Как устроена миссия на Луну «Артемида-2»: новая архитектура пилотируемых полетов

Я загорелся темой полетов на Луну и Марс еще во время учебы в университете — поэтому и диплом решил посвятить траекториям возвращения на Землю.

Мало кто об этом задумывается, но именно возвращение — один из самых сложных этапов миссии. Корабль входит в атмосферу со скоростью около 40 000 км/ч: возникают огромные перегрузки, корпус нагревается до экстремальных температур. Один из способов справиться с этим — эффект «рикошета» от атмосферы: корабль как будто отскакивает от нее, как камешек от воды. Это позволяет разбить один тяжелый спуск на несколько более мягких этапов.

Когда в отчетах по миссии «Артемида-2» я увидел именно такой подход, это было особенно приятно! Подробнее об этом расскажу дальше, а пока — разберемся, как устроена сама миссия.

Полет к Луне — это не одна технология и не один корабль, а сложная система, где должны слаженно работать сразу несколько ключевых элементов:

• ракета SLS — выводит корабль на траекторию к Луне;
• корабль Orion — обеспечивает полет к Луне и возвращение на Землю;
• лунные посадочные платформы SpaceX и Blue Origin — отвечают на высадку экипажа на поверхность Луны, в рамках следующей миссии будут тестировать оба корабля;
• траектория полета — определяет безопасность миссии.

Теперь разберем, как всё это технически устроено и как складывается в одну миссию. Это поможет лучше понять, чего нам будет стоить возвращение на Луну.

Ракета SLS (Space Launch System) — это сверхтяжелый носитель для пилотируемых миссий за пределы околоземной орбиты. В базовой конфигурации Block 1 она выводит около 95 тонн на низкую околоземную орбиту и 27 тонн на траекторию к Луне — это системы жизнеобеспечения для космонавтов, тепловой щит для посадки, топливные баки, движок и так далее.

Так NASA осталось без собственных пилотируемых кораблей и было вынуждено покупать места у Роскосмоса для доставки астронавтов на МКС. При этом стремление к самостоятельным полетам никуда не исчезло: на МКС астронавты жили по полгода, технологии развивались, а амбиции росли. Хотелось снова лететь на Луну, а в перспективе — на Марс, но подходящей ракеты под эти задачи не было, а ее создание тормозили финансовые и политические ограничения.

Поэтому, когда в 2011 году NASA приняло решение строить SLS, использовали максимум наработок от Space Shuttle, адаптируя их под новые задачи. Почти вся нужная инфраструктура уже была, элементы конструкции — тоже.

Если упростить, можно выделить три главных заимствованных решения:

• двигатели RS-25 — те же, что стояли на шаттлах;
• твердотопливные ускорители — модернизированные боковые ускорители шаттлов (SRB).

Далее я разберу эти компоненты по порядку. Начну с двигателей, потому что они фундамент ракеты — именно с них начинается проектирование.

Для запуска ракеты SLS используют топливную связку: жидкий водород (LH₂) в качестве горючего и жидкий кислород (LOX) — в качестве окислителя. Эта пара дает максимальный удельный импульс (Isp) среди всех применяемых в современной космонавтике ракетных топлив.

Однако водород имеет ряд критических сложностей. Это криогенное топливо, которое нужно хранить при экстремально низкой температуре — около −253 °C. Даже малейшее отверстие в баке грозит утечкой: молекулы водорода настолько малы, что пройдут через любую микрощель. К тому же низкая плотность водорода требует огромных баков, которые сами добавляют массу и усложняют конструкцию. Металл при таких температурах становится хрупким, риск появления трещин и деформаций растет.

Эти сложности уже дали о себе знать: в марте при подготовке «Артемиды-2» обнаружили утечки, из-за чего запуск пришлось отложить. Во времена «Аполлона» с капризами жидкого водорода тоже сталкивались, но требования к безопасности тогда были мягче, и переносы запусков случались реже. Стандарты ужесточились после аварий шаттлов.

Сегодня инженеры смотрят на водород более прагматично, чем во времена Space Shuttle. Учитывая высокую стоимость его производства и хранения, сложность криогенной инфраструктуры и добавочный вес больших баков, преимущества по удельному импульсу уже не так очевидны. В реальном балансе «эффективность — сложность — масса» водород часто уступает керосину и метану, поэтому его используют крайне редко.

