFD	computational fluid dynamics	вычислительная гидродинамика
CFM	cryogenic fluid management	управление криогенными жидкостями
CH4	methane	метан
CHP	crew health and performance	здоровье и работоспособность экипажа
CO	carbon monoxide	угарный газ (монооксид углерода)
CO2	carbon dioxide	диоксид углерода (углекислый газ)
COSPAR	Committee on Space Research	Комитет по космическим исследованиям
CxP	Constellation Program	программа «Созвездие» (Constellation)
DAV	descent/ascent vehicle	спускаемо-взлетный аппарат
DM	docking module	стыковочный модуль
DRA	design reference architecture	эталонная архитектура проекта
DRM	design reference mission	эталонная референсная миссия
DSN	Deep Space Network	сеть дальней космической связи
ECLSS	Environmental Control and Life Support System	система экологического контроля и жизнеобеспечения
EDL	entry, descent, and landing	вход в атмосферу, спуск и посадка
EDS	Earth departure stage	разгонный блок для ухода с земной орбиты
EI	entry interface	интерфейс входа (в атмосферу)
EM	electromagnetic	электромагнитный
ERV	Earth return vehicle	аппарат возвращения на Землю
ESAS	Exploration Systems Architecture Study	исследование архитектуры систем исследования
ESMD	Exploration Systems Mission Directorate	Директорат по исследованию систем миссий
ETDP	Exploration Technology Development Program	Программа разработки технологий исследования
EVA	extravehicular activity	внекорабельная деятельность
Fe	iron	железо
FOM	figure of merit	критерий эффективности (показатель качества)
FRSI	felt reusable surface insulation	войлочная многоразовая поверхностная теплоизоляция
FSP	fission surface power	поверхностная энергетика на основе деления (ядерный реактор)
FSPS	Fission Surface Power System	система поверхностного энергоснабжения на основе деления
GaAs/Ge	gallium arsenide/Germanium	арсенид галлия/германий
GCM	global circulation model	модель общей циркуляции (атмосферы)
GN&C	guidance, navigation, and control	наведение, навигация и управление
GPHS	general-purpose heat source	универсальный радиоизотопный источник тепла
H2	hydrogen	водород
H2O	water	вода
H2O2	hydrogen peroxide	пероксид водорода
H2S	hydrogen sulfide	сероводород
HCN	hydrogen cyanide	цианистый водород (синильная кислота)
He	helium	гелий
HEM-SAG	Human Exploration of Mars Science Analysis Group	Рабочая группа по научному анализу пилотируемого исследования Марса
HGA	high-gain antenna	остронаправленная антенна (антенна высокого усиления)
HLLV	heavy-lift launch vehicle	ракета-носитель сверхтяжелого класса
HLR	human lunar return	возвращение человека на Луну
HTPB	hydroxy-terminated polybutadiene	гидроксилтерминированный полибутадиен
IMLEO	initial mass in low-Earth orbit	начальная масса на низкой околоземной орбите
Isp	specific impulse	удельный импульс
ISRU	in-situ resource utilization	использование местных ресурсов
ISS	International Space Station	Международная космическая станция
JSC	Johnson Space Center	Космический центр имени Линдона Джонсона
klbf	pounds force (thousands)	тысяча фунтов-силы
KSC	Kennedy Space Center	Космический центр имени Кеннеди
L/D	lift-to-drag ratio	аэродинамическое качество (отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению)
LAT	Lunar Architecture Team	Группа по архитектуре лунных миссий
LRV	lunar rover vehicle	лунный ровер (луноход)
MAWG	Mars Architecture Working Group	Рабочая группа по архитектуре марсианских миссий
MEA	membrane-electrode-assembly	мембранно-электродный блок
MEL	master equipment list	главный перечень оборудования
MEP	Mars Exploration Program	программа исследования Марса
MEPAG	Mars Exploration Program Analysis Group	аналитическая группа программы исследования Марса
MER	Mars exploration rover	марсианский исследовательский ровер
MLI	multilayer insulation	многослойная изоляция
MOI	Mars orbit insertion	вывод на орбиту Марса
MOLA	Mars orbiter laser altimeter	лазерный альтиметр марсианского орбитального аппарата
MRO	Mars Reconnaissance Orbiter	марсианский разведывательный орбитальный аппарат
MSL	Mars Science Laboratory	марсианская научная лаборатория (миссия Curiosity)
MSR	Mars Sample Return	доставка образцов с Марса
MTV	Mars transfer vehicle	марсианский транспортный корабль
N2	nitrogen	азот
NCRP	National Council on Radiation Protection	Национальный совет по радиационной защите
NERVA	Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications	ядерный двигатель для применения в ракетной технике
NPF	Nuclear Processing Facility	объект ядерной обработки
NRC	National Research Council	Национальный исследовательский совет
NTP	nuclear thermal propulsion	ядерная тепловая тяга
NTR	nuclear thermal rocket	ядерная тепловая ракета
O/F	oxidizer-to-fuel ratio	отношение окислителя к топливу
O2	oxygen	кислород
OLUID	on-line user identification	онлайн-идентификация пользователя
OSF	Offline Stacking Facility	наземный комплекс сборки (вне сборочного цеха VAB)
PBL	planetary boundary layer	планетарный пограничный слой (атмосферы)
PEMFC	proton exchange membrane fuel cell	топливный элемент с протонообменной мембраной
PLSS	Portable Life Support System	портативная система жизнеобеспечения
psi	pounds per square inch	фунт на квадратный дюйм (единица давления)
238Pu	plutonium-238	плутоний-238
PV	photovoltaic	фотоэлектрический
PVA	photovoltaic array	фотоэлектрическая батарея (солнечная панель)
RCS	Reaction Control System	система реактивного управления
RFC	regenerative fuel cell	регенеративный топливный элемент
RPS	Radioisotope Power System	радиоизотопная энергетическая система
RSRB	reusable solid rocket booster	многоразовый твердотопливный ускоритель
RTG	radioisotope thermoelectric generator	радиоизотопный термоэлектрический генератор
SHAB	surface habitat	поверхностный жилой модуль (база)
SLA	super lightweight ablator	сверхлегкий абляционный материал
SM	service module	служебный модуль
SMD	Science Mission Directorate	Директорат по научным миссиям
SO2	sulfur dioxide	диоксид серы
SOCE	solid oxide carbon dioxide electrolyzer	твердооксидный электролизер диоксида углерода
SOMD	Space Operations Mission Directorate	Директорат по космическим операциям
SPE	solar particle event	событие солнечных частиц (солнечная протонная вспышка)
SRB	solid rocket booster	твердотопливный ускоритель
t	ton (metric)	тонна (метрическая)
TDRSS	Tracking and Data Relay Satellite System	система спутниковой ретрансляции и слежения
TEI	trans-Earth injection	переход на траекторию полета к Земле
TMI	trans-Mars injection	переход на траекторию полета к Марсу
TPS	Thermal Protection System	система тепловой защиты
TRL	technology readiness level	уровень технологической готовности
TT&C	telemetry, tracking, and communications	телеметрия, слежение и связь
VAB	Vehicle Assembly Building	здание сборки транспортных средств (ракет)
ZBO	zero boil-off	нулевое испарение (криогенного топлива)
ZBR	Zone of Minimum Biological Risk	зона минимального биологического риска

1. Введение

Видение 2020 года: Люди привносят опыт, изобретательность и адаптивность, что позволяет проводить надёжные исследования и совершать открытия. Автор: Ролингс, 1997

Закон о полномочиях НАСА (NASA Authorization Act) от 2005 года сформулировал новую стратегию национальной космической программы, прямо указав, что

«Администратор должен учредить программу по созданию устойчивого присутствия человека на Луне, включая масштабную программу-предшественник, для содействия исследованиям, науке, коммерции и превосходству Соединенных Штатов в космосе, а также в качестве плацдарма для будущего освоения Марса и других направлений».

Это видение предполагает серьёзное расширение возможностей человека за пределы низкой околоземной орбиты (НОО), в стремлении ответить на глубокие научные и философские вопросы, параллельно реагируя на открытия, совершаемые в этом процессе. Кроме того, стратегия предусматривает разработку новых, революционных технологий и возможностей, необходимых для будущего пилотируемого освоения Солнечной системы. Данная стратегия представляет собой новый смелый шаг в будущее.

В январе 2004 года НАСА учредило Директорат системных миссий по освоению (Exploration Systems Mission Directorate, ESMD) для руководства разработкой новых систем освоения с целью реализации этой стратегии. Для определения оптимальной архитектуры и стратегии освоения, позволяющих осуществить эти многочисленные изменения, в 2005 году было проведено Исследование архитектуры систем освоения (Exploration Systems Architecture Study, ESAS).

Данное исследование заложило архитектурный фундамент верхнего уровня и определяющие требования для лунных транспортных систем. В период с 2006 года до середины 2007 года НАСА провело серию исследований Группы по лунной архитектуре (Lunar Architecture Team, LAT), направленных на дальнейшее уточнение целей, задач, видов деятельности и систем, необходимых для реализации этапа освоения поверхности в стратегии освоения Луны. В то время как ESAS сфокусировалось на транспортной системе, оценки лунной архитектуры были сосредоточены на деятельности, проводимой на поверхности.

В ходе выполнения второй половины исследований LAT стало ясно, что проработка лунной архитектуры должна проводиться в контексте учета наиболее вероятной последующей миссии, а именно — пилотируемого исследования Марса. Был достигнут значительный прогресс в определении лунной архитектуры и систем, однако требовались дальнейшая доработка и подтверждение того, как эти системы будут использоваться или модифицироваться для обеспечения будущих возможностей освоения. Кроме того, Директорат научных миссий и Директорат исследовательских миссий аэронавтики находились в процессе определения будущего роботизированных миссий на Марс, а также фундаментальных исследовательских работ, связанных с будущими пилотируемыми экспедициями. Осознавая необходимость создания обновленной и единой эталонной архитектуры для пилотируемого исследования Марса, Штаб-квартира НАСА в январе 2007 года учредила Рабочую группу по архитектуре марсианских миссий (Mars Architecture Working Group, MAWG) для разработки Базовой проектной архитектуры марсианских миссий 5.0 (Design Reference Architecture, DRA 5.0).

В состав MAWG вошли представители различных подразделений агентства из Директората системных миссий по освоению (ESMD), Директората научных миссий (Science Mission Directorate, SMD), Директората исследовательских миссий аэронавтики (Aeronautics Research Mission Directorate, ARMD) и Директората миссий по эксплуатации космических систем (Space Operations Mission Directorate, SOMD). Кроме того, в начале исследования была создана Совместная руководящая группа высшего руководства Агентства для рассмотрения основных результатов работы MAWG, предоставления аналитической поддержки, руководства и окончательного согласования рекомендаций команды.

Стратегию и концепции реализации, описанные в настоящем отчете, не следует рассматривать как официальный план пилотируемого исследования Марса. Напротив, данный отчет представляет видение одного из возможных подходов к освоению Марса человеком, основанное на наилучших имеющихся оценках наших знаний. Этот подход используется для создания единой основы будущего планирования системных концепций, разработки технологий и операционных испытаний. Кроме того, он служит общей базой для интеграции различных направлений деятельности агентства, включая роботизированные миссии на Марс, исследования, проводимые на Международной космической станции (МКС), а также будущие лунные миссии и системы.

Стратегия, изложенная в настоящем отчете, будет обновляться и пересматриваться по мере получения новых знаний о Марсе, а также о системах и технологиях, необходимых для осуществления пилотируемых миссий за пределы низкой околоземной орбиты.

2. Краткое описание Базовой проектной архитектуры 5.0

«Коммьютер» — художественное представление возможного аванпоста для исследования Марса. Ролингс, 2007

Базовая проектная архитектура исследования Марса (DRA 5.0) описывает системы и операции, которые будут использоваться для первых трех миссий по исследованию поверхности Марса человеком. Эти первые три миссии, как предполагается, состоятся в течение трех последовательных траекторных окон запуска в ближайшие несколько десятилетий. Для данной эталонной архитектуры был выбран минимальный набор из трех миссий по нескольким причинам:

• Время разработки и затраты на создание базовых возможностей для осуществления даже одной пилотируемой марсианской миссии настолько велики, что единичную миссию или даже пару миссий трудно обосновать.

• Выполнение трех последовательных миссий займет примерно 10 лет; этого периода времени достаточно для достижения базовых целей программы и получения значительного объема знаний и опыта, что делает момент их реализации вероятным временем для рассмотрения новых целей, а также усовершенствованных архитектур для их достижения.

Кроме того, предполагается, что первым трем пилотируемым миссиям на Марс будет предшествовать достаточное количество испытательных и демонстрационных миссий на Земле, на Международной космической станции (МКС), на околоземной орбите, на Луне и у Марса (посредством роботизированных предшественников) для достижения такого уровня уверенности в архитектуре миссии, при котором риск для человеческих экипажей будет считаться приемлемым. Освоение Марса человеком станет сложнейшим предприятием. Это начинание подтвердит возможности человечества покинуть родную планету и отправиться в глубины космоса. Хотя это будет небольшой шаг в космическом масштабе, для человечества он будет иметь огромное значение, поскольку потребует длительного пребывания вдали от Земли с весьма ограниченными возможностями возвращения. Обязательство осуществить запуск означает обязательство провести несколько лет вдали от Земли, причем существует очень узкое окно, в течение которого возможно возвращение. В этом заключается радикальное отличие исследования Марса от предыдущих лунных экспедиций. Успешная реализация пилотируемого исследования Марса потребует тщательной и глубокой программы технологического развития в сочетании с тщательно разработанной стратегией снижения рисков.

