«Уральский следопыт» 1989 г №1
НА ГРАНИ ФАНТАСТИКИ
Юрий ЗАЙЦЕВ,
заведующий отделом Института космических исследований АН СССР
Марс... Планета мифов и научной фантастики, «войны миров» и «зеленых человечков».
Марс — вправду покоренный?
Такая возможность сегодня всерьез обсуждается и изучается учеными, инженерами, космонавтами, политическими деятелями.
ОТ ЛЕГЕНД К ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТИ
Пожалуй, ни с одной из планет Солнечной системы не связано столько гипотез — фантастических, дерзновенных и прекрасных — как с Марсом. Еще совсем недавно воображение землян будоражили увлекательные возможности найти мир себе подобных на расстоянии всего в несколько десятков миллионов километров — совсем незначительном в масштабах Вселенной. Сколь подкупающей была, например, гипотеза об искусственном происхождении марсианских «каналов», открытых итальянцем Д. Скиапарелли: разумные марсиане якобы воздвигли эти грандиозные инженерные сооружения для ирригации или как транспортные артерии.
А спутники Марса, доступные наблюдению лишь в самые большие телескопы? Американец А. Холл, обнаруживший их, дал им имена сыновей бога войны Марса — Фобос (Страх) и Деймос (Ужас). Всего 25 лет назад советский ученый И. Шкловский высказал гипотезу об их искусственном происхождении.
В серьезных научных работах описывался растительный мир Марса.
«Прежде всего это должна быть растительность низкорослая, жмущаяся к почве, — считал советский ученый Г. Тихов. — В основном это должны быть травы и стелющиеся кустарники. В суровом климате растения могут иметь голубой, синий и даже фиолетовый цвет».
Не менее убедительно звучат слова американского биолога профессора физиологии растений Колорадского университета Ф. Солсбери: «Быстрое нагревание днем облегчилось бы определенной системой пигментации растений, приблизив их организм к абсолютно черному телу. Марсианские растения должны подставлять Солнцу днем широкую поверхность листа. Если бы с наступлением ночи такой лист мог сворачиваться в трубочку, это сократило бы потери тепла».
Проанализировав фотоснимки Земли, сделанные с больших высот, Солсбери пришел к выводу, что, собственно, зелеными участками выглядят лишь густые леса и сочные луга нашей планеты. «Поэтому, — писал он, — можно считать, что наблюдаемые с Земли изменения цвета и размеров отдельных участков поверхности Марса указывают на существование пышной растительности на планете...»
Одновременно существовали и противоположные точки зрения. «В настоящее время, — писал академик В. Фисенков, — можно считать, что никакой высшей растительности и развитого живого мира на Марсе быть не может. Но существование на этой планете низших форм — каких-либо лишайников, примитивных водорослей, бактерий — нельзя считать исключенным».
Увы, к сожалению, все это не так! Сегодня уже известны многие факты из биографии Марса и его природы. Их достоверность вне сомнения — они переданы на Землю советскими и американскими космическими аппаратами, регулярные запуски которых к «красной планете» начались с 1962 года. Вслед за советским «Марсом-1» вплоть до 1975 года к четвертой планете стартовало полтора десятка советских и американских космических аппаратов. Земные посланцы внимательно рассмотрели ее с близкого расстояния, опустились на поверхность и рассказали о Марсе столько удивительного, что спор вокруг его тайн вспыхнул с новой силой. Развенчав одни гипотезы, они породили множество других.
НОВЫЕ ЗАГАДКИ
В середине шестидесятых годов казалось, что Марс скорее напоминает Луну: очень слабенькая атмосфера (давление на поверхности планеты соответствует земному давлению на высоте тридцати километров), незначительное магнитное поле, нет поясов радиации. Суровый ландшафт с множеством кратеров еще более усиливал это сходство. Такая точка зрения была наиболее распространенной и после полета первых советских «Марсов» и американских «Маринеров», хотя эти аппараты увеличили знания ученых о Марсе в сотни раз. И вот новые старты, новые уникальные сведения о планете и вывод, что Марс не похож на Луну. Он вообще ни на кого не похож. Марс похож на Марс...
