НАСА объявило новые сроки для программы ARM

В НАСА уточнили сроки высадки астронавтов на астероид –
точнее сроки посещения двумя астронавтами булыжника у Луны

Сообщение о планах НАСА по программе ARM (Asteroid Redirect Mission — миссия по перенаправлению астероида) в нашей печати ^[1] не вызвало особого интереса.
Суть новости в наших СМИ: сроки по запуску буксира для полета к астероиду и захвата там булыжника (для перевозки его на орбиту Луны) теперь сдвинуты с 2019 на 2021, сроки полета астронавтов к этому булыжнику сдвинулись с 2024 на декабрь 2026 ^[2].

Причина отсутствия широкого интереса проста: сколько раз НАСА меняло сроки? Никому это уже не интересно…
Тенденцию по сдвигу сроков и неуверенное финансирование уже обсуждали — об этом в разделе Космонавтика уже подробно писали (на примере разработки корабля «Орион») в 2014 году ^[3].
Тогда сдвиг пилотируемого полета на 2024 казался провалом.
Теперь он «провалился» ещё на пару лет в будущее…

В американских СМИ проскальзывают намеки на то, что последние сдвиги в датах связаны и с «саботажем» со стороны нижней палаты американского парламента, которые требуют свернуть проект ARM и переориентировать усилия НАСА на Луну (работу на её поверхности). Об этом я уже писал тут ^[4].
Так, начальник программы АRМ Мишель Гейтс (Michele Gates ^[5]) отметилась в статье SpaceNews ^[6]своими намеками:

Несмотря на то, что она в своей речи на конференции прямо не упоминала о языке общения Палаты Представителей парламента, она намекнула на вызовы, с которыми столкнулась программа. «Процесс ещё более политически ангажированный, чем я когда-либо видела» — сказала она про всю процедуру выбивания денег под программу НАСА.

В американских СМИ есть сообщения важнее сроков и подковерной борьбы НАСА (до сих пор под впечатлением от целей, жестко поставленных президентом Обамой в 2010 ^[7]) и группы депутатов парламента (до сих пор надеющихся развернуть НАСА к лунным миссиям). Это три новости:

Во-первых: цель программы ARM (сам астероид, откуда буксир заберет булыжник) ещё не выбрана – её определят в конце 2020 или в начале 2021 года!
Сейчас НАСА определяется в списке из 4 астероидов: Itokawa ^[8], Bennu ^[9], 2008 EV5 ^[10] (на русском в Википедии его нет), 1999 JU3 ^[11]. На первом астероиде (точнее куче мусора, под действием гравитации сомкнувшейся в что-то вроде астероида) точно есть булыжники нужного размера – там был японский космический аппарат «Хаябуса» ^[12], брал оттуда пробы грунта и заснял пейзажи.

Во-вторых: Ракета для запуска буксира ещё до сих пор не выбрана, рассматриваются 4 варианта, два из которых ещё не летали.

В третьих: Вторая часть программы ARM, пилотируемая миссия Asteroid Redirect Crewed Mission (ARCM) похоже будет основана на старой, доброй миссии ЕМ-2 для проверки корабля «Орион». Т.е. вместо планового испытания нового корабля «Орион» в первой пилотируемой миссии с полным экипажем на орбите Луны (под названием EM-2) будет полет к булыжнику. Две миссии в одном флаконе — прямая экономия.
И вроде экипаж в этом полете будет урезан с 4 до 2 человек. Однако, под вопросом окажется безопасность экипажа, который будет выполнять столь сложную миссию на недостаточно проверенном в деле корабле «Орион».

SLS и Orion — испытательные полеты

Тут не обойтись без экскурса в историю будущей сверхтяжелой ракеты SLS ^[13] и корабля Orion ^[14] (Орион):

Для их проверки НАСА задумала сначала одну беспилотную миссию: Exploration Flight Test 1 или EFT-1 ^[15] по запуску корабля «Орион» (с помощью обычной ракеты Delta IV Heavy ^[16], так как ракета SLS была ещё не готова) на высокую орбиту. Затем корабль «Орион» возвращался входом в атмосферу со скоростью 8.9 км/сек. Эта миссия прошла успешно 5 декабря 2014 года.

По плану НАСА должны состоятся ещё две миссии ^[17] именно для проверки связки ракета-корабль SLS и Orion. В 2012 году было решено: будет два полета в окололунном пространстве: один беспилотный – SLS-1 (EM-1 – Exploration Mission — Исследовательская Миссия), один с 4 астронавтами – SLS-2 (EM-2).