В рамках описываемой здесь эталонной архитектуры в каждую из этих миссий будет отправляться экипаж из шести человек, и каждый экипаж посетит новую локацию на Марсе. Обоснованием выбора именно такой численности экипажа послужил разумный компромисс между необходимым набором навыков и уровнем усилий для миссий такой сложности и продолжительности, с одной стороны, и масштабом систем и инфраструктуры, необходимых для поддержки этого экипажа, с другой. Посещение трех различных мест основано на рекомендации специального комитета Аналитической группы Программы исследования Марса (MEPAG), описанной в разделе 3 настоящего документа. Научное и исследовательское обоснование посещения трех различных площадок в том, что столь разнообразная планета, как Марс, вряд ли может быть адекватно изучена и понята исключительно посредством деятельности в одной локации. Однако предположение о трех разных площадках не исключает возможности возвращения на любую из них, если возникнет такая насущная необходимость.

Каждая из трех миссий будет использовать траекторию класса «соединение» (вариант с длительным пребыванием). Часть ресурсов каждой миссии будет отправлена на Марс за одно траекторное окно до отправки экипажа. Этот так называемый вариант «предварительной доставки» или «разделенной миссии» позволит использовать траекторию с меньшими энергозатратами для предварительно доставляемых грузов, что дает возможность доставить на Марс большую массу полезной нагрузки при имеющемся запасе топлива. Решение о предварительном размещении части ресурсов миссии также лучше согласуется с решением производить часть топлива для взлета непосредственно на Марсе, используя марсианскую атмосферу в качестве источника сырья для производства топлива. Такое использование местных ресурсов, а также оборудования для их переработки в полезные продукты приводит к чистому уменьшению общей массы, необходимой для завершения миссии, а также к значительному сокращению размеров посадочных модулей.

Было установлено, что ядерный источник энергии, размещенный на поверхности, по сравнению с эквивалентной солнечной энергетической системой, лучше подходит для производства топлива для обеспечения взлета. Этот выбор был дополнительно подкреплен тем фактом, что данная энергосистема будет более чем достаточной для удовлетворения потребностей членов экипажа по прибытии, которое происходит после того, как все необходимые объемы топлива будут произведены. Разделение элементов миссии на предварительно доставляемые грузы и пилотируемые корабли позволяет экипажу лететь по более быстрым, высокоэнергетическим траекториям, тем самым сводя к минимуму воздействие опасностей, связанных с межпланетными путешествиями в дальнем космосе.

Из-за значительной массы, требуемой для пилотируемой миссии на Марс, потребуется множество запусков ракет-носителей сверхтяжелого класса. В качестве эталонной ракеты-носителя планируется использовать грузовой носитель Ares V, разрабатываемый для лунных миссий. Использование той же ракеты, что и для лунных программ, значительно повысит общую надежность запусков благодаря зрелости конструкции носителя к моменту начала марсианских миссий. Текущие оценки манифеста миссии показывают, что потребуется не менее семи грузовых запусков сверхтяжелого класса, но количество запусков может быть и больше, в зависимости от выбранных общесистемных технологических требований. Столь большое количество запусков требует проведения масштабной стартовой кампании, которая должна начаться за несколько месяцев до открытия окна полета к Марсу.

Принятая базовая стратегия исключает сборку элементов миссии на орбите путем разделения систем на дискретные пакеты и использования автоматической стыковки и причаливания (automated rendezvous and docking, AR&D) основных элементов на НОО. Запуски будут производиться с интервалом в 30 дней и должны быть завершены за несколько месяцев до открытия окна отлета к Марсу, чтобы обеспечить запас времени на технические задержки и другие непредвиденные проблемы. Эта стратегия требует, чтобы межпланетные транспортные системы и полезные нагрузки находились в режиме ожидания на НОО в течение нескольких месяцев перед вылетом к Марсу. Общая последовательность запусков и полетов для первых двух миссий показана на рисунке 2-1.

Рисунок 2-1. Временные графики последовательности этапов миссии.

Подробнее о схеме на рис. 2-1 (комментарий @avshkol)

Рисунок 2-1 показывает временную шкалу последовательности миссий для пилотируемого исследования Марса согласно архитектуре DRA 5.0. Показана взаимосвязь между запуском грузовых и пилотируемых кораблей, временем их полета и пребывания на поверхности в течение нескольких лет.

Горизонтальная ось охватывает период в 7 лет (Year 1 – Year 7), разбитый на месяцы (обозначенные как J F M A M J J A S O N D).

Бурым фоном выделены сезоны пылевых бурь (Peak Dust Storm Season). Это критические периоды, которые необходимо учитывать при планировании операций на поверхности.

Солнечная конъюнкция (Solar Conjunction) отмечена вертикальной серой линией со стрелкой. В эти периоды Солнце находится прямо между Землей и Марсом, что прерывает или сильно затрудняет радиосвязь. Миссии планируются так, чтобы избегать активных фаз во время конъюнкции или иметь автономность.

Вертикальная ось показывает общую Структуру миссий

Показаны две основные миссии (Mission #1 и Mission #2), каждая из которых состоит из трех этапов запуска/полета:

• Cargo (SHAB): Грузовой модуль с поверхностным жилым модулем (Surface Habitat).

• Cargo (DAV): Грузовой модуль со спускаемо-взлетным аппаратом (Descent/Ascent Vehicle).

• Crew (MTV): Пилотируемый марсианский транспортный корабль (Mars Transfer Vehicle).

Цветовая легенда внизу показывает типы операций:

• Launch Campaign (Красный): Кампания по запуску ракет с Земли. Длится несколько месяцев до открытия окна отправки на Марс.

• Cargo Outbound (Темно-синий): Полет грузовых кораблей без экипажа от Земли к Марсу по энергетически выгодной траектории (длится около 2 лет).

• Unoccupied Wait (Серая штриховка): Период ожидания на орбите Марса и/или на поверхности без экипажа. Грузы ждут прибытия людей (около 2 лет).

• Crew Transits (Голубой): Перелет экипажа от Земли к Марсу и обратно по быстрой траектории (около 6 месяцев в одну сторону).

• Surface Mission (Зеленый): Пребывание экипажа на поверхности Марса (долгая стоянка, ~500 дней / 18 месяцев).

• Overlapping Elements (Желтый): Зона перекрытия элементов миссий. Показывает, как активные фазы одной миссии могут накладываться на подготовку или завершение другой.

Описание последовательности (Long-Stay Sequence) по годам приведена ниже.

Архитектура использует стратегию «разделенной миссии» (split mission) или предварительного развертывания грузов:

Миссия №1:

Год 1: Начинается кампания запуска (Launch Campaign) двух грузовых беспилотных кораблей (SHAB и DAV).

Годы 1-2: Грузовые корабли летят к Марсу (Cargo Outbound).

Год 2: Грузовые корабли прибывают на Марс (Arrive). SHAB остается на орбите, DAV садится на поверхность.

Годы 2-4: Период ожидания (Unoccupied Wait). Системы проверяются, производится топливо из местных ресурсов (ISRU), но людей еще нет.

Год 3: Запуск пилотируемого корабля (Crew MTV). Экипаж летит по быстрой траектории.

Год 4: Экипаж прибывает на Марсианскую орбиту (Arrive), стыкуется с SHAB и спускается на поверхность. Начинается миссия на поверхности, Surface Mission (зеленый блок), которая проходит также через сезон пылевых бурь.

Год 5: Экипаж взлетает с Марса и возвращается на Землю.

Миссия №2 (и перекрытие с Миссией №1):

Пока первая миссия находится на поверхности (Годы 4-5), начинается подготовка ко второй миссии.

Годы 3-4: Запускаются беспилотные грузовики для Миссии №2.

Желтая зона (Overlapping Elements): Показывает момент, когда экипаж Миссии №1 еще находится на Марсе, а грузы для Миссии №2 уже прибывают. Это обеспечивает непрерывность присутствия и возможность использования инфраструктуры предыдущей миссии.

Годы 6-7: Экипаж Миссии №2 отправляется к Марсу и прибывает на него.

Таким образом, параметры миссии, зафиксированны на графике, это:

• Длительность: Полный цикл одной миссии занимает до 6 лет (с учетом запуска грузов за 2 года до экипажа).

• Безопасность: Грузы отправляются заранее, чтобы подтвердить их работоспособность и возможность выработать из местных ресурсов топливо для снижения риска для жизни экипажа.

• Непрерывность: Архитектура позволяет перекрывать миссии, создавая постоянное присутствие или частые ротации.

• Учет марсианской среды: График учитывает сезонность Марса (бури) и астрономические ограничения (конъюнкция).

Первая фаза архитектуры миссии начинается с предварительной доставки первых двух грузовых элементов: аппарата спуска/взлета (descent/ascent vehicle, DAV) и поверхностного жилого модуля (surface habitat, SHAB). Эти два комплекта аппаратов сначала запускаются, собираются (посредством стыковки) и проверяются на НОО. После того как все системы проверены и признаны работоспособными, аппараты остаются на околоземной орбите до тех пор, пока не откроется окно полета «Земля–Марс», после чего они выводятся на траекторию минимальной энергии перехода с земной орбиты к Марсу, чуть более чем за 2 года до запуска экипажа.

В качестве базовой концепции двигательной установки для межпланетного транспорта как грузовых, так и пилотируемых кораблей была выбрана ядерная тепловая ракетная двигательная установка, ЯТРД (Nuclear thermal rocket, NTR). По прибытии к Марсу аппараты переводятся на высокую околомарсианскую орбиту. SHAB остается на орбите Марса в полуспящем режиме, ожидая прибытия экипажа через 2 года. DAV переводится на временную орбиту Марса, откуда он автономно выполняет вход в атмосферу, спуск и посадку на поверхность Марса в выбранном месте посадки. После посадки аппарат проверяется, должна быть подтверждена работоспособность его систем. На поверхности развертывается ядерный реактор, а производство взлетного топлива и других необходимых экипажу продуктов завершается до принятия решения о начале пилотируемой фазы миссии.

Ключевой особенностью архитектур миссий с длительным пребыванием является автономное развертывание части поверхностной инфраструктуры до прибытия экипажа, например, системы энергоснабжения. Эта стратегия включает: способность элементов инфраструктуры быть выгруженными, перемещенными на значительные расстояния, способность к эксплуатации в течение длительного времени без присутствия человека. Фактически, успешное выполнение этих разнообразных действий будет частью критерия для принятия решения о запуске первого экипажа с Земли.

Вторая фаза этой архитектуры начинается во время следующего окна выведения с запуска, сборки и проверки пилотируемого межпланетного транспортного корабля для полета к Марсу (Mars transfer vehicle, MTV). MTV будет служить межпланетным кораблем поддержки для экипажа в ходе миссии туда и обратно: на орбиту Марса и обратно на Землю. Перед вылетом основного экипажа к MTV может быть доставлен отдельный проверочный экипаж для выполнения критически важной проверки систем и выполнения любого необходимого ремонта перед отлетом основного экипажа. После того как все аппараты и системы, включая марсианский DAV (на поверхности Марса), SHAB (на орбите Марса) и MTV (на НОО), будут признаны работоспособными, основной экипаж выводится на соответствующую быструю траекторию перелета к Марсу. Продолжительность этого перелета к Марсу зависит от даты миссии и составляет от 175 до 225 суток. По прибытии к Марсу члены экипажа выполняют стыковку с SHAB, который послужит им транспортным средством для спуска на поверхность Марса.

Текущие данные о здоровье и поддержке человека в космосе указывают на то, что экипажу может потребоваться несколько недель для акклиматизации к частичной гравитации Марса после посадки. После акклиматизации первоначальная деятельность на поверхности будет сосредоточена на переходе от «режима посадочного модуля» к полностью функциональному поверхностному жилому модулю. Это будет включать выполнение всех оставшихся настроек и проверок, которые не могли быть выполнены до посадки, а также перенос оборудования и критически важных предметов из предварительно доставленного DAV.

Архитектура миссии с длительным пребыванием способствует реализации надежной стратегии исследования поверхности. У экипажа будет примерно 18 месяцев для проведения необходимых исследований марсианской поверхности. Будет предоставлено достаточно времени для планирования и перепланирования деятельности на поверхности, реагирования на проблемы и повторного рассмотрения научных вопросов, возникающих в ходе миссии. Основное внимание в этой фазе миссии будет уделено научным и исследовательским мероприятиям, которые будут меняться со временем, с учетом ранее сделанных открытий. Общий план деятельности экипажа будет составлен еще до запуска, но будет обновляться в течение всей миссии. Этот план будет содержать детальные мероприятия для обеспечения первоначальной безопасности экипажа, базовые предположения относительно начальных научных мероприятий, график периодических проверок аппаратов и систем, а также план определенного количества выходов. Большая часть детального планирования деятельности на поверхности будет основываться на первоначальных находках и, следовательно, не сможет быть выполнена до посадки на Марс.

