«Земля и Вселенная» 1999-6

В стратегических планах освоения космического пространства будущего столетия важнейшим шагом после создания Международной космической станции станет пилотируемая экспедиция на Марс.

Идея полета человека на Марс имеет не только сторонников, но и оппонентов. Их аргументы сводятся не к отрицанию принципиальной технической возможности экспедиции, а к ее высокой стоимости, тогда как необходимо решать множество неотложных “земных” проблем (ухудшение экологической среды, кризисные явления в экономике, нищета, голод, болезни и др.). Высказывается также мнение о неоправданно высоком риске для экипажа экспедиции. Из этого делается вывод о необходимости исследования Марса с помощью автоматических аппаратов.

Между тем, история практической космонавтики свидетельствует о ее благотворном влиянием на прогресс науки и техники, на жизнь современного и будущих поколений. Значение марсианской экспедиции пока не поддается точной оценке. Несомненно, что экспедиция будет интернациональной миссией, расходы на ее подготовку и осуществление смогут нести многие страны. Становится все более очевидным, что непосредственное участие человека в проведении экспериментов на Марсе будет иметь решающее значение для исследования и освоения этой планеты.

Вопрос о выборе между пилотируемыми и беспилотными марсианскими программами сейчас решается в пользу их разумного сочетания. Значительная часть сведений о составе атмосферы, климате, топографии и геологии “красной планеты” была получена с помощью АМС. Прежде чем полетит человек на Марс, ему будут предшествовать “разведывательные” экспедиции автоматических кораблей. Такой корабль может лететь к Марсу вместе с пилотируемым КК, но автоматы не в состоянии заменить творческий интеллект человека в проведении исследований. Марсианская экспедиция — мероприятие рискованное. Поэтому следует проанализировать все факторы и условия полета, угрожающие жизни и здоровью экипажа, и на этой основе разрабатывать обеспечение безопасности всех этапов экспедиции.

Каковы основные научно-технические предпосылки осуществления пилотируемой экспедиции на Марс? К их числу относятся:

- достижения ракетно-космической техники и космической связи, а также проведенные исследования Солнечной системы с помощью АМС;

- успешно выполненная программа посещения Луны американскими астронавтами по программе “Аполлон”;

- накопленный на орбитальных станциях “Салют” и “Мир” ценный опыт эффективного медицинского обеспечения длительных полетов экипажей;

- создание Международной космической станции — самого крупного интернационального проекта современной космонавтики.

“В кратере Марса” (рисунок А. Леонова и А. Соколова)

Благодаря этому получены уникальные результаты в области космических наук и технологий, что необходимо для развития космонавтики. Приоритетной задачей первой марсианской экспедиции станет активный поиск существующих в настоящее время или каких-либо следов жизни, что имеет важное значение для понимания эволюции жизни в Солнечной системе.

ФАКТОРЫ МАРСИАНСКОГО ПОЛЕТА

Присутствие в составе марсианской экспедиции человека — наиболее ценное, но и очень уязвимое звено. Поэтому максимальное внимание на всех этапах подготовки и проведения экспедиции должно быть уделено ее медико-биологическому обеспечению. Перечислим важнейшие проблемы медико-биологического обеспечения марсианской экспедиции, учитывая, что экипаж подвергнется воздействию космической среды во время продолжительного полета, происходящего в замкнутом пространстве космического корабля. Необходимо учитывать:

- беспрецедентный по протяженности (десятки миллионов километров) и продолжительности полет (от 1,5 и более лет);

- автономность полета, создающая ряд психологических и медицинских проблем;

- последовательное воздействие на организм человека разных уровней гравитационных полей (невесомость на трассе перелета к Марсу и обратно, 0,38g — на поверхности планеты, перегрузки при взлетах, посадках и маневрировании);

- более опасная для жизни и здоровья, но менее изученная и более сложная радиационная обстановка, чем при околоземных полетах;

- значительный объем работ в открытом космосе и управлении кораблем;

- опасность столкновения с метеоритами, что может привести к разгерметизации отдельных отсеков корабля и скафандров;

- обитание в замкнутом пространстве корабля (изоляция, гипокинезия, возможное повышенное содержание токсических веществ и патогенной микрофлоры);

- воздействие малоизученного влияния гипомагнитной среды на Марсе;

- непредсказуемые экзобиологические проблемы.

При полете к Марсу может проявиться комбинированное воздействие на организм отдельных условий и факторов межпланетного полета. Например, влияние радиации и невесомости, эффект от совместного воздействия которых будет не только суммироваться, но усиливаться. Все это потребует поиска эффективных способов и средств, направленных на снижение до приемлемого уровня риска межпланетного полета на основе совершенствования медицинского контроля и радиационной защиты.