Оказалось, что несмотря на свои скромные, по сравнению с Землей, размеры (диаметр Марса почти в две раза меньше земного, а его масса составляет лишь 11 процентов от массы Земли) рельеф Марса гораздо более пересечен. Съемки с близких расстояний позволили различить на его поверхности детали размером в километр, а в благоприятных случаях — в несколько десятков метров. При этом ни одного «марсианского канала», по поводу которых примерно столетие ломались научные копья, обнаружено не было. Зато имеется много сотен ветвящихся долин, ничем не отличающихся от земных рек. Есть следы, напоминающие движение ледников. Но нет воды!
Конечно, в условиях холода и разреженной марсианской атмосферы воды в жидком виде на Марсе быть не может. Но, очевидно, в истории планеты были и периоды более мягкого климата. В то время там, возможно, существовали не только реки, но и озера, и даже моря и океаны.
Многие специалисты полагают, что и сегодня в подповерхностных слоях Марса сохраняются реки и водоемы. Подозрения падают, в частности, на области Хеллас и Эллада. Последняя представляет собой впадину диаметром свыше полутора тысяч и глубиной до четырех километров, совершенно лишенную кратеров. Возможно, причина в толстом слое песка и пыли, покрывающем ее дно. А может быть, это замерзшее море?
Вывод о том, сколько всего на Марсе воды, пока не сделан. Еще недавно велись споры: из какого льда — обычного или сухого (замерзшей углекислоты) — состоят полярные шапки? Сейчас вроде бы достигнут компромисс: имеется и тот, и другой. Но проблема далеко не исчерпана.
Когда на Марс совершили посадку автоматические аппараты, они не обнаружили ни следов ног, ни остатков материальной культуры. Надо сказать, что о марсианских «братьях по разуму» к этому времени никто уже не мечтал. Но жизнь? Пусть самая примитивная! Ни микробов и даже никаких сложных органических молекул найти не удалось. Нет и растительности — деревьев, кустарников. Трудно в это поверить, принять еще труднее.
Но если сегодня на Марсе нет жизни, то представляется вероятным, что в прошлом, когда там текли реки, было гораздо больше шансов на ее существование, Если бы человек смог пройти по одной из марсианских речных долин и изучить геологические наслоения на берегах, то можно многое узнать — о климатических изменениях, о происхождении и эволюции жизни, сравнить развитие наших соседних миров.
Если на Мерсе когда-то в изобилии имелась вода, то что же произошло потом? Каким образом этот мир стал таким холодным и иссушенным? Почему в его атмосфере почти не осталось воздуха? И не ожидает ли в будущем нечто подобное нашу Землю?
ЭКСПЕДИЦИИ НА МАРС: ФАНТАЗИЯ ИЛИ РЕАЛЬНОСТЬ?
Трудно предсказать сейчас с какими-либо подробностями, что понадобится для реализации полета человека на Марс. Специалистам придется увязать между собой и сбалансировать три критических фактора: общую длительность полета, время пребывания на Марсе и запасы топлива. При традиционном подходе, нацеленном на минимизацию расходов топлива, схема полета включает в себя девятимесячное путешествие к планете, более чем полуторагодичное пребывание там и обратный путь от шести до девяти месяцев. Но хотя такая схема и экономична с точки зрения затрат топлива, столь длительная экспедиция выглядит пугающе. Имеется, однако, и более быстрый вариант. Например, можно было бы запустить два космических корабля с интервалом 30 дней. Когда первый из них доберется до Марса, его экипаж опустится на поверхность планеты в малом челночном модуле. Тридцать дней спустя этот модуль взлетит, чтобы встретиться с другим кораблем, который затем продолжит движение по направлению к Земле. Преимущество подобной схемы в том, что не требуется затормаживать тяжелый корабль-носитель («матку») и переводить его на околомарсианскую орбиту, а затем вновь выводить на траекторию полета к Земле. Такая схема позволяет ограничиться значительно меньшими затратами топлива, сокращает время полета и вполне отвечает современному уровню техники.