Экипаж сыграет жизненно важную роль в планировании конкретных мероприятий, исходя из общих целей, определенных коллегами на Земле. Альтернативные подходы к исследованию поверхности все еще обсуждаются и, как ожидается, будут изучены далее, включая максимизацию унификации с лунными системами. Один из подходов, наиболее близкий к предыдущим базовым архитектурам (DRA), названный сценарием «Коммьютер» (Commuter), был выбран в качестве базового и описан в следующем разделе.

Перед тем как отправить экипаж на взлет с Марса и возвращение на Землю, потребуется полная проверка систем взлетного аппарата и MTV. Поскольку оба аппарата критически важны для выживания экипажа, необходимо выделить достаточно времени перед взлетом для проверки систем и устранения любых неполадок перед использованием их экипажем. Кроме того, жилой модуль на поверхности будет переведен в спящий режим для возможного повторного использования будущими экипажами. Это включает в себя уборку ненужного оборудования, приведение критических систем и их резервных копий в безопасное состояние и выполнение общих хозяйственных обязанностей. Наконец, элементы на поверхности, включая научные приборы, будут переведены в режим автоматической эксплуатации для управления с Земли.

Затем экипаж совершит взлет на DAV и выполнит стыковку с ожидающим MTV. Этот аппарат будет использован для возвращения экипажа с Марса, завершающегося прямым входом в атмосферу Земли на модифицированном корабле Orion. Версия DRA с ядерной тепловой двигательной установкой (ЯТДУ), также известная как «bat chart» (диаграмма летучей мыши), показана на рисунке 2-2.

Рисунок 2-2. Последовательность этапов миссии «Базовая архитектура проекта Марс 5.0» (базовый вариант с ЯРД).

Подробнее о последовательности этапов миссии на рис. 2-2 (комментарий @avshkol)

Рисунок представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую полный цикл одной пилотируемой миссии на Марс в рамках Базовой архитектуры проекта 5.0 (DRA 5.0). Схема показывает последовательность запусков, перелетов и операций на поверхности.

Весь процесс разделен на этапы, от 1 до 14, и охватывает период около 30 месяцев (2,5 года) для экипажа и более длительный срок для подготовки инфраструктуры.

Предварительная доставка грузов. Миссия начинается задолго до вылета экипажа: грузы отправляются по энергетически выгодной траектории (~350 дней полета), чтобы прибыть на Марс заранее и подготовить инфраструктуру.

1. 4 Ares-V Cargo Launches: Четыре запуска сверхтяжелой ракеты-носителя Ares V для доставки грузовых элементов марсианского транспортного корабля (Cargo MTVs).

2. Cargo: ~350 days to Mars: Грузовые корабли летят к Марсу около 350 дней.

3. Habitat Lander AC into Mars Orbit: Посадочный модуль с жилым блоком (Habitat Lander) выполняет аэрозахват (AC, Aerocapture) для выхода на орбиту Марса. Он остается там ждать экипаж.

4. AC / EDL of MDAV / Cargo Lander: Марсианский спускаемо-взлетный аппарат (MDAV/DAV) и грузовой посадочный модуль также выполняют аэрозахват, а затем вход, спуск и посадку (EDL) на поверхность Марса.

5. ISRU / propellant production for MAV: После посадки начинается производство топлива на месте (ISRU, In-Situ Resource Utilization). Аппарат использует атмосферу Марса для создания окислителя для обратного взлета. Это критический этап: экипаж не полетит, пока топливо не будет произведено и проверено.

Подготовка и старт экипажа. Пока грузы уже на Марсе или в пути, на Земле готовится пилотируемый корабль.

6. 3 Ares-V Cargo Launches: Три дополнительных запуска Ares V для доставки элементов пилотируемого транспортного корабля (Crewed MTV) на низкую околоземную орбиту (LEO). На орбите происходит сборка корабля.

7. Ares-I Crew Launch: Запуск ракеты Ares I с капсулой Orion, которая доставляет экипаж (до 6 человек) на орбиту для стыковки с собранным MTV.

Перелет к Марсу.

8. Crew: Jettison drop tank after TMI; ~180 days out to Mars: После выполнения маневра перехода на марсианскую траекторию (TMI) сбрасывается пустой топливный бак. Перелет занимает примерно 180 дней. Корабль использует ЯРД (NTR).

9. Crew: Use Orion/SM to transfer to Hab Lander; then EDL on Mars: По прибытии на Марс экипаж пересаживается из транспортного корабля (MTV) в капсулу Orion/Служебный модуль (SM), стыкуется с ожидающим их Жилым посадочным модулем (Habitat Lander) и совершает посадку (EDL) на поверхность.

Работа на поверхности.

10. ~500 days on Mars: Экипаж проводит на поверхности Марса около 500 дней. За это время проводятся научные исследования, обслуживание систем, проводится подготовка к возвращению.

Возвращение на Землю.

11. MAV ascent to orbit: Марсианский взлетный аппарат (MAV/DAV), заправленный топливом местного производства, доставляет экипаж с поверхности на орбиту Марса.

12. Crew: Jettison DM & consumables prior to TEI: На орбите экипаж стыкуется с основным транспортным кораблем (MTV). Перед началом обратного пути сбрасываются стыковочный модуль (DM) и ненужные расходные материалы для экономии массы. Выполняется маневр перехода на земную траекторию (TEI).

13. Crew: ~180 days back to Earth: Обратный перелет к Земле занимает около 180 дней.

14. Orion direct Earth return: Капсула Orion отделяется от основного корабля перед входом в атмосферу Земли и совершает прямую посадку (предположительно на воду), используя парашюты (изображены в правом нижнем углу).

2.1 Базовая миссия на поверхности

В ходе формирования данной марсианской DRA 5.0 было оценено несколько архитектур миссий на поверхность Марса, каждая из которых делала акцент на различных стратегиях исследования, учитывающих разные сочетания продолжительности работы в полевых условиях, дальности исследования и глубины доступа к подповерхностным слоям. Базовый сценарий миссии на поверхности, принятый для DRA 5.0, представляет собой так называемую базовую архитектуру «Коммьютер», которая предполагает наличие центрального монолитного жилого модуля (рис. 2-3), двух малых герметичных роверов и двух негерметичных роверов (примерно эквивалентных лунному роверу LRV, использовавшемуся в миссиях «Аполлон»).

Рисунок 2-3. Условное изображение поверхностной архитектуры «Коммьютер»

Такое сочетание обитаемости и мобильности позволит разместить ресурсы миссии в относительно ровных и безопасных местах, но при этом обеспечит необходимую дальность исследований для достижения близлежащих районов с большим геологическим разнообразием (рис. 2-4).

Рисунок 2-4. Условные маршруты исследования поверхности

Энергоснабжение этих систем будет осуществляться от ядерной электростанции, которая будет доставлена ранее вместе с DAV, также она будет развернута заранее для производства части взлетного топлива. Маршруты (траверсы) станут важной особенностью стратегии исследования, используемой в этом сценарии, но эти маршруты будут ограничены возможностями малого герметичного ровера. В данном сценарии предполагается, что эти роверы обладают скромными характеристиками: ориентировочно экипаж из двух человек, общий пробег 100 км до необходимости пополнения запасов и продолжительность автономной работы 1–2 недели. Таким образом, возможности обитания на борту этих роверов будут минимальными. Однако предполагается, что роверы будут достаточно маневренны, чтобы доставить экипаж в зону непосредственной близости к интересующим объектам (то есть достаточно близко для наблюдения изнутри ровера или в пределах легкой пешей досягаемости для внекорабельной деятельности (extravehicular activity, EVA)). Не все члены экипажа будут отправляться в траверс, поэтому какая-то часть экипажа всегда будет находиться в жилом модуле. Герметичные роверы будут перевозить (или буксировать) оборудование, способное осуществлять бурение на умеренные глубины (от десятков до сотен метров) в конечных точках нескольких траверсов.

Потенциальные места посадки будут выбираться на основе наилучших доступных данных на момент выбора, операционных трудностей, связанных с этим местом, и совокупной значимости научных и исследовательских вопросов, которые могут быть решены на этом участке. Информация, доступная для выбора места, будет включать наборы данных дистанционного зондирования, данные от иных посадочных миссий в окрестностях, а также анализы и оценки на основе этих данных.

На рисунке 2-4 показана концептуальная серия траверсов к интересующим объектам на стыке регионов Isidis Planitia и Syrtis Major. Этому месту не отдается никакого особого предпочтения; оно включено сюда для иллюстрации некоторых общих особенностей пилотируемой исследовательской миссии и вытекающих из этого последствий для операций в таком месте.

С операционной точки зрения, это место имеет относительно обширную, ровную, расположенную в центре зону, где грузовые элементы могли бы приземлиться в относительной безопасности. Однако это разместит системы и экипаж на большом удалении от объектов, представляющих интерес для экипажа и научных групп. Масштаб в правом нижнем углу рисунка 2-4 указывает на то, что все интересные объекты находятся за пределами того, что в настоящее время считается разумной пешей досягаемостью для экипажа (определяемой расстоянием, которое член экипажа может пройти за один заряд питания и дыхательных газов в своей портативной системе жизнеобеспечения (Portable Life Support System, PLSS), в совокупности это примерно 20 км). Хотя существуют места с гораздо более плотно расположенными интересующими объектами, они обычно предполагают отказ от относительно безопасного места посадки, что весьма рискованно.

Здесь не показан ещё один важный объект — подповерхностные слои. Понимание вертикальной структуры места также представляло бы интерес, что указывает на необходимость включения технических возможностей бурения для каждой миссии и каждого места. Возможность перемещения бура с места на место также была бы желательной.

Основной жилой модуль будет иметь пространство и ресурсы, выделенные для проведения научных экспериментов на борту. Герметичные роверы будут перевозить только минимальное научное оборудование, считающееся необходимым для полевых работ (в дополнение к вышеупомянутому буру). Образцы будут возвращаться в основной жилой модуль и его бортовую лабораторию для более углубленного анализа.

Один из подходов к выполнению длительных траверсов заключался бы в использовании герметичных роверов (или, возможно, роботизированных роверов) для предварительного размещения запасов в выделенных местах вдоль предполагаемого маршрута передвижения перед «полномасштабным» траверсом. Таким образом, типичный траверс начинался бы с того, что экипаж (или роботизированные роверы) выезжал бы на номинальное расстояние (примерно 15 км, или расстояние, проходимое пешком при аварийном возвращении), и создавал схрон с ресурсами для жизнеобеспечения и энергоснабжения (возможно, аварийного жилья), прежде чем вернуться в жилой модуль. Некоторое количество исследовательских мероприятий может быть выполнено во время этой фазы размещения ресурсов, но ее основной целью была бы разведка маршрута и создание таких мест для размещения. Затем экипаж совершил бы еще один траверс, создавая за первым местом второе место размещения на таком же расстоянии. Этот процесс продолжался бы до тех пор, пока все ресурсы в цепочке не будут накоплены в достаточном объеме, чтобы экипаж в двух герметичных роверах мог совершить полный круговой траверс за время, необходимое для достижения целей траверса. Количество времени, необходимое для установки и извлечения схронов с припасами, зависело бы от конкретных условий траверса. График на рисунке 2-5 иллюстрирует, какого запаса можно было бы достичь, если выделить примерно 2 недели на создание этой цепочки схронов и еще 2 недели на извлечение ресурсов.

Рисунок 2-5. Условная хронология исследования поверхности экипажем

Комментарий @avshkol к схеме 2-5

Показан условный график деятельности экипажа на поверхности Марса в рамках сценария «Commuter» («Коммьютер»), описанного в разделе 2.1. Показано, как распределяется время (~500 дней / 18 месяцев) между акклиматизацией, научными экспедициями, техническим обслуживанием и подготовкой к отбытию.

Горизонтальная ось разбита на марсианские месяцы (обозначены как M1, M2, M3... M18) и недели внутри каждого месяца (1, 2, 3, 4). Общая длительность миссии составляет около 18 марсианских месяцев.

По вертикальной оси показаны Виды деятельности за это время.

• Land at Surface Site (Посадка на поверхность). Обозначена красным перевернутым треугольником в начале M1. Это момент прибытия экипажа на выбранную посадочную площадку.

• Acclimation, initial setup (Акклиматизация и первоначальная настройка). Светло-голубой блок в начале M1 (примерно 2–3 недели). В этот период экипаж адаптируется к марсианской гравитации (1/3 g), проводит проверки систем жилого модуля (SHAB) и передает оборудование с предварительно доставленного грузового корабля (DAV). Интенсивная научная работа в это время не ведется.

• Cache setup and teardown (Развертывание и свертывание складов снабжения). Зеленые блоки, распределенные по графику (например, в M4, M6, M10, M14). Поскольку дальность действия герметичных роверов ограничена, для совершения длинных экспедиций необходимо заранее завезти запасы (топливо, воду, пищу, энергию) в промежуточные точки («кэши»). Эта деятельность занимает отдельные короткие периоды перед началом крупных экспедиций (traverses).