Медико-биологическое обеспечение марсианской экспедиции требует решения следующих проблем:

- медицинские и физиологические последствия, связанные с длительным пребыванием в невесомости, воздействием гипогравитации на поверхности Марса и последующей реадаптации к земной силе тяжести;

- обеспечение необходимой психологической устойчивости и работоспособности на всех этапах подготовки и проведения экспедиции и после ее завершения;

- создание на борту межпланетного корабля биологически полноценной среды обитания;

- необходимость обеспечения надежной радиационной защиты.

Рассмотрим их подробнее.

МЕДИЦИНСКИЕ ПРОБЛЕМЫ

С точки зрения медицинского обеспечения полет к Марсу представляется значительно более сложным по сравнению с орбитальным полетом аналогичной продолжительности. Полеты длительностью до одного года и более (например, рекордный 438-суточный полет В.В. Полякова на орбитальном комплексе “Мир”) показали, что человек может достаточно успешно приспосабливаться к условиям невесомости, эффективно выполнять профессиональную деятельность, а после полетов сравнительно быстро реадаптироваться к земному уровню гравитации (Земля и Вселенная, 1998, № 4). Это достигается благодаря использованию системы профилактических средств, рациональному режиму труда и отдыха, психологической поддержке, тщательному медицинскому контролю в полете и мероприятиям послеполетной реадаптации.

При возрастании длительности полетов и усложнения их программ, продолжают оставаться полностью нерешенными ряд медицинских и физиологических проблем, обусловленных влиянием

Врач-космонавт В.В. Поляков проводит медицинский эксперимент на борту станции “Мир”

невесомости. Речь идет о проявлении “космической болезни движения”, нарушении межсенсорного взаимодействия, ослаблении функции сердечнососудистой и нервно-мышечной системы, частичной потере организмом минералов (это приводит к уменьшению минеральной плотности костной ткани), снижении иммунитета, признаках психической дезадаптации.

Так как большая часть полета к Марсу будет проходить в условиях невесомости, то продолжает оставаться актуальной задачей исследование влияния микрогравитации на организм и поиск надежных средств по предотвращению отмеченных неблагоприятных эффектов. Воздействие на организм человека пониженного уровня гравитации на поверхности Марса может представить столь же серьезную проблему, как и влияние невесомости. Профилактическим средством против воздействия невесомости и, возможно, гипо-гравитации, на живые организмы может стать, наряду с применяемыми средствами профилактики, “искусственная гравитация”. Такая возможность была впервые доказана в экспериментах на биологическом спутнике “Космос-936” с животными, помещенными в бортовую центрифугу.

В длительной марсианской экспедиции у космонавтов могут возникнуть различные заболевания, не связанные с воздействием факторов космического полета. Возможно, болезнь в космосе будет протекать по-другому.

МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОЛЕТА НА МАРС


Роль врача-космонавта в космических полетах

Экспедиции	Длительные орбитальные полеты	Марсианская экспедиция
Включение в состав экипажа	Желательно	Необходимо
Функции	Активная медицинская помощь членам экипажа: профилактика, диагностика, коррекция нарушений, выдача медицинских рекомендаций, участие в медико-биологических исследованиях	Активная медицинская помощь членам экипажа: профилактика, диагностика, коррекция нарушений, выдача медицинских рекомендаций, лечение заболеваний, проведение медико-биологических исследований

В орбитальных околоземных полетах медицинский контроль состояния здоровья космонавтов осуществляется специальной медицинской службой. В условиях автономности полета на Марс и большой удаленности от Земли, наряду с наземной медицинской службой Центра управления полетом, важную роль будет играть врач, входящий в состав экипажа. Ему предстоит решать возникающие медицинские проблемы, опираясь на медико-технические средства, собственный опыт и консультации по телевизионной связи. В распоряжении врача должен находиться универсальный комплекс диагностической и информационно-вычислительной аппаратуры с возможностью оперативной обработки и оценки результатов обследований, компьютерной диагностики и автоматизированного прогнозирования состояния здоровья. Врачом экипажа должен быть опытный специалист широкого профиля, владеющий современными методами диагностики и лечения, который способен оказать медицинскую помощь в любых ситуациях.

ПСИХОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

Полет на Марс предъявит к психике космонавтов высокие требования. Удаленность от Земли, автономность полета, пребывание в условиях ограниченного пространства, проблемы группового взаимодействия членов экипажа, значительный объем работ в открытом космосе и операторской деятельности, непредсказуемые ситуации, высокий уровень риска и чувство ответственности за успех экспедиции могут значительно повлиять на психическое состояние и работоспособность. Исследования, проведенные сотрудниками Института медико-биологических проблем (ИМБП) в Антарктиде, при автономных плаваниях (особенно на подводных аппаратах), в экспедициях, в замкнутых помещениях и при моделировании факторов космического полета, показали, что длительное пребывание человека в подобных условиях может привести к снижению психического тонуса, неустойчивости настроения, психосоматическим расстройствам. При этом среди членов экипажа может возникнуть разобщенность, раздражительность, конфликтность. Поэтому в задачи космической психологии входит:

- разработка средств и методов оценки и прогнозирования психофизиологического состояния и работоспособности человека;

- разработка средств и методов психофизиологического обеспечения марсианской экспедиции (включая психологическую поддержку);

- изучение формирования динамики межличностных отношений в экипаже.