SLS-1 / EM-1: беспилотный облет Луны кораблем «Орион» в 2017 или 2018

17 декабря 2017 или в сентябре 2018 года эта миссия начнется стартом новой ракеты SLS, с кораблем «Орион» к Луне.
Утверждается, что задержка в выполнении этой миссии вызвана тем, что и ракета SLS и корабль Orion на всякий случай разрабатывались и для доставки космонавтов на МКС и для эвакуации оттуда ^[18]. Но для этого они слишком дороги и велики — это всё равно, что мебельные гвоздики кувалдой забивать. Для полетов на МКС скорее будут использовать ракету и корабль от частной компании SpaceX: Falcon 9 и Dragon. Сам Билл Герштенмайер (Bill Gerstenmaier) — начальник пилотируемых программ НАСА — настаивает, что сначала никаких планов по использованию корабля «Орион» как транспорта к МКС не было!
Выведение корабля на путь к Луне может осуществляться целым набором различных кандидатов ^[19] на роль верхней 3-ей ступени (разгонного блока). Это верхние ступени от ракет Delta IV или Atlas.
Главное, чтобы эту ступень, названную в проекте Interim Cryogenic Propulsion Stage (ICPS — Временная/промежуточная Криогенная Реактивная Ступень), оплатили и поставили в космический центр им. Кеннеди (Флорида) не позже 4 квартала 2016.

Фаворитом среди кандидатов считается Delta Cryogenic Second Stage ^[20] (DCSS – на картинке нижняя) – это 2-ая ступень ракеты Delta IV Heavy, весом около 30.7-32.4 тонны.
Про саму ракету Delta IV Heavy в разделе Космонавтика недавно был интересный материал ^[21].

Эта дополнительная ступень обеспечит доразгон корабля «Орион» вместе с агрегатным отсеком ATV (общим весом около 24.2 тонн) с очень неудобной временной орбиты (параметры 1800 х 93 км выбраны для безопасного удаления с орбиты второй ступени SLS) на более нормальную. Эта же ступень должна обеспечить дельта-V в 3050 м/сек за три импульса/коррекции (ускорение в каждом не больше 2 g), в результате посылая корабль (с доп-нагрузкой в виде 13 мини-спутников типа CubeSat ^[22]) к Луне. Фазы пассивного полета, без работы двигателей, составляют 50-270 минут между 1-ым и 2-ым импульсом, и пока ещё не определены между 2-ым и 3-им импульсом. От этого разгонного блока также требуется возможность выдать «прощальный» импульс в районе 50 м/сек после разделения с «Орионом», чтобы не лететь рядом с ним к Луне, давя на нервы экипажа опасностью столкновения (в своё время в аналогичной ситуации в разы большая третья ступень S-IVB ракеты «Сатурн-5» сильно раздражала капитана «Аполлона-8» ^[23] Бормана — после совещания с ЦУП корабль пропустил её вперед, а потом ЦУП подал на ступень команду по дренажу баков, что вызвало прирост скорости — ступень улетела вперед).

Далее сам «Орион», используя свой агрегатный отсек (service module) ATV производства Европейского Космического Агентства, может добавить дельта-V около 1340 м/сек к своей скорости.

Также подробно описана ^[24] траектория полета у Луны: после одного оборота в 100 км от поверхности Луны для гравитационного маневра, корабль улетает по высокой эллиптической орбите на 60-70 тысяч км за дальнюю сторону нашего естественного спутника и там переходит (на это нужна дельта-V около 300 м/сек) на пресловутую Дальнюю Ретроградную Орбиту вокруг Луны (двигаясь по ней со скоростью около 0.2 км/сек в обратную сторону относительно движения Луны вокруг Земли) и остается на ней на 6 суток ^[25] (покрывая примерно треть окружности этой орбиты). Потом также с неё сходит, используя гравитационный маневр в один оборот у Луны.

Чем хороша Дальняя Ретроградная Орбита (DRO) вообще и у Луны в частности? Она стабильна ^[26] и для перехода с неё к точкам Лагранжа L1 или L2 (обе слегка внутри этой орбиты) требуется импульс всего 15 м/сек. Но на такую орбиту ещё ни разу не выводился ни один аппарат ^[27].

После ухода от Луны «Орион» ложится на курс к Земле, около земли агрегатный отсек отстыковывается, а командный отсек входит в атмосферу на скорости около 11 км/сек. Все абсолютно безопасно, так как экипажа на корабле «Орион» всё равно нет.