• Traverse (Экспедиции / Траверсы). Оранжевые квадраты с номерами от 1 до 14. Это основные научно-исследовательские выезды экипажа на герметичных роверах. График показывает чередование коротких и длинных экспедиций. Например, траверсы 1-3 идут подряд, затем перерыв, затем траверс 4, и так далее. Всего запланировано около 14 выходов в поля.

• Drill opportunity (Возможности для бурения). Красные треугольники, расположенные под траверсами. Указывают на моменты, когда экипаж проводит операции по бурению скважин (глубиной от десятков до сотен метров) для поиска воды, льда или биологических следов. Бурение является важной частью научной программы и требует времени на установку оборудования.

• Refit, Restock, Evaluate, Plan (Техобслуживание, пополнение запасов, оценка и планирование). Светло-голубые прямоугольники между экспедициями. После возвращения с траверса экипажу требуется время (обычно ~2 недели после коротких и ~4 недели после длинных экспедиций) для:

  • Ремонта и обслуживания роверов.

  • Пополнения расходных материалов.

  • Анализа полученных образцов в лаборатории.

  • Планирования следующей экспедиции на основе новых данных.

• Prepare for departure (Подготовка к отбытию). Светло-голубой блок в конце M17 / начале M18. Финальный этап миссии: консервация жилого модуля, упаковка образцов для возврата на Землю, финальные проверки взлетного аппарата (MAV). Активная исследовательская деятельность прекращается.

• Launch (Старт / Взлет с Марса). Красный треугольник в конце M18. Момент взлета марсианского взлетного аппарата (MAV) для стыковки с орбитальным кораблем (MTV) и дальнейшего пути на Землю.

Важные замечания:

1. Миссия построена на циклах «Экспедиция -> Отдых/Анализ -> Экспедиция». Это позволяет гибко реагировать на события, в т.ч. научные открытия и поддерживать работоспособность техники.

2. Значительная часть времени (зеленые блоки) уходит не на науку, а на логистику, что подчеркивает важность предварительного планирования маршрутов.

3. График демонстрирует необходимость соблюдения баланса между полевыми работами и лабораторной обработкой/обслуживанием, что характерно для стратегии «Commuter», где база является центром операций.

Кроме того, не все траверсы были бы настолько длинными, чтобы требовать такой поддержки. Проиллюстрирована смесь траверсов с поддержкой схронами и без неё. Наконец, некоторое время потребуется для ремонта и пополнения запасов герметичных роверов после каждого траверса, а также для проведения локальных экспериментов и планирования следующего траверса. На рисунке 2-5 показаны ориентировочные 2 недели между короткими траверсами и 4 недели между длинными траверсами.

Сильным мотивирующим фактором для исследования Марса является поиск внеземной жизни. Однако этот поиск может быть навсегда скомпрометирован, если исследователи принесут земную жизнь и случайно загрязнят марсианскую среду. Кроме того, мы должны защититься пусть от маловероятной, но всё же возможности того, что образцы, возвращенные с Марса, могут содержать живые организмы, способные размножаться на Земле и нанести ущерб какому-либо аспекту нашей биосферы. Предотвращение обоих этих событий называется «планетарной защитой». Международная политика планетарной защиты поддерживается Комитетом по космическим исследованиям (COSPAR). Эта политика применяется ко всем планетарным исследованиям, проводимым странами, подписавшими Договор о космосе 1967 года.

Хотя подробные требования планетарной защиты для пилотируемых миссий еще не приняты, в настоящее время разрабатываются и включаются в политику COSPAR руководящие принципы для будущих пилотируемых миссий. Хотя детали реализации для пилотируемых миссий могут отличаться от тех, что применяются к исключительно роботизированным миссиям, цель политики планетарной защиты останется прежней: избегать вредного загрязнения других тел Солнечной системы (прямое загрязнение) и избегать неблагоприятных изменений в окружающей среде Земли (обратное загрязнение).

Для того чтобы люди могли исследовать Марс и безопасно вернуться на Землю, необходимо выявить на Марсе места, свободные от опасностей для земной биосферы. Это связано с тем, что астронавты на поверхности Марса неизбежно будут подвергаться воздействию местных марсианских материалов, таких как пыль, и план предусматривает возвращение астронавтов на Землю в конце миссии. Следовательно, астронавты являются потенциальным способом переноса марсианской пыли, безопасность которой должна быть доказана заранее. Совет по космическим исследованиям рекомендовал обозначить Зоны минимального биологического риска (Zones of Minimum Biological Risk, ZBR) — регионы, безопасность которых для человека доказана. То есть астронавтам будет разрешено находиться только в тех районах, безопасность которых доказана. Для первоначального места посадки такое тестирование, вероятно, будет проведено в рамках деятельности миссий-предшественников, что может включать анализ на Земле возвращенных марсианских образцов, особенно переносимой ветрами пыли.

Человеческие организмы переносят на себе и внутри себя большие популяции микроорганизмов, и эти популяции постоянно размножаются. Даже при совершенствовании технологий поддержки человека почти наверняка невозможно проводить все связанные с человеком процессы и операции миссии в полностью замкнутых системах. По этой причине следует исходить из того, что некоторое микробное загрязнение окружающей марсианской среды будет неизбежным, поэтому пилотируемые миссии следует отправлять только в те места на Марсе, где такие последствия приемлемы.

Поверхность Марса очень холодная и сухая; в большинстве мест она слишком холодная или сухая, чтобы позволить рост и размножение земных организмов. Однако геологические особенности некоторых мест на Марсе могут делать их более теплыми и влажными, включая недавние крупные кратеры, овраги средних широт и связанный с ними «наслоенный» рельеф, тепловые аномалии (если они присутствуют) и очень молодые вулканические породы. Кроме того, подповерхностные слои Марса практически не изучены и более вероятно могут быть пригодны для обитания земными микробами, чем поверхностные объекты. Особые районы Марса в настоящее время (2007 г.) определяются COSPAR как «район, в котором земные организмы могут размножаться, или район, который интерпретируется как имеющий высокий потенциал существования современных марсианских форм жизни». Согласно современному пониманию, это охватывает небольшую часть поверхности планеты, исключая как экваториальные, так и полярные широты. Доступ в Особые районы должен осуществляться только с использованием стерилизованного чистого оборудования для предотвращения прямого загрязнения.

Требуются дальнейшие оценки операционных сценариев и необходимых систем поверхностной поддержки, необходимых для продуктивного исследования поверхности Марса. Стратегия, принятая для текущей DRA, предполагает выбор места посадки человека в районе, который уже известен как безопасный для людей (зона минимального биологического риска) и в котором допускается микробное загрязнение. Астронавты должны быть защищены от контакта с непроверенными марсианскими материалами, а их здоровье должно контролироваться, чтобы можно было понять результаты воздействия. Образцы марсианского материала из мест, потенциально способных служить средой обитания для земных организмов, могут быть собраны с помощью стерильных пробоотборных роверов или буров (рис. 2-6) или с использованием передовых методов стерилизации. Прогресс в технологиях стерилизации и очистки, а также процедуры, которые могут выполняться человеком, будут иметь решающее значение для облегчения исследования астробиологически интересных мест на Марсе. Потребуются средства для обращения с собранными образцами при надлежащем контроле загрязнения для защиты науки, астронавтов и Земли.

Рисунок 2-6. Условный сценарий деятельности вблизи особых регионов

2.2 Связь и навигация

Общая архитектура связи и навигации НАСА должна поддерживать весь спектр исследований Марса, включая запуск, деятельность на околоземной орбите, выход на траекторию полета к Марсу (trans-Mars injection, TMI), перелет «Земля–Марс», выход на орбиту Марса (Mars orbit insertion, MOI), операции на орбите Марса, вход в атмосферу/спуск/посадку, операции на поверхности, взлет с Марса, стыковку на орбите, выход на траекторию возврата к Земле (trans-Earth injection, TEI) и прибытие на Землю. Обеспечение такого диапазона фаз миссии потребует объединения возможностей Космической сети (для начальной поддержки вблизи Земли), Сети дальней космической связи (Deep Space Network, DSN) и специального марсианского сетевого оборудования. Хотя подробные требования к связи для исследования Марса еще недостаточно хорошо изучены, упреждающий характер лунных исследований как предшественника марсианских создает сильный стимул для обеспечения сопоставимых возможностей связи и навигации на Марсе, аналогичных тем, что будут использоваться на Луне, тем самым поддерживая схожие концепции работы.

Максимальное расстояние между Землей и Марсом составляет примерно 400 000 000 км, что в 1000 раз превышает расстояние между Землей и Луной. Из-за потери мощности сигнала вследствие увеличения расстояния, связь с Марсом фактически в миллион раз сложнее, чем связь с Луны. Большое расстояние до Марса также подразумевает длительное время прохождения сигнала, поскольку время прохождения света туда и обратно достигает 44 минут. Это также серьёзно влияет на базовые концепции операций по исследованию Марса по сравнению с исследованиями Луны.

Хотя архитектура лунной связи даёт нам важные концепции и возможности упреждения, стратегии для Марса потребуют адаптации для учета гораздо больших расстояний и возникающих из-за этого задержек связи. Как и лунная архитектура, концептуальная марсианская архитектура включает комбинацию наземных станций на Земле и орбитального оборудования у Марса, которые будут предоставлять услуги связи и навигации пользователям-исследователям. Однако детали проектирования, особенно для магистральных каналов связи между Землей и Марсом, должны быть изменены. Тем не менее, везде, где это возможно, будут искаться общие решения, включая аспекты ретрансляционных каналов ближнего действия, а также верхние уровни стека протоколов связи (выше физического и канального уровней, которые обусловлены расстоянием), которые могут остаться практически такими же, как и в лунной архитектуре.

От запуска до выхода на траекторию полета к Марсу (TMI) Космическая сеть НАСА будет обеспечивать непрерывно доступные услуги связи и навигации через каналы S- и Ka-диапазона (S-band and Ka-band links) Системы слежения и ретрансляции данных (TDRSS, Data Relay Satellite System). После TMI поддержка во время перелета «Земля–Марс» перейдет к DSN НАСА, при этом базовые функции телеметрии, слежения и управления (telemetry, tracking, and communications, TT&C) будут обеспечиваться каналами X-диапазона, а высокоскоростные каналы будут поддерживаться в Ka-диапазоне или, возможно, посредством оптической связи. Особой задачей во время фазы перелета будет обеспечение адекватной связи в безопасном режиме в случае возникновения нештатной ситуации.

Оказавшись в Марсианской среде (т. е. на конечном участке сближения, на орбите, в атмосфере или на поверхности), космический аппарат сможет получать эффективные, высокоскоростные услуги связи и слежения от орбитального оборудования.

Требуется дальнейший сравнительный анализ стратегии связи орбитальныого оборудования. Орбитальныое оборудование может быть представлено специализированными марсианскими спутниками-ретрансляторами или предварительно доставленными грузовыми кораблями пилотируемой миссии, каждый из которых будет оснащен высокопроизводительными элементами для обеспечения прямой связи с Землей, для поддержки высоких скоростей передачи данных по магистральному каналу обратно на Землю, что позволит отдельным пользователям использовать гораздо меньшие, легкие и маломощные системы связи на относительно коротких каналах связи с орбитальным оборудованием.

Помимо обеспечения энергетически эффективного средства связи между пользователем на Марсе и Землей, марсианские спутники-ретрансляторы также могут сыграть важную роль в поддержке связи между пространственно разнесенными пользователями на Марсе (например, между марсианским жилым модулем и астронавтом в дальней экспедиции за горизонт), а для пользователей в зоне прямой видимости марсианского жилого модуля наземный терминал связи на Марсе обеспечит еще более эффективные проводные и беспроводные варианты связи на коротких расстояниях.

Варианты спутников-ретрансляторов включают специализированные телекоммуникационные орбитальные аппараты, а также использование других орбитальных активов с добавленной телекоммуникационной функциональностью. К последней категории относятся MTV, а также возможные разгонные блоки перелета, связанные с элементами, развернутыми на поверхности (например, жилой модуль, грузовые корабли, при условии развертывания с орбиты), которые могли бы обеспечить функцию ретрансляции с низкими затратами путем включения ретрансляционной полезной нагрузки. (Эта стратегия успешно использовалась для роботизированного исследования Марса, когда орбитальные аппараты дистанционного зондирования на низких круговых орбитах, такие как Mars Global Surveyor, Mars Odyssey и Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), предоставляли ценные услуги ретрансляции роботизированным посадочным модулям, таким как марсоходы Mars Exploration Rovers (MER), Phoenix Lander и Mars Science Laboratory (MSL)). Однако телекоммуникационная функциональность обычно будет ограничена из-за конкурирующих требований к орбите космического аппарата. Например, стратегия орбиты MTV будет определяться требованиями выхода на орбиту Марса (MOI), нацеливания на место посадки на Марсе, стыковки на орбите и выхода на траекторию возврата к Земле (TEI). Эти требования, возможно, приведут к орбите, не оптимальной с телекоммуникационной точки зрения.

Напротив, специальный спутник-ретранслятор может иметь орбиту, оптимизированную для его функций связи и навигации. Для специального ретрансляционного оборудования рассматривались различные орбиты, включая низкие круговые орбиты, средние круговые орбиты, эллиптические орбиты и ареостационарные орбиты (areostationary orbits, марсианский эквивалент геостационарных орбит Земли).