Накопленные результаты исследований по психологии малых групп и изучению межличностных отношений в длительных космических полетах позволяют оценивать и прогнозировать взаимодействие членов экипажа и находить эффективные средства диагностики, повысить надежность групповой деятельности. Для совершенствования психологической подготовки потребуется проведение модельных экспериментов, в частности, по изучению с помощью психологических тестов поведения в условиях имитации аварийных ситуаций и конфликтной напряженности среди членов экипажа.

Схема гибридной системы жизнеобеспечения на основе регенеративных физико-химических процессов и биологических звеньев, включающих, кроме человека, высшие растения, водоросли и животных

Экипаж марсианской экспедиции должен задолго до полета представлять сложившуюся и хорошо совместимую группу космонавтов, отобранную на основании личностных особенностей, оптимального группового взаимодействия, высокого профессионального уровня и работоспособности. Поскольку экипаж марсианской экспедиции вероятнее всего будет интернациональным, потребуется определенный подход к его формированию и взаимодействию, учитывающий языковые, этнические и религиозные различия.

ВОПРОСЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ И ОБИТАЕМОСТИ

Одним из условий осуществления марсианской экспедиции станет создание и поддержание на борту межпланетного космического корабля среды обитания, соответствующей необходимым санитарно-гигиеническим требованиям. Решить такую задачу можно тремя способами. Самое простое — создать систему жизнеобеспечения марсианского корабля, основанную на запасах воды, кислорода и пищи, но это невозможно сделать из-за ограничений по весу и объему. Иной подход — замкнутая система жизнеобеспечения (СЖО) на основе полного круговорота веществ, подобная земным экологическим системам. Разработка подобной СЖО — серьезная проблема. Потребуются многолетние усилия для ее осуществления (первые шаги к решению проблемы сделаны в эксперименте “Биосфера-2” в 1991-97 гг.). Реальным представляется промежуточный вариант, основанный на достигнутом к настоящему времени уровне разработок современных СЖО. Прообразом отдельных элементов СЖО для марсианской экспедиции может стать, например, действующая на орбитальном комплексе “Мир”, включающая системы обеспечения водой и газовой среды, питания и санитарно-гигиенического обеспечения. На ОК “Мир” отработаны системы регенерации конденсата атмосферной влаги, мочи и санитарно-гигиенической воды, но они для своего функционирования нуждаются в периодической доставке на борт станции ряда необходимых компонентов.

Для экспедиции на Марс требуется разработать автономные регенеративные СЖО, включающие группу связанных между собой и взаимодействующих подсистем. В настоящее время исследуется возможность создания регенеративных физико-химических систем с замкнутыми циклами кислорода и воды. Можно также использовать регенеративную систему жизнеобеспечения на основе физико-химических процессов. Последующее поколение СЖО уже будет гибридной системой, основанной на физико-химических и экологических принципах. Подобная система может быть не полностью замкнутой, однако это не препятствует ее использованию в полете длительностью от одного до трех лет. Имеющиеся разработки марсианского космического комплекса позволяют предложить следующие СЖО:

- замкнутая физико-химическая система обеспечения кислородом на основе технологии, использующей в качестве его источника воду;

- замкнутая физико-химическая система обеспечения водой;

- резервный запас воды (одновременно служит защитой от радиационного воздействия);

- система обеспечения питанием, основанная на рационах, запасах пищевых продуктов и использовании бортовой витаминной оранжереи.

Во время экспедиции на Марс витамины в основном могут воспроизводиться биологическим путем в бортовой витаминной оранжерее (площадью 2 м² на человека), которая полностью обеспечит потребность в витаминах А и С, частично в витаминах РР, В1 и В2. Кроме того, растения могут удовлетворить потребность организма в таких важных для жизнедеятельности элементах, как кальций и калий.

Расчеты показывают, что минимальная общая потребность в воде экипажа из четырех человек в автономном полете в течение двух лет составит около 25 тонн. Учитывая возможности регенерации воды во время полета и тройное резервирование на случай аварийной ситуации, запасы воды не превысят 5 тонн. Примерно такой же должен быть и запас пищи.