С твердотопливными ускорителями похожая история — это тоже наследие Space Shuttle. Тогда, в 1970-е, жидкостные ускорители не могли дать сопоставимую мощность: чтобы добиться того же эффекта, пришлось бы резко увеличить массу и стоимость ракеты.

Поэтому для SLS пошли по уже знакомому пути: взяли твердотопливные ускорители и увеличили их примерно на треть, чтобы обеспечить необходимую скорость для полета к Луне.

Но у такого решения есть и обратная сторона. Как вы наверняка уже догадались, у твердого топлива есть ограничения: двигатель нельзя выключить после старта, тяга постоянная и не регулируется, поэтому управлять полетом сложнее. Представьте автомобиль, который все время держит высокие обороты и не позволяет «сбросить газ» — примерно так это и выглядит. Но для Space Shuttle и SLS этот компромисс оказался оправдан: огромная стартовая тяга и проверенная надежность важнее управляемости в первые минуты полета.

Как мы видим, ракета SLS — это своего рода «франкенштейн», собранный по частям из всех имеющихся у NASA резервов. Каждая деталь уже проверена отдельно, но вместе они могут вести себя непредсказуемо — именно поэтому было очень важно протестировать ракету в полете и убедиться в безопасности конструкции.

С этой целью в ноябре 2022 года была организована миссия «Артемида-1» — беспилотный облет Луны, который дал инженерам огромное количество данных о работе SLS в реальном режиме:

Температуру, давление, стабильность тяги и синхронность работы всех четырех двигателей первой ступени совместно с твердотопливными ускорителями невозможно было проверить на стенде. Только реальный полет смог показать, насколько эти параметры совпадают с расчетами.

Они работают всего около двух минут, но за это время успевают создать мощные вибрации корпуса и повлиять на поведение центральной ступени в полете. Полученные данные инженеры использовали, чтобы усилить корпус и сделать ракету более устойчивой к вибрациям перед началом миссии «Артемида-2».

Во время миссии «Артемида-1» включали двигатель RL10, который разгоняет корабль к Луне. Важно было проверить, насколько корректно подается топливо, как ступень держит ориентацию и выдерживает ли перепады температуры. Эти данные помогли убедиться, что всё готово к следующей миссии.

При этом полеты ракеты SLS получились жутко дорогими. По оценке NASA, каждый ее запуск с кораблем Orion стоит 4−4,1 млрд долларов, и это без учета разработки. Такая высокая стоимость — следствие выбранной архитектуры. SLS строили на проверенных решениях и инфраструктуре времен Space Shuttle, чтобы снизить риски и ускорить разработку.

Все эти инженерные решения — от водородных двигателей до мощных ускорителей — уже были проверены в миссии «Артемида‑1». В «Артемиде-2» ракета прошла повторную проверку в составе пилотируемой миссии: нужно было убедиться, что архитектура SLS безопасно выводит Orion на транслунную траекторию и готова к дальнейшим полетам с экипажем.

Главная задача ракеты — доставить полезный груз из точки, А в точку Б. В миссии «Артемида-2» этой нагрузкой стал Orion — новый пилотируемый корабль NASA, созданный специально для полетов за пределы околоземной орбиты. Он рассчитан на миссии до Луны и обратно, принимает экипаж до четырех человек и поддерживает их жизнь на протяжении нескольких недель.

Лунная миссия ставит перед инженерией три ключевых вызова:

• Автономность — корабль должен работать без стыковки существенно дольше, чем при полете к МКС.
• Радиация — вокруг нет защитного магнитного поля Земли, уровень излучения выше, а возможности защиты ограничены.
• Скорость при возвращении — скорости приближаются ко второй космической (около 11,2 км/с вместо 7,9 км/с на орбите), что требует надежной и мощной теплозащиты.

Остановлюсь на каждом пункте подробнее.

Сейчас астронавты летают к МКС на корабле Crew Dragon от SpaceX. В стандартной конфигурации он может автономно работать 7−10 дней без стыковки, опираясь только на собственные запасы кислорода, воды и энергии.

Orion в этом плане мощнее: он рассчитан на автономный полет до 21 дня, с запасом воздуха, воды, энергии и защитой от радиации. Поэтому он подходит для транслунных миссий, в то время как Dragon ограничен орбитой Земли.

Как дышать?