На основании проведенных на сегодняшний день оценок вариант ареостационарной орбиты выбран как наиболее предпочтительный вариант специальной орбиты, в частности, исходя из ее способности обеспечивать непрерывное покрытие. (Тем не менее, будущие сравнительные исследования могут изучить телекоммуникационный потенциал других планируемых орбитальных аппаратов, таких как MTV, в качестве недорогой альтернативы и/или резерва для специальных ареостационарных орбитальных аппаратов). В окрестностях марсианского SHAB предусматривается марсианский коммуникационный терминал, который будет предоставлять высокоскоростные, энергоэффективные услуги пользователям в непосредственной поверхностной среде. Марсианский коммуникационный терминал обеспечивает необходимую эффективную изотропно излучаемую мощность и отношение усиления к шумовой температуре для достижения высокоскоростных каналов связи с марсианскими спутниками-ретрансляторами, а также резервных каналов связи с DSN в случае различных аномалий в работе спутников-ретрансляторов.

3. Цели и задачи

Полевые работы на Марсе. Гибкие и надежные возможности для проведения исследований — ключевые аспекты научных открытий. Фрассанито 2003.

После всестороннего обсуждения Руководящая группа по архитектуре марсианских миссий (MAWG) пришла к выводу, что цели начального этапа освоения Марса человеком целесообразно систематизировать следующим образом:

• Цели I–III (Планетология): Традиционные цели (MEPAG, 2006), направленные на изучение потенциала Марса для существования на нём жизни (Цель I), его современного и древнего климата (Цель II), а также геологии и геофизики планеты (Цель III).

• Цель IV+ (Подготовка к устойчивому присутствию человека): В документах MEPAG (2006) используется термин «Цель IV» для обозначения подготовки к прибытию первых исследователей-людей. По определению, это не может быть целью первых пилотируемых миссий, поскольку к моменту их начала такая подготовка уже должна быть завершена. Тем не менее, одной из задач первых пилотируемых экспедиций является создание условий для последующих миссий в будущем, включая устойчивое присутствие человека на поверхности Марса.

• Цель V (Сопутствующие научные исследования): Данная категория охватывает все научные задачи, не связанные непосредственно с изучением Марса как планеты, включая астрофизику, наблюдения за Солнцем, Землей, Луной и межпланетной средой. Следует отметить, что решение этих задач может иметь важное значение во время перелета к Марсу и возвращения на Землю.

Анализ целей с I по III был подготовлен специальной группой экспертов, созданной при поддержке Аналитической группы Программы исследования Марса (MEPAG) и получившей название «Аналитическая группа по научному обоснованию пилотируемого исследования Марса» (HEM-SAG). Группой HEM-SAG был подготовлен обширный аналитический доклад (MEPAG HEM-SAG, 2008). Раздел 2.2 настоящего отчета (см. также таблицу 3-1) представляет собой краткое изложение этого детального анализа.

3.1. Научные цели планетологии Марса (Цели I–III)

Марс — это разнообразный и сложный мир. Многие сходные процессы и механизмы действуют или действовали как на Земле, так и на Марсе: например, ранняя интенсивная бомбардировка, образование ударных кратеров, наличие планетарного дипольного магнитного поля (по крайней мере, в ранней истории Марса), масштабный и обширный вулканизм, присутствие жидкой воды (H₂O) на поверхности, геохимические циклы, конденсация атмосферных газов с образованием полярных шапок и т.д. Марс, как и Земля, является планетой земной группы с чрезвычайно разнообразными и сложными геологическими особенностями и процессами. Как и Земля, Марс также является возможным местом обитания прошлой и/или современной жизни.

Геологическая летопись свидетельствует о том, что атмосфера и климат Марса на протяжении его истории претерпели значительные изменения. Ранний Марс мог обладать значительно более плотной атмосферой, которая впоследствии была утрачена (Jakosky and Phillips, 2001). Более плотная атмосфера позволила бы существовать жидкой H₂O на поверхности планеты. Современный Марс обладает разреженной (давление у поверхности составляет 6 миллибар) и холодной атмосферой, полностью лишенной жидкой воды на поверхности. Почему Марс так радикально изменился за время своего существования? Как и почему изменялась пригодность для проживания Марса на протяжении его истории? Содержит ли история Марса послание, которое поможет нам лучше понять будущее Земли? Зародилась ли жизнь на раннем Марсе? Есть ли свидетельства ранней жизни в геологической летописи? Существует ли жизнь на Марсе сегодня?

3.1.1. Использование уникальных возможностей человека в научных исследованиях

Важно учитывать уникальные способности, которые люди привносят в процесс исследования Марса. В результате был выявлен общий набор человеческих качеств, применимых к исследованиям в рамках научных дисциплин MEPAG, включающих геологию, геофизику, биологию и климатологию. К таким характеристикам относятся: скорость и эффективность для оптимизации работ на поверхности; ловкость и подвижность для доступа в места, труднодостижимые для роботов, и для преодоления ограниченных степеней свободы современных роботизированных манипуляторов; и, что наиболее важно, врожденный интеллект, изобретательность и адаптивность, позволяющие оценивать ситуацию в реальном времени и импровизировать для преодоления непредвиденных обстоятельств, обеспечивая при этом правильную стратегию отбора проб для получения оптимального набора образцов. Оценка в реальном времени и адаптивность станут особенно важным новым инструментом, который люди на Марсе привнесут в исследование поверхности. Существуют ограничения автономных операций, которые возможно реализовать современными роботизированными системами, причем фундаментальным ограничением прямого управления с Земли является временная задержка связи (от 6 до 20 минут) и малое количество ежедневных сеансов связи на прием и передачу данных.

Таблица 3-1. Свод задач начальной программы пилотируемых миссий на Марс

Цели I–III	Цель IV+	Цель V
Количественная характеристика различных компонентов марсианской геологической системы (в разные периоды геологической истории Марса) и понимание взаимосвязей между этими компонентами (в трех измерениях).	Научиться эффективно использовать марсианские ресурсы, включая обеспечение потребностей экипажа и, по возможности, производство расходных материалов для энергетики и двигательных установок.	Сопутствующие научные исследования (гелиофизика, астрофизика).
Поиск древней жизни на Марсе.	Разработка надежных и устойчивых исследовательских систем. Повышение уровня автономности операций на Марсе.
Достижение прогресса в понимании того, сохранились ли марсианские формы жизни до настоящего времени (существующие биологические процессы).	Решение вопросов планетарной защиты, связанных с устойчивым присутствием человека.
Количественное понимание пригодности для жизни раннего Марса, а также возможных пребиотических биогеохимических циклов и химии раннего Марса.	Содействие развитию партнерств (международных, коммерческих и др.) и поддержание общественной вовлеченности.
Характеристика строения, состава, динамики и эволюции недр Марса (от ядра до коры).
Количественное понимание климатической истории Марса с акцентом на современную климатическую/погодную систему.

Примечания: 1. Перечислены без учета приоритетности. 2. Для Цели V невозможно было дать более конкретные формулировки.

Люди являются уникальными научными исследователями, способными получить на поверхности Марса научные данные, которые ранее были недоступны. Люди также обладают способностью адаптироваться к новым и неожиданным ситуациям в непривычной среде. Они могут принимать решения в реальном времени, обладают развитыми навыками распознавания образов и интеллектом. Находясь на поверхности Марса, люди могут выполнять детальные и точные измерения поверхности, подповерхностных слоев и атмосферы, используя передовое научное оборудование и приборы, доставленные с Земли. Научное исследование Марса людьми, предположительно, будет осуществляться в форме синергетического партнерства между людьми и роботизированными зондами — партнерства, управляемого исследователями-людьми на поверхности Марса.

Роботизированные зонды смогут исследовать местности и объекты, непригодные или слишком рискованные для посещения человеком. Под управлением человека в реальном времени роботизированные зонды смогут преодолевать большие расстояния от жилого модуля, проходя через участки и рельеф, слишком опасные для людей; выполнять деликатные операции по обращению с образцами; а также доставлять образцы горных пород и пыли в жилой модуль для сортировки и лабораторного анализа.

3.1.2. Научные цели для Марса: настоящее и будущее

Наши текущие научные цели по исследованию Марса были подробно описаны MEPAG (2006). Однако при планировании научных задач миссии, которая состоится через 20–25 лет, необходимо также учитывать дополнительные роботизированные миссии, которые, вероятно, будут реализованы до первой пилотируемой экспедиции, а также прогресс, который эти миссии внесут в достижение указанных целей. Мы должны планировать задачи миссии 2030 года, основываясь на прогнозируемом состоянии знаний примерно к 2025 году, а не на наших целях по состоянию на 2008 год. Для целей данного планирования предполагается, что к 2025 году следующие миссии успешно достигнут своих целей: Mars Phoenix (на момент написания находилась в пути к Марсу), MSL (запуск запланирован на 2011 г.), орбитальный аппарат для изучения аэрономии (запуск в 2013 г.), ExoMars (запуск в 2013 г.), по крайней мере еще один научный орбитальный аппарат и миссия по возврату образцов с Марса (MSR). Хотя другие научные миссии, безусловно, будут рассматриваться (самая важная из них — сетевая научная миссия), для целей данного планирования мы не предрешали решения НАСА и включили только те миссии, которые представляются наиболее вероятными.

Комментарий @avshkol о реализованных миссиях

• Mars Phoenix. Phoenix запустили в 2007 году, она успешно села на Марс в 2008-м и выполнила свою программу (в том числе подтвердила наличие водяного льда и обнаружила перхлораты).

• MSL (Mars Science Laboratory). Миссию запустили в 2011 году, марсоход Curiosity совершил посадку в 2012-м. Миссия оказалась крайне эффективной.

• Орбитальный аппарат для изучения аэрономии (MAVEN). Аппарат запустили в ноябре 2013 года, в сентябре 2014-го он вышел на орбиту Марса и приступил к изучению верхней атмосферы планеты, в частности того, как солнечный ветер «сдувает» атмосферу.

• ExoMars. Изначально запуск планировали на 2013 год, но его неоднократно переносили. В итоге первый этап (орбитальный аппарат Trace Gas Orbiter) успешно запустили в 2016 году. Запуск марсохода Rosalind Franklin (второй этап) к 2025 году ещё не состоялся — его перенесли на 2028 год.

• "По крайней мере ещё один научный орбитальный аппарат". Помимо MAVEN, в этот период запустили другие научные орбитальные аппараты. Например, индийский Mangalyaan (Mars Orbiter Mission) — его запустили в 2013 году, и он успешно вышел на орбиту Марса.

• Миссия по возврату образцов с Марса (MSR). Хотя сбор образцов произошёл (марсоход Perseverance с 2021 года накапливал их в титановые трубки), сама миссия по возврату этих образцов на Землю пока не была реализована. Более того, в 2025 году программа столкнулась с серьёзными сложностями: росли затраты, пересматривалась архитектура, возникали бюджетные ограничения. Возвращение образцов теперь планируют ориентировочно в 2030-х годах.

Результаты роботизированных миссий в период до 2025 года дадут ответы на некоторые вопросы из нашего текущего горизонта знаний; эти вопросы будут сняты с повестки дня и заменены новыми — таков научный процесс. Хотя наша способность предсказать результаты будущих миссий и новые вопросы, которые возникнут, ограничена, мы знаем, какие типы данных будут собраны и на какие вопросы эти данные способны ответить. Таким образом, мы можем сделать некоторые общие прогнозы относительно состояния знаний к 2025 году.

Цель I. ОПРЕДЕЛИТЬ, ЗАРОЖДАЛАСЬ ЛИ КОГДА-ЛИБО ЖИЗНЬ НА МАРСЕ

К 2025 году наши оценки потенциальной обитаемости значительно продвинутся для некоторых сред, особенно тех, которые были посещены миссией MSR или роверами с экспериментами по поиску жизни, работающими на местных ресурсах. Однако вполне вероятно, что обитаемость марсианских подповерхностных слоев останется практически неизученной, за исключением геофизических методов.

Задачи, связанные с круговоротом углерода, вероятно, будут частично решены, но это касается прежде всего подповерхностных сред. Для целей данного планирования мы предполагаем, что исследования до 2025 года приведут к одному или нескольким открытиям, которые, согласно гипотезам, связаны с древней жизнью (по аналогии с историей метеорита Аллан-Хиллз, это наиболее вероятный результат миссии MSR). В таком случае мы должны быть готовы к следующим новым задачам:

• Охарактеризовать полный набор биосигнатур древней жизни для подтверждения факта ее существования в прошлом. Интерпретировать ее жизненные процессы и происхождение.

• Оценить защищенные экологические ниши, которые могут служить приютом для существующих форм жизни, сохранившихся до наших дней. Обнаружить эту жизнь и измерить ее жизненные процессы.

• Охарактеризовать пребиотическую химию в древнейших марсианских породах.