Но даже в этом случае для пилотируемой экспедиции на Марс потребуются столь большие запасы топлива, что начальная масса корабля, монтируемого на околоземной орбите, составит несколько тысяч тонн.
Естественно применить для полета по межпланетным траекториям более эффективные источники энергии — ядерные. Ядерные реакторы послужат источником тепла, которое будет нагревать газ, заставляя его истекать из сопел двигателя и создавать реактивную тягу. При этом «рабочего тела», т. е. того самого газа потребуется существенно меньше по сравнению с топливом для жидкостных реактивных двигателей — в 2— 3 раза.
Еще более эффективной двигательной установкой стала бы ядерная электрореактивная. Важнейшей ее особенностью является очень высокая скорость истечения газа. Если у реактивного двигателя, работающего на жидком водороде и кислороде, она составляет около 2500 метров в секунду, то у электрореактивиого — 20-50 тысяч. Рабочего тела при этом потребуется уже в 15-20 раз меньше по сравнению с жидкостными двигателями.
Можно передвигаться в космическом пространстве и используя давление солнечного света. Впервые эта идея была сформулирована и обоснована Ф. Цандером в 1920 году. При современном уровне развития техники и космической технологии создание космических аппаратов, оснащенных солнечными парусами — движителями площадью в тысячи квадратных метров, считается практически выполнимым, так как производство тончайших полимерных пленок, необходимых для изготовления такого паруса, возможно уже сегодня.
В целом можно сказать, что с точки зрения техники полет человека на Марс представляется на нынешнем этапе развития космонавтики не более сложным мероприятием, чем в свое время экспедиция на Луну по сравнению с пилотируемым полетом по околоземной орбите. Другое дело — способен ли сам человек к столь длительному — минимум полтора года - пребыванию в космосе.
«Я с большим оптимизмом и надеждой отношусь к идее полета человека на Марс, — говорит академик О. Газенко, — и надеюсь, что люди сумеют это сделать. Тем не менее, несмотря на серьезные успехи в освоении космоса, мы еще не все знаем о реакции человеческого организма на воздействие факторов космического пространства и космического полета. Объем наших знаний пока недостаточен для того, чтобы дать научно обоснованный ответ на вопрос, может ли человек полететь на Марс».
И все-таки на сегодня достигнут почти годичный рубеж пребывания человека в космосе. Складывается впечатление, что человек может удовлетворительно адаптироваться к длительному воздействию невесомости, а по окончании полета — к земной гравитации и успешно возвращаться к плодотворной жизни на Земле.
Неразрешимых проблем не видно. Учитывая, однако, что речь идет о человеке, его здоровье и безопасности, каждый новый шаг в космос должен быть скрупулезно взвешен, опираться на самое тщательное, детальное изучение и вновь получаемых данных, и всего предыдущего опыта. Ничто не должно выпасть из поля зрения, включая отдаленные последствия космических полетов. Наука, в том числе космическая биология и медицина, должна накопить еще немало фактов о Человеке и Космосе, понять механизмы их непростого взаимодействия, помочь достичь гармонии взаимоотношений. В итоге этих усилий станет возможной и пилотируемая экспедиция на Марс.
ПЕРВЫМ ПРОЙДЕТ РОБОТ
Полет человека на Марс несомненно был бы огромным успехом науки. Однако для решения всех марсианских загадок одного полета, даже с участием человека, недостаточно. Эта планета нуждается в детальных исследованиях, которые должны выполняться и с орбиты искусственных спутников, и на ее поверхности, и в ее недрах. Для проведения этих исследований присутствие человека необязательно. Лучше использовать умных роботов. Запуски к планете автоматических аппаратов позволили бы поэтапно отработать технику полетов и средств проведения исследований, выбрать наиболее интересные районы для последующих посадок, провести там необходимые изыскания. Словом, автоматам предстоит преодолеть громадную, назовем ее черновой, работу, прежде чем на поверхность Марса ступит человек.