SLS-2 / EM-2: просто пилотируемый полет на орбиту вокруг Луны?

В первоначальном варианте миссия EM-2 пилотируемая, она сложнее и опаснее: ракета SLS (с той же третью ступенью/разгонным блоком DCSS) выведет корабль «Орион» с агрегатным отсеком ATV и с четырьмя астронавтами на борту на траекторию к Луне. Там Орион перейдет на высокую орбиту Луны, где покрутится 3-4 суток. На низкую лунную орбиту просто не хватит топлива. Так планировалось ещё совсем недавно, в 2014-15 годах, назывались даты типа «раннего 2019 года» ^[28].

Увы, теперь сроки сдвинулись и толком не определены. Кроме того, проскакивали сообщения, что обдумывается вариант с другой новой 3-ей ступенью, называемой Exploration Upper Stage ^[29] (EUS).

Эта ступень гораздо тяжелее — она будет весить более 119 тонн ^[30]! Кстати, в ней планируется использовать ^[31] четыре старых двигателя RL10 разработки 1963 года ^[32], из лунной программы «Аполлон» ^[33]. Вообще, количество заимствований из той программы 60-ых годов становится все больше.

Применение этой новой 3-ей ступени EUS ранее обсуждалось только для следующей миссии EM-3. Изменение в планах ^[34] наверняка связано с идеей объединить EM-2 и визит корабля к булыжнику ^[28], припаркованному на орбите Луны — ведь с 3-ей ступенью ICPS (DCSS от ракеты Delta IV Heavy) на всё это просто не хватает топлива…

Вариант HLO: Основной вариант миссии EM-2 называется HLO — High Lunar Orbit (Высокая Лунная Орбита).
Обычный полет к Луне, затем пролет за Луной, тормозной импульс на высоте 100 км над обратной стороной Луны и выход на высокую орбиту с параметрами 100 x 10000 км ^[35] (изначально было задумано 1000-3000 км). Пребывание на этой орбите 3-4 суток и потом импульс двигателями для выхода на траекторию к Земле. Вход в атмосферу Земли (после отделения агрегатного отсека) происходит на скорости 11.2 км/сек.

Однако рассматривались и другие варианты:

Вариант DRO/NRO:Дальняя Ретроградная Орбита (Distant Retrograde Orbit — DRO) и гало-образная орбита в точке Лагранжа (Near Rectilinear halo Orbit — NRO),
В первом варианте корабль с 4 членами экипажа маневрами у Луны выходит на Дальнюю Ретроградную Орбиту с радиусом около 60-70 тысяч км. Примерно как в миссии EM-1 (смотри выше), только с экипажем. Если НАСА задумало объединить ЕМ-2 и визит к припаркованному на этой орбите булыжнику, то этот подвариант неизбежно становится основой всей миссии EM-2.

Во втором варианте НАСА подумывало о полете на галообразную орбиту (Near Rectilinear halo Orbit — NRO) в точке Лагранжа L1 или в точке Лагранжа L2 – подробнее об этих “орбитах” ^[36]и про их возможное применение в будущем ^[37].
Но для всех этих ранее никем не реализованных задумок требуются сложные и долгие маневры, с автономностью минимум около 25-26 суток, что больше, чем обычная автономность в 21 день, предусмотренная конструкцией корабля «Орион».

Вариант Hybrid: Гибридный полет из 3 эллиптических орбит вокруг Земли.
Самый консервативный и безопасный (в плане отказов двигателей корабля «Орион») вариант. Задуман последовательный переход между тремя высокими эллиптическими орбитам вокруг Земли, с проверкой двигателей перед каждым новым пуском.

Первая орбита парковочная, затем пуск двигателя третьей ступени (разгонного блока). Когда достигается вторая орбита с параметрами 391 x 71333 км, то «Орион» со своим агрегатным отсеком отделяется от 3-ей ступени (разгонного блока). Команда ждет на этой орбите 24 часа, проверяя все системы. Если всё в порядке, то в перигее дается импульс и корабль летит к Луне, облетая её далеко сзади через точку Лагранжа L2 в 61548 км от лунной поверхности. Отсюда нужен лишь слабый импульс с мизерным дельта-V в 77 м/сек для наведения на Землю и возврата к ней.

Но этот вариант требует 15-16 дней на выполнение и несет дополнительный риск в виде повышенной радиационной нагрузки на экипаж ^[38] и на оборудование, так как корабль несколько раз (и медленнее) проходит через радиационные пояса Ван-Аллена. Поэтому этот вариант и не приняли.