Цель II. ПОНИМАНИЕ ПРОЦЕССОВ И ИСТОРИИ КЛИМАТА НА МАРСЕ

К 2025 году наши задачи, связанные с характеристикой атмосферы Марса и его современных и древних климатических процессов, вероятно, будут частично выполнены. Помимо продолжения долгосрочных наблюдений, наши научные вопросы, по всей видимости, будут развиваться в перечисленных ниже направлениях. Особо следует отметить, что если не будет реализована роботизированная миссия к одной из полярных шапок, приоритетность этой научной задачи, вероятно, станет значительно выше, чем сегодня, из-за влияния полярных льдов на климатическую систему.

• Количественное понимание глобальной атмосферной динамики.

• Понимание микроклиматов: диапазон вариаций, причины и механизмы их возникновения.

• Прогнозирование погоды.

• Понимание крупномасштабной эволюции полярных шапок, включая современный энергетический баланс, связь с циклами пыли, диоксида углерода (CO₂) и H₂O, изменения в характере осаждения и эрозии, течение, таяние, возраст и взаимосвязь между двумя шапками.

Цель III. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭВОЛЮЦИИ ПОВЕРХНОСТИ И НЕДР МАРСА

По состоянию на 2006 год в рамках этой цели выделялись две основные задачи:

(1) определить природу и эволюцию геологических процессов, сформировавших и видоизменивших марсианскую кору и поверхность, и

(2) охарактеризовать строение, состав, динамику и эволюцию недр Марса.

Эти задачи сформулированы достаточно широко, чтобы оставаться актуальными и в 2025 году. Например, эти две задачи в настоящее время применяются при изучении Земли, даже после более чем 200 лет геологических исследований, проведенных тысячами геологов. С учетом ожидаемых роботизированных миссий, предшествующих первым пилотируемым экспедициям, первая задача, вероятно, трансформируется следующим образом:

• Количественная характеристика различных компонентов марсианской геологической системы (в разные периоды геологической истории Марса) и понимание взаимосвязей между этими компонентами.

• Понимание полевого контекста различных марсианских объектов геологического интереса как на региональном, так и на локальном уровне.

• Проверка конкретных гипотез.

• Проведение сравнительной планетологии.

Если до первой пилотируемой миссии не будет запущена роботизированная геофизическая сетевая миссия, наш прогресс в решении второй задачи будет минимальным, и она останется одним из важнейших открытых вопросов.

3.1.3. Геологические научные задачи начального этапа освоения Марса человеком

Некоторые из наиболее важных вопросов в рамках целей I-III касаются взаимосвязи H₂O с геологическими и биологическими процессами на Марсе в зависимости от геологического времени. Судя по всему, Марс эволюционировал от потенциально «теплого и влажного» периода в своей ранней ноахийской истории к более позднему «холодному и сухому» периоду амазонийской эпохи.

Поскольку породы разного возраста выходят на поверхность в разных местах на Марсе, понимание этой геологической истории требует программы исследований, охватывающей пространственное разнообразие. Одна из реалий геологоразведочных работ заключается в том, что образцы и выходы пород обычно репрезентативны только для определенной геологической среды, и получение информации о других средах требует перемещения в другое место. (Земным аналогом был бы вопрос о том, сколько мы могли бы узнать о докембрийских гранитах, проводя полевые работы в осадочных породах Великих равнин.) Абсолютный возраст поверхностных единиц на Марсе был определен косвенными методами. Образцы, доставленные с Луны в рамках программы «Аполлон», были использованы для калибровки частотно-размерного распределения кратеров на лунной поверхности (Gault, 1970; Hartman, 1972), и этот метод был применен к Марсу, среди других планет земной группы (Barlow, 1988; Strom, 1992; Neukum, 2001). Хотя это позволило составить общую историю поверхностных процессов Марса, данный метод не позволяет детально изучить конкретные марсианские периоды, в частности гесперийский и амазонийский, когда поток импактных (ударных) событий значительно снизился. Несмотря на то что марсианские метеориты были проанализированы и датированы (Nyquist et al., 2001), отсутствие информации об их геологическом контексте затрудняет их интеграцию в геологическую историю Марса.

Хотя миссия по возврату образцов (MSR) потенциально может предоставить поверхностные образцы с известным контекстом, роботизированная миссия не сможет обеспечить тот спектр оптимальных образцов, который необходим для решения широкого круга фундаментальных вопросов. Пилотируемая миссия может обеспечить доступ к большему количеству образцов, до которых не сможет добраться роботизированный ровер, а способность к анализу и принятию решений в реальном времени гарантирует, что полученные образцы будут наилучшими из доступных.

Исследователи-люди также получат больший доступ к приповерхностным слоям Марса, что позволит получить новые данные о климате и эволюции поверхности, геофизике и, возможно, жизни. Люди смогут эффективнее передвигаться по глыбовым выбросам, что обеспечит доступ к образцам, извлеченным с большой глубины, и откроет окно в более глубокие подповерхностные слои. Люди смогут рыть траншеи в десятках целевых точек и управлять сложным буровым оборудованием, способным бурить на глубину от 500 до 1000 метров. Наши современные знания о коре Марса ограничены верхним метром поверхности, поэтому буровые эксперименты предоставят быстрые и беспрецедентные данные. Бурение в районах формирования оврагов также может позволить проверить модель грунтовых вод путем поиска напорного водоносного горизонта на глубине.

Мы детально проанализировали три различных района для потенциальных исследований в качестве эталонных миссий для первой программы пилотируемого освоения Марса. Эти районы, охватывающие всю геологическую историю Марса (по одному району на каждый период марсианской истории), позволяют проводить исследовательские траверсы для изучения разнообразных поверхностных морфологий, текстур и минералогии с целью решения фундаментальных вопросов, поставленных MEPAG.

3.1.4. Геофизические научные задачи начального этапа освоения Марса человеком

Научные задачи геофизики Марса делятся на две весьма широкие категории: геофизика планетарного масштаба (тысячи километров) и так называемая «разведочная геофизика», которая занимается региональными (десятки-сотни километров) или локальными (<10 км) масштабами. Первая категория включает характеристику строения, состава, динамики и эволюции недр Марса, тогда как вторая касается строения, состава и состояния коры, криосферы, гидрологических систем и верхней мантии. Здесь мы описываем, как эти задачи могут быть решены в ходе исследований, проводимых в рамках пилотируемых миссий. Мы исходим из предположения, что никакие роботизированные миссии на Марс до 2025 года не решат эти научные вопросы в полном объеме. Например, мы предполагаем, что не будет осуществлена сетевая миссия типа ML3N (National Research Council (NRC), 2006). В целом, геофизика Марса выиграет от разнообразия мест посадки, необходимых для достижения геологических и биологических целей.

Для характеристики строения и динамики недр Марса необходимо определить химическую и тепловую эволюцию планеты, включая такие физические параметры, как плотность и температура в зависимости от глубины, состав и фазовые переходы в мантии, положение границы ядро-мантия, профиль теплопроводности и трехмерное распределение массы планеты. Чтобы определить происхождение и историю магнитного поля планеты, необходимо выявить минералы, ответственные за наблюдаемую сегодня остаточную намагниченность, и понять, как и когда были сформированы породы, содержащие эти минералы. Ключевым фактором является необходимость оснащения планеты приборами на соответствующих масштабах: например, глобальные сейсмические исследования опираются на широко разнесенные станции, чтобы можно было наблюдать сейсмические лучи, проходящие через глубокую мантию и ядро. Эта потребность трансформируется в требование наличия нескольких широко разнесенных мест посадки для первых пилотируемых миссий. Если будет выбрано и повторно посещено только одно место посадки, будет получено гораздо меньше информации о недрах Марса. Может быть применен широкий спектр методов разведочной геофизики, включая электромагнитное зондирование для поиска водоносных горизонтов и отражательную сейсмологию для определения локального строения.

Магнитные съемки, проводимые в местах посадки, дают информацию о пространственных масштабах намагниченности коры и увязываются с локальной и региональной геологией для создания контекста.

Требования к геофизическим измерениям охватывают три совершенно разных пространственных масштаба в зависимости от решаемых научных задач. На крупнейших масштабах (тысячи километров) характеристика недр Марса требует широко разнесенной сети, состоящей как минимум из трех установленных центральных геофизических станций, по одной в каждом месте посадки. На региональных масштабах (от десятков до тысяч километров) характеристика строения коры, магнетизма и других параметров требует мобильности для развертывания локальных сетей вокруг места посадки. Наконец, на локальных масштабах (до 10 км) мобильность является ключевым фактором для проведения геофизических исследований вдоль маршрута экспедиции и выполнения измерений (например, сейсмического или электромагнитного зондирования) в конкретных точках вдоль этого маршрута. Центральные геофизические станции и региональные сети будут развернуты и оставлены для автономной работы после отбытия экипажа. Геофизические исследования вдоль маршрутов экспедиций и в отдельных точках будут проводиться только во время пилотируемой миссии, если только они не смогут быть выполнены роботизированными средствами после завершения пребывания человека.

Центральные геофизические станции в каждом месте посадки будут включать пассивные широкополосные сейсмометры, датчики теплового потока, прецизионную геодезическую аппаратуру и пассивные низкочастотные электромагнитные приборы. Спутниковые геофизические станции будут включать узлы региональной сейсмической сети и векторные магнитометры. Вдоль маршрутов экспедиций эксперименты будут проводиться в точках, представляющих интерес. Они будут включать активное электромагнитное зондирование для поиска подповерхностных водоносных горизонтов, активное сейсмическое профилирование для определения строения по глубине и гравиметрические измерения. Радиолокационное зондирование грунта и нейтронная спектрометрия вдоль маршрута экспедиции помогут картировать подповерхностную структуру и состояние гидратации/содержание льда в приповерхностном слое.

3.1.5. Научные задачи по атмосфере и климату начального этапа освоения Марса человеком

В эпоху пилотируемых исследований атмосферные измерения во всех местах посадки будут рассматриваться как важные не только для понимания атмосферы и климата Марса и планирования деятельности человека на поверхности, но и как необходимая характеристика окружающей среды для интерпретации многих биологических и геологических задач. Тенденция к системной науке, отмеченная в MEPAG (2006) как «подход "от поверхности до экзосферы" для мониторинга структуры и динамики марсианской атмосферы», продолжится с большим акцентом на потоки массы, тепла и импульса между тремя компонентами климата Марса: атмосферой, криосферой и поверхностью планеты.

Такой системный подход будет обеспечен благодаря совершенствованию моделей общей циркуляции Марса (global circulation models, GCM), удвоению продолжительности глобальных временных рядов, полученных при мониторинге поверхности и атмосферы Марса с орбиты, новой информации о вертикальной структуре атмосферы от аппаратов Mars Express и MRO, новым ожидаемым глобальным наборам данных по аэрономии, составу атмосферы и ветрам; а также благодаря сетевой науке и скоординированным кампаниям «посадочный модуль - орбитальный аппарат», таким как запланированная кампания Phoenix-MRO. В 2007 году тенденции в разработке марсианских GCM направлены на сопряжение верхней и нижней атмосферы, интеграцию с моделями реголита, объединение моделей атмосферной химии и динамики, а также создание многоуровневых вложенных моделей, где мелкомасштабные взаимодействия «поверхность–атмосфера» могут изучаться в контексте глобального переноса и ассимиляции данных. Модели пока не смогли воспроизвести наблюдаемый марсианский пылевой цикл с активным переносом пыли. Информация о профилях температуры и ветра на высотах между верхней точкой инструментальных мачт и свободной атмосферой, вероятно, останется скудной или отсутствующей.

Понимание прошлого климата Марса выиграет от ожидаемых новых знаний о текущих скоростях утечки атмосферы, которые будут получены от миссии Mars Aeronomy Scout 2013 года. Однако значительного прорыва в такой ключевой области, как доступ к стратиграфической летописи полярных регионов, не ожидается в десятилетия, предшествующие пилотируемому освоению. Поэтому в 2030 году это останется одной из высших приоритетных задач MEPAG. С другой стороны, изучение палеоклиматических параметров, запечатленных в древней геологической летописи (например, от ноахийского до амазонийского периодов), также относится к высоким приоритетам MEPAG, что напрямую связано с раскрытием древних климатических условий Марса посредством физической (например, геоморфологической и/или седиментационной), петрологической, минералогической и геохимической (включая изотопную) характеристики полученного материала.

Акцент атмосферных измерений в рамках пилотируемых миссий, вероятно, будет сделан на процессах в планетарном пограничном слое (planetary boundary layer, PBL), простирающемся от поверхности до высоты 2 км, где взаимодействия «поверхность-атмосфера» оказывают фундаментальное влияние на динамические, химические и аэрозольные характеристики глобальной атмосферы Марса. Для PBL важны все пространственные масштабы турбулентного обмена, от сантиметров до километров, и как в горизонтальном, так и в вертикальном измерениях.

Именно широкое разнообразие пространственных масштабов и определяющая роль приповерхностных процессов приводят к фундаментальным ограничениям орбитального дистанционного зондирования: полевые кампании на поверхности по-прежнему остаются основным направлением исследований атмосферного пограничного слоя на Земле для понимания мелкомасштабной изменчивости. Через нелинейные процессы мелкомасштабная изменчивость может существенно влиять на глобальный климат. Атмосферные наблюдения, проводимые человеком, могут обеспечить оптимальный доступ к PBL на месте и дистанционными методами, а также охарактеризовать локальные условия окружающей среды в поддержку операций с участием человека.