Сроки запусков автоматических аппаратов будут определяться энергетическими возможностями выведения на траектории полета достаточно больших полезных нагрузок. Стартовать к Марсу нужно, когда он находится в «верхнем соединении с Землей», располагаясь с противоположной стороны от Солнца. До конца текущего столетия такие «астрономические окна» для марсианских стартов будут возникать примерно каждые два года. С учетом этих сроков советские ученые разработали поэтапную программу исследований Марса, конечной, целью которой станет доставка на Землю до 2000 года грунта четвертой планеты.
МИССИЯ «ФОБОС»
Июль 1988 года. Два советских космических зонда, оснащенные сложным комплексом научной аппаратуры, стартовали к Марсу. Спустя примерно год они пройдут на высоте лишь нескольких десятков метров над поверхностью Фобоса. Луч бортового лазера раз за разом пронзит его «грунт». Испарившееся вещество, которое не в состоянии удержать слабенькое тяготение «мини-луны», будет выброшено в космос. Приборы-ловушки космического аппарата захватят его и выполнят подробный анализ.
Вслед за этим на Фобос десантируются два посадочных зонда. Один из них будет подвижным. Этот небольшой робот будет прыгать по поверхности, проводя первые в истории геологические исследования марсианского спутника. Другой зонд, наоборот, прочно утвердится с помощью специального ружья-гарпуна и примерно около года будет передавать на Землю ценные сведения. Эту информацию с нетерпением ждут советские ученые и сотрудничающие с ними специалисты из многих других стран.
Предусмотрен широкий комплекс исследований и самого Марса с борта космического аппарата, который будет двигаться по орбите искусственного спутника планеты.
Задуманная учеными программа исследований потребовала создания нового космического аппарата класса так называемых «высокоинтеллектуальных космических роботов». Аппарат был разработан в Научно-исследовательском центре имени Г. Н. Бабакина.
Конструкция аппарата — одна из закономерных ступеней развития советских космических роботов. В ней просматриваются многие революционные линии технического прогресса, впервые в мире проложенные в советской космонавтике. Здесь кристаллизовался разнообразнейший опыт, в котором советское первородство бесспорно — первый облет Луны и мягкая посадка на ее поверхность; рейсы «Венер» и «Марсов» и многое другое.
 Космический аппарат «Фобос» |
Миссия «Фобос» может рассматриваться как первый важный шаг в реализации задуманной советскими учеными «марсианской программы». Следующий этап предполагается осуществить в середине 90-х годов. Это будут глобальные исследования поверхности и атмосферы Марса с помощью искусственных спутников планеты, аэростатных зондов, вводимых в ее атмосферу, марсоходов, метеорологических зондов и зондов-пенетраторов, доставляемых на поверхность, субспутника, отделяемого от основного аппарата.
Одна из главных технических проблем марсохода — это управление его движением. Марсоход должен, например, уметь самостоятельно обходить препятствия, которых двадцать — тридцать минут назад не было на его пути. Примерно столько времени понадобится радиосигналам, чтобы преодолеть расстояние от Марса до Земли и обратно. Решение проблемы видится в том, чтобы сделать марсоход «системой-экспертом», придав ему определенные «интеллектуальные способности». «Земля» будет определять стратегию работы, а сам робот — тактику ее проведения. Если для орбитального аппарата это означает автономию в решении ряда навигационных задач, то для марсохода — это наивысшее по сложности автономное адаптивное (то есть приспосабливающееся к условиям) управление движением.
Создание таких самоуправляемых роботов послужит не только космической науке. Оно принесет немало пользы и в земной практике. В частности, прототип марсохода использовался при очистке крыши Чернобыльской АЭС от радиоактивных обломков.