В ИМБП, Институте биофизики СО РАН и в ряде других учреждений нашей страны и за рубежом активно разрабатываются биологические СЖО. Они могут включать в качестве автотрофного звена водоросли и высшие растения, а в качестве гетеротрофного — животных. В перспективе представляется особенно важно создать такие системы для лунной или марсианской базы. Подобные системы, обладая достаточно высокой надежностью, могут рассматриваться как дополнительный или альтернативный вариант на марсианском корабле (при условии их совершенствования и цикла испытаний на Земле и в космических полетах).

Уровень подготовки физико-химической СЖО позволяет приступить к разработке системы для марсианской экспедиции. Одновременно должны быть продолжены исследования и испытания элементов биологических и гибридных СЖО. Проводимые в настоящее время исследования станут первым этапом на пути создания замкнутой биотехнической системы жизнеобеспечения с круговоротом веществ и энергии, аналогичным природным биоценозам.

ВОПРОСЫ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Космическая радиация — одна из главных проблем полета на Марс. Благодаря защитному действию магнитосферы и атмосферы Земли она не представляет значительной угрозы для жизни и здоровья космонавтов во время околоземных полетов, за исключением опасных солнечных вспышек (когда экипаж можно срочно эвакуировать с орбиты на Землю). В ходе марсианской экспедиции экипаж будет подвергаться воздействию радиационных поясов Земли, галактического космического излучения (ГКИ) и солнечной радиации (включая радиацию большой интенсивности, связанную с солнечными вспышками и плазменными облаками). Солнечные вспышки могут привести к воздействию летальных доз радиоактивного поражения. Но и меньшие дозы могут снизить продолжительность жизни, дать толчок к развитию катаракты, возникновению раковых заболеваний и генетических нарушений (поэтому большое значение имеет прогнозирование протонных солнечных вспышек).

Необходимо также заранее регистрировать на трассе полета потоки радиации ГКИ, их состав и энергетический спектр, взаимодействие с обшивкой космического корабля, чтобы определять их биологический эффект и вовремя принять меры защиты. Известно, что входящие в состав ГКИ тяжелые заряженные частицы обладают огромной энергией и могут вызывать нежелательные воздействия на организм космонавтов.

Поэтому осуществление марсианской экспедиции невозможно без принятия специальных мер защиты (выбор для полета оптимальной фазы солнечной активности, создание на борту КК радиационного убежища, поиск оптимальной толщины оболочки марсианского корабля, применение фармакологических средств, сокращение длительности экспедиции). Во время пребывания на поверхности Марса космонавтов в какой-то мере будут защищать от космической радиации атмосфера планеты, а также марсианский грунт.

По мере получения новых данных об условиях на Марсе и реакциях организма на воздействие факторов космического полета изменятся подходы к медико-биологическому обеспечению марсианской экспедиции.

Методы и технологии, определяющие надежность главных компонентов медико-биологического обеспечения марсианской экспедиции, будут отрабатываться в специальных наземных комплексах, на Международной космической станции и лунной базе, в полетах беспилотных космических аппаратов.

Авторы выражают признательность сотрудникам ИМБП — А.Д. Егорову, В.М. Петрову, В.П. Сальницкому, Ю.Е. Синяку и В.Н. Сычеву, предоставившим свои материалы для подготовки данной статьи.

23 и 28 июля 1999 г. во время двух выходов в открытый космос российские космонавты В. Афанасьев и С. Авдеев успешно выполнили эксперимент “Рефлектор” на орбитальном комплексе “Мир”. Он проводился с целью изучения механических характеристик и отработки процесса развертывания конструкции радиоантенны нового типа в условиях космического пространства.

Эксперимент состоял из нескольких этапов: доставки аппаратуры и радиоантенны “Рефлектор” на станцию “Мир” грузовым кораблем “Прогресс М42”, проведение космонавтами монтажных работ в открытом космосе, развертывание антенны и ее сброс. Конструктивно рефлектор, используемый в эксперименте, представляет собой отражатель параболической антенны с максимальным диаметром 6,4 м, имеющий принципиально новые технические решения и обладающий высокой отражательной поверхностью и жесткостью элементов.

Главная цель эксперимента — проверка конструкции радиоантенны в космических условиях, необходимая для разработки и производства новых спутников связи. Крупногабаритные трансформируемые рефлекторные антенны — основной элемент спутниковых систем. Антенны такого типа могут быть использованы на геостационарных телекоммуникационных спутниках, предназначенных для обеспечения цифрового телерадиовещания, подвижной спутниковой связи и навигации. Эти антенны позволяют создавать более мощные узконаправленные лучи, улучшающие качество связи, и предотвращают частотные потери, предполагая повторное использование частот.

Разработали и изготовили аппаратуру и антенную конструкцию для эксперимента “Рефлектор” РКК “Энергия” и совместная российско-грузинская компания “EGS”.

По материалам РКК “Энергия” и Центра управления полетом