Кислород берут с собой с Земли — в сжатом виде. В сервисном модуле находятся баки с кислородом и азотом, из которых формируется дыхательная смесь для экипажа. По мере потребления кислород подается в кабину, а углекислый газ, который выдыхают астронавты, удаляется с помощью специальных фильтров и абсорберов.

Это принципиально более простая и надежная схема по сравнению с полностью замкнутыми системами как на МКС: она не требует сложных химических реакторов или электролиза воды, но ограничивает длительность миссии, ведь запас газа конечен. Поэтому Orion подходит для полетов к Луне продолжительностью в несколько дней или недель, но не рассчитан на долгие межпланетные экспедиции — для них потребуются системы регенерации кислорода.

Откуда брать энергию?

Сердце корабля — его энергетика, и у корабля «Орион» таких сердца два — солнечные панели на сервисном модуле и аккумуляторы. Солнечные панели дают почти неограниченный источник энергии и не требуют расходных материалов, но зависят от ориентации корабля и времени суток, при этом требуют аккумуляторов для сглаживания пиков нагрузки.

На кораблях «Аполлон» всё было иначе: энергию вырабатывали топливные элементы — специальные химические устройства, в которых происходила реакция водорода с кислородом. Такая система обеспечивала стабильное питание, независимо от положения корабля, а еще давала полезный побочный продукт — воду для питья и бытовых нужд экипажа. Но недостаток решения очевиден: сильное увеличение массы за счет заранее заправленных химических реагентов и дополнительных кислорода и водорода. Поэтому в миссии «Артемида» это решение повторять не стали.

А что с электроникой?

Корабль «Орион» — это не только капсула, но и огромная сеть электронных «мозгов». Аппарат буквально «живет» благодаря системе датчиков и сложных вычислительных систем:

• Гироскопы, акселерометры и звездные датчики постоянно отслеживают положение корабля, обеспечивая точную ориентацию при транслунном разгонном маневрe и будущих стыковках с посадочной платформой.
• Датчики давления, температуры и утечек топлива непрерывно мониторят состояние двигателя и баков.
• Системы жизнеобеспечения автоматически поддерживают кислород, давление, температуру и фильтрацию углекислого газа.
• Навигация, связь и телеметрия позволяют «Ориону» работать автономно, передавая сотни тысяч показаний на Землю и корректируя полет без постоянного вмешательства человека.

Важное отличие миссии «Артемиды» от миссии «Аполлон» — инженерные решения для всех этих систем. Тогда все приборы были аналоговыми, сейчас — преимущественно цифровые и сенсорные.

В обычной жизни от космических лучей и радиации нас спасает магнитное поле Земли — оно перенаправляет опасную радиацию к полюсам. А вот на транслунной траектории радиация представляет серьезную опасность и для экипажа, и для самого корабля. На миссии «Артемида-1» внутри корабля установили более 5 000 датчиков, которые фиксировали уровень излучения на протяжении всего полета. Оказалось, что доза радиации за одну лунную миссию сопоставима с годовой дозой на МКС — десятки миллизивертов.

Пока человечеству известен только один эффективный способ защититься от радиации в космосе — экранирование. Корпус корабля собирают из алюминиевых и композитных конструкций, которые частично отражают излучения. Данные, которые мы получили во время миссии «Артемида-1» показали, что в стандартных условиях такой защиты хватает. Но важно учесть и нестандартные, например, солнечные вспышки, во время которых уровень радиации увеличивается в разы.

На такой случай в кабине корабля предусмотрено штормовое укрытие (storm shelter) — зона, куда экипаж может переместиться, если радиация заметно вырастет. Эта зона окружена баками с водой, оборудованием и запасами — плотные материалы эффективно поглощают заряженные частицы. В результате уровень радиации может быть почти в два раза ниже, чем у стенок корпуса. Но как астронавты узнают об опасности? Благодаря датчикам и системам мониторинга, которые отслеживают уровень радиации в реальном времени.

Кстати, на МКС используется похожий подход, хотя риски там в разы ниже: астронавтов защищает магнитное поле Земли.

Одно из ключевых отличий межпланетных кораблей от орбитальных — скорость полета. При возвращении от Луны аппарат входит в атмосферу на скорости около 11 км/с (примерно 38 000 км/ч). Из-за трения об атмосферу он нагревается до нескольких тысяч градусов и сталкивается с потоками плазмы.