Как доставить астероид? Параметры буксира

НАСА уже определилась с основными параметрами автоматического буксира ^[39]. Они не меняются уже несколько месяцев, на фоне остальных неясностей это самая определенная часть программы.
На буксире должны стоят солнечные батареи мощностью 50 КВт и трансформатор, повышающий напряжение до 800 вольт для питания нескольких ионных двигателей с тягой в десятые доли ньютона (работая на эффекте Холла ^[40] текущие модели двигателей потребляют около 4.5 КВт и удельный импульс около 2000 секунд, разрабатываемые имеют мощность до 6 КВт и удельный импульс до 3000 секунд [1 ^[41]] ) и, по меньшей мере, 10 тонн рабочего тела для этих двигателей в виде тяжелого газа ксенона (чем тяжелее газ, тем больше тяга ионного двигателя) в баке. Сам бак проектируется на объем до 12 тонн ксенона. Это просто беспрецедентный запас в истории космонавтики (как для ионных двигателей, так и для ксенона) — до этого самый большим запасом было 425 кг ксенона на КА «Заря» (Dawn) ^[42]. Для ориентации на буксире будут и химические двигатели на гидразине (гептиле). На буксире также будет стыковочный узел, чтобы астронавты могли пристыковать к нему свой «Орион».
Интересная деталь: этот буксир разрабатывается с возможностью его дальнейшего использования для доставки грузов для выполнения будущей миссии на Фобос (спутник Марса).

На какой ракете запускать буксир?

По прежнему обсуждаются 4 варианта: Atlas V ^[43] версия 551 (до 18814 кг на низкую орбиту), Delta IV Heavy ^[44] (до 28790 кг кг на низкую орбиту), Falcon Heavy ^[45] (до 54400 кг на низкую орбиту) и конечно SLS ^[46](до 70000 кг на низкую орбиту). Последние две сверхтяжелые ракеты пока не летали, но Falcon Heavy должен полететь уже в конце 2016. Утверждается, что использование сверхтяжелых ракето-носителей не сильно увеличивает массу доставляемого булыжника, но позволяет запустить буксир позже и все равно успеть к намеченным срокам (которые все равно сдвигаются к 2026 году).

Почему выбрали подъем булыжника вместо захвата маленького астероида?

Одной из причин отказа от плана А (захват маленького, отдельно дрейфующего астероида диаметром около 10 метров) в пользу плана Б (подъем булыжника 3-5 метров диаметром с нормального астероида) была проблема с поиском таких маленьких целей с Земли ^[47].

Вторая проблема это устранение вращения маленького, но тяжелого (1000 тонного) астероида. А вращение нужно контролировать, так как солнечные панели буксира выдержат (с вероятностью 95%) крутящий момент при вращении не более 2 оборотов в минуту. По самым оптимистичным расчетам выходило, что даже для 500 тонного астероида для уменьшения частоты вращения с 1 до 0 оборотов в минуту за 6 дней нужно затратить 12 кг ксенона и ещё 70 кг гидразина. И есть возможность порвать удерживающий астероид надувной мешок при этой операции.
В варианте Б проблем с вращением нет: лежащий на поверхности астероида булыжник уже не вращается. Но из-за усложненной системы навигации, сближения и посадки на астероиде, добавки 6 различных манипуляторов для захвата для булыжника этот вариант стоит на 100 млн долларов больше, как заявил представитель НАСА в марте 2015 ^[47]. При этом вся стоимость автоматической части проекта ARM (буксир и его обслуживание с Земли) останется в пределах ранее озвученной суммы в 1.25 млрд долларов (не считая стоимости ракеты и запуска).

Как громадные планы сжались до булыжника и урезанного до двух астронавтов EM-2

Теперь сравним начальные планы, по заветам и обещаниям президента Обамы в 2010 году: «Мы начнем с посылки астронавтов на астероид впервые в истории!» ^[48]. Им назывался в качестве срока 2025 год. О том чтобы слетать и высадится прямо на настоящий астероид как-то сразу забыли, хотя это было бы очень полезно для тренировки полета к Марсу и высадки на его спутники (Фобос или Деймос).
Затем был последовательный регресс в планах:

1. Ещё в сентябре 2013 году (всего три года назад) план посещения астероида/булыжника на орбите Луны поражал своей грандиозностью ^[49]: два запуска ракеты SLS (один грузовой, другой пилотируемый) со 105 тоннами полезной нагрузки на НОО, при грузовом запуске на орбиту поднимается целая орбитальная станция сухим весом в 23 тонны и полным весом около 29 тонн с объёмом в 72 м3 (Салют-7 ^[50] располагал 90 м3 и весил меньше 20 тонн)!
Конечно это не орбитальная станция, а большой жилой модуль под названием DSH – Deep Space Habitat ^[51] (Обиталище для Глубокого Космоса), разрабатываемый на основе опыта орбитальной станции МКС ^[52] с подсоединенным к нему модулем REM (Robotics and EVA Module) ^[53] для выходов в космос, с местом ранения скафандров, шлюзом и манипулятором. Зачем такой огромный жилой модуль? Дело в том, что тогда миссия планировалась очень длительной. Во всем роскошь и размах: 80 дней полета туда и 14 дней там!

Сначала грузовой запуск ракетой SLS выводит пустой DSH (вместе с REM) с 3-ей ступенью Cryogenic Propulsion Stage (CPS), на промежуточную орбиту, потом эта ступень довыводит модуль на высокую околоземную орбиту с параметрами 407 х 233860 км (и отделяется). Модуль, развернув солнечные батареи, 121 день ждет стыковки на этой орбите, пока с Земли стартует вторая ракета SLS с аналогичной 3-ей ступенью и пилотируемым 4 астронавтами кораблем «Орион». Эта связка подлетает к модулю DSH, стыкуется с ним. Далее 3-я ступень CPS остатками своего топлива уводит эту систему к Луне и отделяется, а следующую коррекцию и торможение у Луны выполняет уже двигатель агрегатного отсека корабля «Орион». Перелет очень медленный — только на 202 день миссии (81 день пилотируемой части) система прилетает к астероиду (точнее к булыжнику) на орбите у Луны. Там экипаж проводит минимум 14 дней, ковыряясь в этом булыжнике (за такое время 3 метровый камень можно насквозь пробурить!). Перед отлетом к Земле корабль «Орион» отделяет уже ненужный модуль REM от жилого модуля DSH и начинает долгий путь домой, который продолжается 153 дня! За два дня до входа в атмосферу «Орион» отделяется от жилого модуля DSH. На последний 490 день миссии (369 день пилотируемой части!) «Орион» отстыковывает свой агрегатный отсек и входит в атмосферу.

2. Всего год назад визит к астероиду или булыжнику на орбите Луны (миссия ARCM) планировался как EM-5 или даже EM-6 полет связки SLS — «Орион» ^[54].
Потом оптимистично стали указывать, что это произойдет во время EM-3. В любом случае, тогда даже миссия EM-5 планировалась на 2026 год. Уже тогда проскальзывали сообщения, что экипаж в таких миссиях будет сокращен до 2 человек ^[55].
Билл Герштенмайер, начальник пилотируемой программы НАСА, по-прежнему упоминает в своем докладе (о будущих полетах корабля «Орион») EM-5/6 в качестве первого визита к булыжнику: «Миссии EM-5 и EM-6 будут пилотируемыми миссиями к астероидам» ^[2]. А что будет с EM-3, чем там будут заниматься астронавты? Имеет ли он в виду дополнительные полеты к тому самому булыжнику уже после EM-3? Или вместо EM-3? Или полеты к другим астероидам?
Это в статье ^[2] не поясняется. Как не поясняются и сроки и цели миссий EM-5 и EM-6. Информация о них есть в Википедии: «миссии EM-4 и EM-5 — это окололунные миссии схожие с EM-3» ^[56] А про EM-6 и там ничего не упоминается.

3. А теперь из-за проблем с бюджетом вся программа сузилась до миссии EM-2 ещё толком не проверенного корабля «Орион»: длительность 24-25 дней, полет на Дальнюю Ретроградную Орбиту у Луны и пара выходов в открытый космос экипажа из двух человек ^[57], чтобы дотронуться и поковыряться в булыжнике, доставленном туда буксиром…
Парадокс, но одноверменно некоторые в НАСА из-за чехарды со сроками, бюджетом и спорами о выборе 3-ей ступени (DCSS, CPS или EUS) даже сомневаются, что EM-2 будет пилотируемой миссией ^[58] и считают, что будет просто автоматический полет с целью проверки 3-ей ступени EUS.

В заключении можно сказать: надо дождаться результатов выборов в США, после которых и в кадрах и в планах НАСА могут быть очередные изменения. И воспринимать все эти планы всерьез можно будет только после первого успешного старта ракеты SLS ^[46] в 2018.

Автор: Pavel-Well

Источник ^[59]