Программа научных исследований для марсоходов предполагается очень обширная. Она включает в себя вибропросвечивание глубинных недр планеты, что даст сведения о ее внутреннем строении; исследование состава грунта, анализ его микроструктуры и летучих компонентов. Марсоход позволит также получить большую серию панорамных снимков поверхности по трассе движения. С его помощью можно было бы осуществить и сбор образцов пород с большой площади и с глубины несколько метров, при этом увеличивается вероятность обнаружения каких-то форм жизни. Условия ее существования в подповерхностных слоях грунта более благоприятны — стабильная температура, защищенность от ионизирующих излучений достаточно высокая, по-видимому, влажность. Будет установлен на марсоходе и метеокомплекс.
ЗЕМЛЯ — МАРС — ЗЕМЛЯ
Доставка образцов марсианского грунта на Землю представляется наиболее сложным элементом предложенной советскими учеными программы исследований Марса. Возможный вариант — запуск двух автономных аппаратов: один из них совершит посадку на поверхность Марса, другой станет его спутником. Посадочный аппарат опустится в заранее выбранном месте, где его уже будет ожидать доставленный на планету в предыдущей экспедиции марсоход с собранными им образцами пород. (Марсоход будет играть и роль радиомаяка для посадочного аппарата.) Образцы пород перегружаются манипулятором во взлетную ракету.
Кроме того, часть образцов будет собираться в районе посадки спускаемого аппарата небольшим марсоходом, размещенным на его борту. Он также оборудуется манипуляторами и грунтозаборным устройством, которое позволит взять образцы с достаточно большой глубины.
Взлетная ракета доставит грунт к орбитальному аппарату, состыкуется с ним, после чего образцы перегружаются в возвращаемый к Земле модуль. При подлете к нашей планете он перехватывается орбитальной станцией.
Было бы целесообразно выполнить на борту станции первичный анализ марсианского грунта. Это позволит разрешить одну из трудных задач экспедиции — обеспечение карантина, исключающего заражение нашей планеты внеземными организмами, которые могут оказаться в доставленных с Марса образцах грунта, как бы ни была мала такая вероятность. Само собой разумеется, необходима и стерилизация космического аппарата перед стартом с Земли, чтобы не занести на Марс земные микробы.
Доставка на Землю грунта с Марса позволит разрешить многие сложные вопросы природы этой планеты. Анализ минералогического состава образцов, содержания в них благородных газов и летучих веществ, а также распределения элементов поможет уяснить эволюцию Марса. Изучение изотопов даст возможность датировать породы и получить сведения о прежних геологических условиях на планете. Ученые надеются обнаружить углерод, воду и другие химические элементы, свидетельствующие о том, что на Марсе в свое время существовала жизнь. Не исключено, что будут найдены ископаемые остатки.
Проработки показали, в частности, что совместить возврат фотопленки с околомарсианской орбиты на Землю с выполнением всех других задач экспедиции будет трудно. Возможно, для проведения детальной фотографической съемки поверхности планеты с последующей доставкой пленки на Землю понадобится запуск специального аппарата. При этом облегчается и решение ряда специфических проблем, таких, например, как защита фотослоя от воздействия космической радиации.
Использование носителя типа ракеты «Энергия», способного доставить к Марсу значительно большую полезную нагрузку, открывает принципиально новые возможности в реализации марсианской программы. Одним стартом могут быть решены все основные задачи, включая возврат на Землю кассеты с материалами фотосъемки.
Может быть обеспечено одновременное исследование и значительно большего числа точек на Марсе при помощи марсоходов, аэростатных зондов и малых посадочных станций. Предварительные оценки показывают, что в одном запуске ракеты-носителя «Энергия» могут быть доставлены на планету сразу три марсохода — один тяжелый с возможностью глубокого бурения и два легких, несколько кассет с десятью метеомаяками каждая и большое количество пенетраторов.