Чтобы такое возвращение было безопасным, необходима эффективная теплозащита. В «Орионе» для этого используют материал Avcoat — абляционное покрытие того же класса, что применялось еще на «Аполлоне», но в современной версии. Его принцип прост: материал постепенно выгорает, унося тепло и защищая внутреннюю конструкцию капсулы. При возвращении с низкой околоземной орбиты «Союз» работает по тому же принципу, правда из-за более низких скоростей (около 7,9 км/с, или 28 000 км/ч) требования к защите там существенно мягче.

А есть ли минусы? Один, зато существенный — эта защита одноразовая. В отличие от шаттлов с их многоразовыми теплозащитными плитками, «Орион» сознательно возвращается к абляционной схеме: она проще, надежнее и лучше подходит для экстремальных скоростей возвращения из дальнего космоса. Инженеры снова сделали выбор в пользу предсказуемости поведения материала — для пилотируемых полетов за пределы орбиты Земли это критично.

Управляемый вход в атмосферу

На таких высоких скоростях критична не только теплозащита, но и то, как именно аппарат проходит через атмосферу.

При определенных углах входа возникает значительная подъемная сила, и аппарат может «отрикошетить» от верхних слоев атмосферы — примерно как камешек отскакивает от воды, когда мы пускаем «блинчики». И это не баг, а фича, которую можно использовать в своих целях: корабль сначала слегка тормозится при первом погружении — примерно до первой космической (28 000 км/ч), затем снова поднимается и только после этого окончательно входит в плотные слои атмосферы.

Для чего это нужно? Во-первых, снижаются перегрузки. Если при прямом входе у «Аполлонов» они достигали примерно 10−12 g, то рикошетирующая траектория разбивает спуск на два этапа — с перегрузками около 4 g. Это уже близко к возвращению с МКС.

Во-вторых, такая схема дает больше контроля над дальностью и точностью посадки. Для миссий «Артемида» это было критично, ведь основной район приводнения — Тихий океан у побережья Калифорнии, где заранее развернули флот для поиска и эвакуации экипажа, и важно было посадить капсулу как можно ближе к расчетной точке. Во время миссии «Артемида-1» все расчеты подтвердились: капсула показала точность в пределах нескольких километров.

Сама идея рикошетирующей траектории не нова: подобные расчеты прорабатывались еще в советской лунной программе и были испытаны на кораблях «Зонд-5» и «Зонд-6» с черепахами и мухами на борту — тогда живые существа впервые облетели Луну. Эти эксперименты показали, что схема с двумя «погружениями» рабочая. А сегодня она возвращается уже как часть архитектуры пилотируемых лунных миссий.

Миссии «Артемида-1» и «Артемида-2» используют траекторию свободного возвращения. То есть корабль выводится на такой маршрут к Луне, при котором даже без включения двигателей он автоматически вернется к Земле под действием земной и лунной гравитаций.

Схема полета проста по своему замыслу, но при этом элегантна по механике: с околоземной орбиты «Орион» разгоняется к Луне и проходит на заданном расстоянии от ее поверхности. Затем лунная гравитация «разворачивает» корабль обратно к Земле — словно изгиб горки в аквапарке. Корабль совершает этот маневр без дополнительного топлива, почти как по природному автопилоту.

Конечно, это идеальный сценарий. В реальном полете траекторию почти всегда приходится оптимизировать под задачи миссии, и от «чистого» свободного возвращения часто отказываются. Так было и с «Аполлоном-13»: изначально миссия летела по гибридной траектории, рассчитанной на посадку в конкретном районе Луны, но после взрыва кислородного бака экипажу пришлось срочно возвращаться к безопасной траектории облета. В итоге гравитация Луны всё же помогла развернуть корабль обратно к Земле.

Схема полета с посадкой на Луну устроена гораздо сложнее, чем свободное возвращение в рамках «Артемиды-2», при этом она совсем не новая. Еще в 1920-е годы советский инженер Юрий Кондратюк предложил идею разделения корабля на орбитальную и посадочную части. Спустя десятилетия к похожей концепции пришли и в NASA — именно по этой схеме летали миссии программы «Аполлон», ее же используют в программе «Артемида».

В «Артемиде-3» проверят посадочные лунные корабли. В «Артемиде-4» протестируют полет целиком: первые этапы полета повторяют «Артемиду-2» — экипаж стартует на ракете SLS, выходит на околоземную орбиту и выполняет транслунный разгонный маневр, который отправляет корабль к Луне.