Динамика атмосферы. Это направление важно, поскольку оно определяет базовую тепловую структуру марсианской атмосферы, глобальный перенос летучих веществ (CO₂, H₂O, пыль) и поддержание марсианских полярных ледяных шапок, причем все эти параметры варьируются в сезонных и межгодовых масштабах. Хотя к моменту первых пилотируемых миссий будет достигнут значительный прогресс в нашем понимании этих процессов, наблюдательные ограничения, вероятно, останутся существенными, особенно для приповерхностной атмосферы. Это отражает как ограничения орбитального дистанционного зондирования, так и ограниченное количество ожидаемых роботизированных посадочных модулей и роверов. Специализированные наблюдения за профилем поверхностного давления, температуры, ветра и пыли в PBL с помощью распределенных поверхностных станций составляют ключевой приоритет пилотируемых исследований динамики атмосферы Марса.

Атмосферная пыль. Атмосферный нагрев, связанный с пылью, усиливает глобальную атмосферную циркуляцию и также усиливает приповерхностные ветры, что, в свою очередь, увеличивает подъем поверхностной пыли в атмосферу. Ярким результатом этой радиационно-динамической обратной связи является повсеместная эоловая активность на Марсе, при которой значительный подъем и перенос пыли происходят в широком диапазоне пространственных и временных масштабов. Они варьируются от почти непрерывной активности пылевых вихрей до региональных пылевых бурь, происходящих каждый марсианский год, и до глобальных пылевых бурь, которые могут случаться раз в три-четыре марсианских года (Cantor et al., 2001). Следовательно, атмосферная пыль играет главную роль в пространственной и сезонной тепловой структуре и циркуляции атмосферы Марса, а также в ее изменчивости. Остается неясным, ограничивается ли глобальное распределение поверхностной пыли атмосферным переносом или само влияет на него. Наблюдения на месте за поверхностным потоком пыли (подъем и осаждение), размерами частиц, радиационными свойствами и вертикальными профилями в PBL являются первоочередными задачами пилотируемых исследований атмосферной пыли. Кроме того, понимание изменчивости шкалы высот атмосферной плотности, вызванной пылью, является важным вопросом для правильной разработки будущих систем входа в атмосферу, спуска и посадки.

Атмосферная вода: Атмосферная H₂O в виде пара и ледяных облаков играет значительную роль в атмосферной химии, радиационном воздействии пыли и климатическом балансе. Продукты фотолиза атмосферного водяного пара определяют содержание малых составляющих атмосферы Марса (Nair et al., 1994). Облака водяного льда давно ассоциируются с крупными топографическими объектами, осенними полярными капюшонами и разнообразными волновыми структурами облаков (Kahn, 1984). Выявлено, что существование пояса облаков в районе афелия на низких широтах оказывает значительное влияние на вертикальное распределение атмосферной пыли и водяного пара (Jakosky and Farmer, 1983), а также на меридиональный перенос атмосферной H₂O (Clancy et al., 1996). Атмосферный обмен с отложениями водяного льда в полярных шапках доминирует в сезонных вариациях содержания водяного пара в атмосфере, тогда как атмосферный обмен с подповерхностным льдом и адсорбированной H₂O на более низких широтах остается неопределенным. Пилотируемые исследования атмосферной H₂O, вероятно, сосредоточатся на измерениях вертикального профиля в PBL, которые трудно выполнить методами орбитального дистанционного зондирования. Отбор кернов из подповерхностных слоев для анализа адсорбированной H₂O и отложений водяного льда (зависящих от конкретного места) также является ключевой задачей по изучению марсианской воды, уникальным образом облегчаемой измерениями, проводимыми человеком.

Химия атмосферы: Микроэлементный химический состав современной марсианской атмосферы отражает фотохимические циклы, связанные с основными атмосферными компонентами CO₂, H₂O и азотом (N₂); а также, возможно, неравновесную химию, связанную с потенциальными подповерхностными источниками и стоками метана (CH₄), диоксида серы (SO₂) и перекиси водорода (H₂O₂) (Levine, 1985; Yung and DeMore, 1999). Некоторые из этих соединений могут быть необходимы для поддержания скрытой марсианской биосферы через прямые или косвенные биохимические пути (например, атмосферные окислители могут использоваться в качестве акцепторов электронов для микробного метаболизма, тогда как восстановительные газы, такие как CH₄, могут быть донорами электронов). Определения пространственных и сезонных вариаций микроэлементного состава атмосферы остаются предварительными. Наиболее проблематичными измерениями малых составляющих, как с наблюдательной, так и с модельной точки зрения, являются недавно заявленные обнаружения значительных концентраций атмосферного метана (Formisano et al., 2004; Krasnopolsky et al., 2004). Наблюдения химии атмосферы, проводимые человеком, вероятно, будут сосредоточены на обнаружении локальных повышений концентраций CH₄, SO₂, сероводорода (H₂S), цианистого водорода (HCN) или H₂O₂, связанных с локализованными областями источников, специфичными для геологии, геофизики или биологии данного места.

Электрические явления: Экспериментальные и теоретические исследования механизмов трибоэлектрического заряда в метеорологических явлениях малого и крупного масштаба указывают на то, что Марс, весьма вероятно, обладает электрически активной атмосферой вследствие процессов подъема пыли всех масштабов, включая пылевые вихри и пылевые бури. Электрические явления влияют на освоение Марса человеком и окружающую среду как источник постоянной и эпизодической энергии. Дифференциальная зарядка в присутствии наэлектризованной пыли между отдельными объектами, которые затем входят в контакт и вызывают разряд, может напрямую повредить электронику или нарушить радиосвязь. Адгезия пыли также может определяться электрическими эффектами, что имеет последствия с точки зрения ее проникновения в жилой модуль/среду обитания человека, где могут вступить в силу другие факторы (токсичность, трение в уплотнениях/механизмах и т. д.). В настоящее время измерения электрических зарядов в атмосфере Марса отсутствуют. Уже только из соображений операционной безопасности базовые измерения условий заряда электричеством марсианской поверхности должны быть получены до начала деятельности человека. Измерения атмосферного заряда электричеством внутри активных пылевых вихрей, проводимые человеком, особенно важны для понимания динамического времени отклика, связанного с возникновением и движением пылевых вихрей.

3.1.6. Биологические научные задачи / поиск жизни на начальном этапе освоения Марса человеком

Биологические исследования на Марсе, проводимые с участием человека, будут сосредоточены на отборе образцов и выполнении измерений для ответа на вопрос: зарождалась ли когда-либо жизнь на Марсе? Эта цель согласуется с целями и приоритетами MEPAG 2006 года, и мы не ожидаем изменения этой цели в ближайшие 30 лет.

Поиск жизни на Марсе можно условно разделить на две большие части:

(1) поиск доказательств прошлой жизни на Марсе, артефакты которой могут присутствовать и ныне, либо нет; и

(2) поиск современной (существующей) жизни.

Оба направления основывались и будут продолжать основываться на поиске H₂O, поскольку вся жизнь на Земле нуждается в воде для выживания. Обильные доказательства прошлой активности H₂O на поверхности Марса (например, реки, озера, выходы грунтовых вод) сделали Марс сильным кандидатом на роль второй планеты в нашей Солнечной системе, имеющей историю жизни. С ростом наших знаний о предельных условиях, в которых организмы могут выживать на Земле, особенно в глубоких подповерхностных слоях, вопрос о том, существует ли марсианская жизнь сегодня, стал логичной и имеющей право на существование научной задачей.

Национальному исследовательскому совету (NRC) недавно было поручено провести исследование по разработке «современной интегрированной стратегии астробиологии для исследования Марса, которая объединяет все нити этой разносторонней темы в единый источник для планирования научных миссий». Этот отчет NRC, опубликованный в 2007 году, называется «Стратегия астробиологии для исследования Марса» (NRC, 2007). Хотя в этом отчете не рассматривалось, как проводить научные исследования с участием людей, мы в значительной степени опираемся на него и более ранние документы MEPAG, чтобы представить срезы текущего мнения научного сообщества об астробиологических исследованиях на Марсе.

Как отмечает NRC (2007), поиск жизни на Марсе требует широкого понимания Марса как интегрированной планетарной системы. Такое комплексное понимание требует исследования следующего:

1. Геологическая и геофизическая эволюция Марса;

2. История летучих веществ и климата Марса;

3. Природа поверхностной и подповерхностной среды Марса;

4. Временное и географическое распределение H₂O;

5. Доступность других ресурсов (например, энергии), необходимых для поддержания жизни; и

6. Понимание процессов, управляющих каждым из перечисленных выше факторов.

Многие из этих исследований уже активно ведутся роботизированными средствами и будут усилены благодаря будущим роботизированным миссиям и миссиям по возврату образцов.

3.1.7. Поиск существующей жизни

NRC (2007) предлагает ряд высокоприоритетных целей, основанных на доказательствах наличия современной или недавней с геологической точки зрения H₂O вблизи поверхности. Эти цели включают исследование следующх локаций:

1. Поверхность, недра и края полярных шапок;

2. Холодные, теплые или горячие источники, либо подземные гидротермальные системы; и

3. Области истоков или стока, связанные с приповерхностными водоносными горизонтами, которые могут быть ответственны за формирование «оврагов», наблюдаемых на поверхности Марса.

Аналитическая группа по особым районам MEPAG (2006) отметила, что места, где могла присутствовать недавняя H₂O, могут также включать некоторые отложения средних широт, указывающие на наличие неглубокого подповерхностного льда. Условия в верхних 5 метрах марсианской поверхности считаются крайне ограничивающими возможности существования жизни. К лимитирующим факторам относятся также высокий уровень ультрафиолетового излучения и предполагаемое наличие окислителей, а также то, что большая часть поверхности находится ниже пределов активности H₂O и температуры, необходимых для жизни на Земле. По этим причинам обнаружение доказательств существующей жизни вблизи поверхности Марса, вероятно, будет затруднено, и поиск почти наверняка потребует доступа к подповерхностным слоям. Это также было ключевой рекомендацией NRC (2007).

3.1.8. Поиск прошлой жизни

NRC (2007) перечисляет объекты и локации, имеющие отношение к геологически древней H₂O (и, соответственно, к возможности существования прошлой жизни), включая следующие:

1. Области истоков или стока каналов, образовавшихся в результате сильных наводнений;

2. Древние высокогорья, сформировавшиеся в то время, когда поверхностная H₂O могла быть широко распространена (например, в ноахийский период); и

3. Отложения минералов, связанные с поверхностной или подповерхностной H₂O, либо с древними гидротермальными системами, холодными, теплыми или горячими источниками.

3.2. Задачи, связанные с подготовкой к устойчивому присутствию человека (Цель IV+)

Цель IV по классификации MEPAG интерпретируется как подготовка к прибытию первых исследователей-людей, поэтому по определению она будет завершена до попытки реализации первоначального набора пилотируемых миссий, либо будет показано, что данная деятельность не требуется. Мы используем обозначение «Цель IV+» для подготовки к устойчивому присутствию человека на Марсе, выходящему за рамки набора миссий DRA 5.0. Конкретные задачи в рамках Цели IV+ могут выполняться либо в контексте миссий DRA 5.0, либо в рамках предшествующей роботизированной программы. Набор сценариев включает развитие знаний, возможностей и инфраструктуры, необходимых для жизни и работы на Марсе, с акцентом на создание устойчивого присутствия человека.

Декомпозиция основных задач Цели IV+

Четыре основные области задач Цели IV+:

• Пригодность Марса для человека / Использование местных ресурсов (ISRU),

• Разработка исследовательских систем,

• Операционные возможности и

• Прочее.

В каждой из этих областей выделяется несколько категорий задач нижнего уровня, как показано в таблице 3-2.

Таблица 3-2. Декомпозиция задач Цели IV+

Пригодность для жизни / ISRU	Разработка исследователь-ских систем	Операционные возможности	Прочее
Здоровье человека	Общая инфраструктура	Поддержка деятельности экипажа	Планетарная защита
Характеристика окружающей среды	Операционный мониторинг окружающей среды		Сохранение исторического наследия
Снижение экологических рисков	Системы жизнеобеспечения		Коммерческая деятельность
Использование марсианских ресурсов	Системы обитания / ISRU		Глобальное партнерство
	Системы для внекорабельной деятельности (EVA)		Вовлечение общественности
	Энергоснабжение
	Связь
	Положение, навигация и время
	Транспорт
	Передвижение по поверхности
	Эксплуатация, испытания и верификация

3.2.1. Задачи обеспечения устойчивости для первых пилотируемых миссий на Марс

В рамках каждой из четырех основных областей Цели IV+ исследовательская группа определила прогнозируемые задачи освоения Марса для пилотируемых миссий с первой по третью. Они заключаются в следующем:

1.  Пригодность для жизни: В области пригодности / ISRU выделены три задачи.

Первая — развитие возможностей обеспечивать потребности экипажа за счет местных ресурсов. Примером может служить производство продуктов питания на месте (in situ).

Вторая — развитие возможностей извлекать расходные материалы для энергетики и двигательных установок из местных ресурсов. Это может быть достигнуто путем переработки марсианской атмосферы или реголита методами ISRU для производства метана или других химических веществ, необходимых для энергетических и двигательных технологий.