Удастся снять и весовые ограничения в решении проблемы доставки грунта с Марса. В принципе можно было бы попытаться одновременно доставить грунт и с марсианского спутника Фобос.
Доставка на землю образцов марсианского грунта в варианте использования ракеты «Энергия», по сути, может стать решающим этапом отработки в натурных условиях элементов и основных технических средств будущей пилотируемой экспедиции — ядерной электрореактивной двигательной установки, марсианского посадочного корабля со взлетной ракетой на борту, корабля возвращения на Землю.
ПОЛЕТИМ ВМЕСТЕ
Предполагается, что в предложенной советскими учеными программе исследований Марса примут участие научные организации и специалисты многих других стран. Опыт проекта «Венера — комета Галлея» показал, насколько эффективной может быть такая кооперация. По числу участников из разных стран, непосредственно работавших над созданием техники и приборов, этот проект беспрецедентен. По сути дела, это был первый шаг на пути превращения космоса в открытую интернациональную лабораторию, к чему и призывает советская программа «звездного мира» — проявление нового мышления в космической практике. Очень важно не только сохранить дух научного сотрудничества, который возник в ходе реализации проекта «Вега» и еще больше укрепился при подготовке проекта «Фобос», но и далее развивать его.
Советские ученые уже сотрудничают в разработке «марсианской программы» с социалистическими государствами, Францией, Австрией, Италией и рядом других стран. Что же касается США, то пока советская и американская программы будущих исследований Марса рассматриваются независимо, лишь с некоторой координацией. Есть, однако, надежда и на определенное сотрудничество. По-видимому, какие-то американские приборы будут установлены на советских аппаратах. Прорабатывается вопрос совместных исследований советскими космическими аппаратами 1994 года и американскими аппаратами «Марс-обсервер» (старт в 1992 году), которые несколько лет должны находиться на околомарсианской орбите. Это пока единственный утвержденный проект в американской программе исследований Марса. «Марс-обсервер» мог бы, например, принимать телеметрическую информацию от советских аэростатов и марсоходов. Не менее важна организация совместной наземной сети для круглосуточного приема данных с искусственных спутников Марса. Особый интерес представляет координация исследований отдельных районов планеты. На борту американского аппарата «Марс-обсервер» планируется установить телевизионную камеру высокого разрешения, и он мог бы выполнить эффективное исследование районов предполагаемого десантирования марсоходов, пенетраторов и метеомаяков советской миссии к Марсу.
В дальнейшем мог бы быть произведен обмен информацией по метеорологии Марса, о характеристиках его атмосферы и поверхности, создан общий банк фотопланов и картографических материалов, организована совместная интерпретация результатов исследований. Итогом этой работы стала бы разработка объединенными усилиями инженерной модели Марса для ее использования в последующих этапах исследования планеты.
Полет же человека на Марс, по-видимому, вообще невозможен без международного сотрудничества. Напомним, что программа высадки людей на Луну стоила США двадцать пять миллиардов долларов. Стоимость марсианской пилотируемой экспедиции будет составлять по разным оценкам от 50 до 250 миллиардов долларов. Такие расходы обременительны даже для высокоразвитой страны. Вывод: необходимо объединение ресурсов разных стран. А чтобы такая экспедиция имела смысл, ее подготовка, включая предварительные полеты автоматов, должна вестись в рамках широкой международной программы долгосрочных исследований. Тогда это будет не просто пилотируемая экспедиция на Марс, а начало его колонизации.
В дискуссии с американскими учеными по программам исследований Марса директор Института космических исследований АН СССР академик Р. Сагдеев предложил, чтобы одна сторона послала на Марс, например, самоходный аппарат для сбора образцов грунта и пород, которые будут затем переданы на борт космического корабля другой страны для доставки их на Землю.
Во время московской встречи М. С. Горбачева и Р. Рейгана «в качестве областей возможного сотрудничества» они отметили «научные экспедиции на Луну и Марс».