А дальше начинается ключевое отличие. Долетев до Луны, «Орион» выходит на окололунную орбиту, где его уже ждет посадочный модуль, доставленный заранее. После стыковки экипаж разделяется: двое астронавтов переходят в посадочную платформу и отправляются на поверхность, а двое остаются на орбите Луны.

Пока одна часть экипажа работает на поверхности, другая остается на орбите: поддерживает связь, контролирует системы и готовит возвращение. После завершения лунной миссии экипаж снова стыкуется, и только затем начинается обратный перелет на Землю.

На первый взгляд кажется более логичным отправить на Луну один корабль: прилететь, сесть, а потом вернуться тем же составом. Но в реальности такая схема вряд ли сработала бы — из-за уравнения Циолковского и ограничений по ракетной массе. Проблема в топливе. Чтобы посадить на Луну такой тяжелый корабль, как «Орион», пришлось бы затормозить его при посадке, поднять с поверхности, а затем снова разогнаться к Земле.

Это значит, что с собой нужно брать огромное количество топлива. В результате получается замкнутый круг роста массы: чтобы поднять больше топлива, нужно еще больше топлива.

Именно поэтому используют схему с разделением. Тяжелый «Орион» остается на орбите, а на поверхность Луны отправляется легкая посадочная платформа, адаптированная только для спуска, подъема и проживания на Луне.

Такая архитектура не просто более удобная — она единственно разумная с точки зрения энергетики. Поэтому она не теряет своей актуальности вот уже сотню лет.

Самая новая часть архитектуры — лунные посадочные платформы. NASA отказалось от классического «сделать всё самим» и запустило программу закупок HLS (Human Landing System).

В 2021 году контракт на разработку лунного посадочного модуля получила SpaceX — его решили разрабатывать на базе Starship. Другой партнер программы — компания Blue Origin также получила участие в программе. SpaceX проектирует модуль для ранних миссий «Артемида-3» и «Артемида-4», а Blue Origin — для «Артемиды-5» и последующих, чтобы обеспечить резерв и конкуренцию.

Фактически это значит, что NASA тестирует не один посадочный корабль, а сразу несколько подходов к лунной доставке. Чей модуль выберут в итоге, будет зависеть от результатов тестов. При этом ни SpaceX, ни Blue Origin пока не имеют полностью готовых систем, хотя по графику испытания должны проходить уже в 2027-м.

Важнейший этап миссии — стыковка «Ориона» с лунной посадочной платформой. Сейчас в NASA идут обсуждения, как лучше это организовать: запустить посадочную платформу на лунную орбиту заранее или, как и прежде, отправить ее с Земли вместе с «Орионом».

Это даст системе сразу несколько преимуществ. Во-первых, посадочную платформу можно заранее удаленно проверить и подготовить еще до прибытия экипажа, что повышает надежность всей миссии. Во-вторых, такая схема снижает зависимость всей операции от единого запуска и делает архитектуру более гибкой и устойчивой к сбоям.

Полет в рамках миссии «Артемида-2» поставил рекорд: достигнута самая дальняя точка космоса, где когда-либо побывал человек — почти 407 тысяч километров от Земли. В 2027-м нас ждет «Артемида-3», в которой будут тестировать лунные посадочные платформы на орбите Земли. В 2028-м — «Артемида-4» с первой высадкой на Луну. А к 2030-м годам планируют создать Международную лунную научную станцию с участием России, Китая и других стран.

Теперь попробуем отдалиться от конкретных решений и посмотреть на программу «Артемида» в целом — что это вообще за система и как она устроена. Это не просто «возвращение на Луну», а переход к новой архитектуре пилотируемых полетов. Здесь нет одного уникального решения — есть десятки инженерных компромиссов: в топливе, траекториях, компоновке кораблей, распределении задач между системами.

И в этом смысле «Артемида» — логичное продолжение «Аполлона»: те же физические ограничения, но уже с другими инструментами и гораздо более сложной системой. Речь идет не только о разовых экспедициях, а о заделе под постоянное присутствие на Луне. Именно поэтому эта программа интересна не только как событие, но и как инженерная задача — куда более сложная, чем кажется на первый взгляд.

Спустя 50 лет человечество возвращается на Луну — и это ощущается как новый глоток в космонавтике. Очень здорово, что мы с вами можем вживую наблюдать такое историческое событие! Уверен, что и высадки на Марс мы с вами тоже застанем.