Третья задача — разработка и испытание возможностей, требуемых для изготовления и ремонта in situ. Это может быть реализовано путем производства запасных частей для элементов инфраструктуры на поверхности Марса из сырья, доставленного с Земли, или путем повторного использования деталей от других элементов инфраструктуры, которые больше не эксплуатируются (например, посадочная ступень, используемая для посадки на поверхность).

2.  Разработка систем: Область разработки исследовательских систем включает три задачи, все из которых связаны с созданием надежных и устойчивых космических систем, обеспечивающих постепенное и безопасное наращивание возможностей.

Первая такая возможность — увеличение числа людей, жизнедеятельность которых может поддерживать марсианская инфраструктура. Разрабатываемые исследовательские системы также будут работать над увеличением продолжительности времени, в течение которого люди могут безопасно жить на планете.

Еще одним направлением станет постепенное расширение диапазона мобильности, предоставляемого прибывающим экипажам. По мере реализации и созревания каждой из этих возможностей значительно возрастает потенциал для еще более масштабных исследований, науки, открытий и новых технологий.

3.  Автономность: Уровень автономности операций марсианских миссий также должен расти, что и является задачей в области операционных возможностей. Из-за сложности процедур, задержки связи и других факторов экипаж, работающий на поверхности Марса, должен быть независим от поддерживающего персонала, находящегося на Земле. Эти земные команды, конечно же, должны быть доступны для оказания помощи в нештатных ситуациях. Однако сложности марсианской миссии требуют рассмотрения такого уровня повседневной автономии, который в настоящее время отсутствует в миссиях Space Shuttle и МКС.

4.  Прочие задачи: Исследование выявило три «прочие» задачи, касающиеся планетарной защиты, партнерств и вовлечения общественности. В отношении этих задач:

• Необходимо соблюдать особую осторожность, чтобы не загрязнить природную среду в местах, где научные измерения требуют стерильных образцов, а также любые зоны, в которых будет находиться экипаж, для защиты его здоровья.

• Устойчивое присутствие человека на Марсе потребует развития партнерств. Содействие соглашениям и сотрудничеству между государственными, международными, коммерческими и другими организациями станет естественным вызовом.

• Еще одна задача в этой области — обеспечение и поддержание вовлеченности общественности. Освоение Марса и создание устойчивого присутствия человека на нём, очевидно, являются грандиозным предприятием, требующим долгосрочной и постоянной поддержки общества.

3.3. Задачи, связанные с другими классами научных исследований (Цель V)

Потенциальные научные задачи, подходящие для первых пилотируемых миссий на Марс, выходят за рамки исключительно научного исследования Марса как планеты или подготовки к устойчивому присутствию человека. Как уникальный планетарный объект, Марс важен для изучения всей Солнечной системы, включая ее эволюцию под влиянием Солнца (гелиофизика), и для изучения Солнечной системы как важного образца звездной эволюции (астрофизика), а также для других научных дисциплин. Кроме того, Марс может стать уникальным местом для проведения определенных астрофизических наблюдений.

3.3.1. Гелиофизика марсианской среды

Марсианская система, как архив эволюции Солнечной системы (космический климат) и пример планетарных интерфейсов, реагирующих на непосредственное солнечное воздействие (космическая погода), представляет большой интерес для науки гелиофизики. Эти воздействия варьируются от солнечной иррадиации и высокоэнергетических частиц, облучающих поверхность планеты, до солнечного ветра и магнитных полей, вызывающих возмущения в марсианской атмосфере и ионосфере. Марс также представляет собой важный ключевой пример фундаментальных гелиофизических процессов, влияющих на обитаемость планет. Поскольку космическая среда важна для безопасности и продуктивности людей и их технологических систем как на Марсе, так и во время перелета, крайне важно, чтобы мы отслеживали гелиофизические условия между Землей и Марсом и понимали влияние Солнца на марсианскую атмосферу, что актуально для аппаратов на орбите Марса или проходящих через атмосферу к поверхности. Важной вспомогательной задачей является понимание влияния планетарной плазмы и магнитных полей, а также их взаимодействия с плазмой солнечного ветра.

3.3.2. Космическая погода

Солнце и межпланетная среда, пронизывающая нашу Солнечную систему, а также Вселенную в целом, состоят преимущественно из плазмы. Это приводит к широкому набору физических процессов и взаимодействий, включая сложные обмены с нейтральными газовыми оболочками планет. Готовясь к путешествию через эту среду, люди-исследователи должны предвидеть и готовиться к встрече с опасными условиями, возникающими из-за ионизирующего излучения. Мы должны разработать стратегии снижения рисков и в целом понять множество процессов, происходящих при столь широком диапазоне параметров и граничных условий. Мы должны уметь предсказывать поведение сложных систем, создающих опасные условия, с которыми столкнутся экипажи. Опасности в планетарных средах должны быть поняты, охарактеризованы и смягчены. Мы также должны понимать, как космическая погода влияет на планетарные среды, затрагивающие исследовательскую деятельность, от вывода космических аппаратов на низкую околоземную орбиту до переходных орбит, и вплоть до входа в атмосферу, спуска и посадки (entry, descent, and landing, EDL) на Земле и Марсе.

Надежная связь и навигация для космических аппаратов и экипажей на поверхности потребуют улучшенного понимания ионосфер как Земли, так и Марса. Хотя Солнце и его изменчивость управляют этими средами, внутренние процессы отклика планет на них также должны быть изучены. Среди множества вопросов, на которые нужно ответить, пожалуй, наиболее значимы следующие:

• Каковы средние условия, изменчивость и экстремумы радиационной и космической среды для исследования Марса?

• Как радиационная обстановка меняется в пространстве и времени, и как ее следует мониторить и прогнозировать для обеспечения ситуационной осведомленности во время исследований?

• Каково относительное воздействие солнечных энергетических частиц и космического излучения за различными экранирующими материалами, которые используются и встречаются на пути, и как этот воздействие изменяется?

3.3.3. Лазерная дальнометрия для астрофизики

Хотя наблюдения из свободного космоса сулят нам прогресс в широких областях астрофизики, некоторые исследования могут быть обеспечены инфраструктурой и возможностями пилотируемой миссии на Марс.

Среди наиболее перспективных в этом отношении — эксперименты по лазерной дальнометрии для проверки определенного класса альтернативных (общей теории относительности) теорий гравитации. Такие эксперименты становятся еще более ценными, если рассматривать их в контексте архитектуры пилотируемых полетов на Марс. Измерения на длинной базе, обеспечиваемые лазерной дальнометрией с Марса, предоставляют уникальную возможность, которая не может быть реализована в свободном космосе или в рамках лунной архитектуры.

3.4. Итоговые выводы по целям и задачам

В ходе разработки Базовой архитектуры исследования Марса 5.0 группе HEM-SAG были предложены для рассмотрения варианты, основанные на накопленном опыте предыдущих исследований пилотируемых марсианских миссий. Эти варианты были разработаны с целью улучшения понимания взаимосвязи между различными целями и задачами исследований и предлагаемыми в результате подходами к их достижению. Обсуждения в рамках HEM-SAG привели к следующим итоговым выводам:

• Для первых трех миссий необходимо три разных места или одно и то же? За последнее десятилетие исследование Марса роботизированными орбитальными аппаратами, посадочными модулями и роверами показало, что Марс — это планета огромной сложности и разнообразия. Это разнообразие и сложность предоставляют людям на поверхности Марса уникальную возможность для получения данных и проведения измерений, которые не могут быть реализованы только лишь роботизированными зондами. Для эффективного использования возможностей исследователей-людей в решении этих научных вопросов первые три пилотируемые миссии на Марс должны быть направлены в три разные географические локации. Однако задачи Цели IV+ лучше всего подходят для повторных посещений выбранного конкретного места на Марсе. Повторные посещения позволят нарастить инфраструктуру, что принесет пользу долгосрочным миссиям в рамках Цели IV+. Это наращивание обеспечит экипажи дополнительными системами, такими как объём обитаемых модулей, средства передвижения и научное оборудование. Наличие этих систем и потенциальных запчастей также может снизить объём материально-технического снабжения, необходимого для долгосрочных миссий.

• Кратковременное пребывание (30 дней) или длительное пребывание (500 дней)? Очевидно, что продуктивность миссий многократно возрастает в сценарии с 500-дневным пребыванием по сравнению с 30-дневным. Это особенно верно для научных задач, связанных с геологией и поиском жизни, где нам необходимо максимизировать время, которое астронавты тратят на изучение горных пород и сбор разнообразных образцов. Более длительное пребывание позволяет полнее охарактеризовать определенные параметры окружающей среды и получить более длинный базовый ряд измерений. Эти специфические и долгосрочные знания будут иметь важное значение для разработки стратегий мониторинга здоровья и снижения рисков как для экипажа, так и для элементов инфраструктуры. И. наконец, системы, необходимые для длительного пребывания, лучше поддерживают будущие долгосрочные миссии, с целью устойчивого присутствия человека на Марсе.

• Мобильность. Достижение указанных научных целей потребует мобильности. Хотя разные возможные места посадки имеют различные пространственные взаимосвязи, можно оценить, что способность преодолевать расстояния в радиусе нескольких сотен километров обеспечит большой спектр вариантов для выбора места посадки.

• Доступ к подповерхностным слоям. Возможно, потребуется глубокое бурение в диапазоне от 100 до 1000 метров, в зависимости от места бурения и его цели.

• Научное исследование возвращенных образцов. Поскольку пилотируемые миссии на Марс подразумевают возвращение обратно, они естественным образом подходят для научных исследований возвращенных образцов. Чтобы максимизировать ценность коллекции возвращенных образцов, необходимо иметь лабораторию в жилом модуле для двух целей: (1) помощь в руководстве полевыми стратегиями на Марсе и (2) обеспечение высокого качества образцов, подлежащих возврату. Кондиционирование и сохранение образцов будут иметь важнейшее значение. Минимальная масса образцов для возврата на Землю подлежит уточнению, предполагается, что она может составлять до 250 кг.

• Приборы, работающие после отбытия людей. Несколько типов мониторинговых станций должны быть сконфигурированы таким образом, чтобы они могли продолжать работу после отлета астронавтов. В этот ряд нужно включить сетевые станции для сейсмического мониторинга и долгосрочного мониторинга климата.

• Планетарная защита. Воздействие исследователей-людей и потенциальное «человеческое загрязнение» марсианской среды в процессе поиска современной жизни на Марсе — это проблема, требующая дополнительного изучения и оценки, и она должна быть решена до первой высадки человека на Марс.

Учитывая, что проектирование миссий на Марс ограничено вариантами либо «кратковременного» либо «длительного» пребывания (см. раздел 6), и предполагая, что начальное пилотируемое исследование Марса включает программу, состояющую из трёх миссий, ключевым компромиссом здесь является продолжительность одной миссии и вопрос о том, отправляются ли миссии в одно и то же или в разные места. С точки зрения наших научных целей ясно, что максимальный прогресс будет получен в случае посещения нескольких мест и максимизации времени пребывания в этих местах. Тот же аргумент относительно разнообразия мест выдвигался и был принят во внимание в ходе программы «Аполлон». Более длительное время пребывания необходимо, потому что геология Марса во многих местах имеет сложности, для разрешения которых потребуется значительное время. Если мы хотим задействовать уникальные качества исследователей-людей, нам нужно дать им достаточно времени для работы на с породами, выходящими на поверхность.

4. Транспортные системы

Усовершенствованная двигательная установка — изображение марсианского транспортного корабля с двигателями NTR на низкой околоземной орбите перед стартом. Исследовательский центр Гленна 2007 год.

(Перевод текста будет выложен по мере готовности)

Рисунок 4-1. Траектории движения груза и экипажа в рамках миссии 2037 года.

(Перевод текста будет выложен по мере готовности)

Рисунок 4-2. Сводная таблица дельта-V по траектории для эталонных миссий класса «Соединение».

(Перевод текста будет выложен по мере готовности)

Рисунок 4-3. Типовая ракета-носитель Ares V.

(Перевод текста будет выложен по мере готовности)

Рисунок 4-4. Характеристики полезной нагрузки ракеты-носителя (конфигурация 45.0.2).

(Перевод текста будет выложен по мере готовности)

Рисунок 4-5. Концепции дизайна NTR для пилотируемых и грузовых перевозок.

(Перевод текста будет выложен по мере готовности)

Рисунок 4-6. Концепции химических/аэротормозящих грузовых и пилотируемых МВП.

(Перевод текста будет выложен по мере готовности)

Рисунок 4-7. Подъем марсианской спускаемой капсулы и полезной нагрузки в вертикальной подъемной башне.

(Перевод текста будет выложен по мере готовности)

Рисунок 4-8. Исследовательский аппарат экипажа «Орион».

(Перевод текста будет выложен по мере готовности)

Рисунок 4-9. Результаты оценки TPS Orion.

(Перевод текста будет выложен по мере готовности)

Рисунок 4-10. Распределенные значения скорости нагрева на этапах аэродинамического торможения и входа в атмосферу.

(Перевод текста, изображений и схем будет выложен по мере готовности)