Последний космический шанс Первушин Антон

4.2. Проблема тяги

Существует множество проектов колонизации и терраформирования Марса, которые очень любят обсуждать популяризаторы и научные журналисты. Довольно часто на телевизионных экранах можно увидеть фильмы, в которых высадка экспедиции на Марс представляется чуть ли не как свершившийся факт. Ожидания подогревают и космические агентства, которые периодически вбрасывают в медийное пространство сообщения о подготовке такой экспедиции, разработке марсианских скафандров и пилотируемых марсоходов, создании тренажерных комплексов и проведении соответствующих экспериментов на борту Международной космической станции. Даже президенты не смогли противостоять соблазну покрасоваться в ипостаси лидеров завоевания Марса. К примеру, Дмитрий Медведев неоднократно заявлял, что освоение красной планеты является стратегической целью российской космонавтики. Барак Обама хоть и закрыл программу «Созвездие», но, выступая в Космическом центре имени Кеннеди во Флориде, вдруг заявил, что в середине 2030-х годов американцы полетят к Марсу, а сам он рассчитывает «дожить до этого, чтобы увидеть воочию». У обывателя, далекого от космических проблем, складывается вполне конкретное впечатление: если не в этом десятилетии, то в следующем Марс станет достижим; туда начнут летать космонавты, на поверхности появится обитаемая база, сбудется очередная мечта. Но мы не будем уподобляться обывателям, а снова поищем корень проблемы, сопоставив цель и возможности.

Первые инженерные проекты полета на Марс появились еще в 1920-е годы. Пионером тут выступил инженер Фридрих Цандер, веривший в существование «каналов», марсиан и разрабатывавший проект межпланетного ракетоплана. Константин Циолковский, которого Цандер считал своим учителем, тоже подумывал об экспедиции на Марс, но считал, что на первом этапе достаточно будет облететь красную планету без высадки на ее поверхность. И Циолковский, и Цандер уже тогда понимали, что двигатели на химическом топливе не подходят для столь грандиозного космического путешествия. Они видели выход в создании принципиально новых транспортных средств, использующих испаряемый металл в качестве топлива и атомный реактор в качестве источника энергии для испарения этого металла.

Качественный переход к транспортной системе следующего поколения необходим прежде всего потому, что пилотируемая экспедиция к Марсу и обратно в самом идеальном варианте займет минимум два года. На эти два года экипаж необходимо обеспечить всем необходимым: кислородом, водой, продуктами питания, гигиеническими принадлежностями, медицинскими препаратами и оборудованием. Самые оптимистичные расчеты, сделанные на заре космической эры, показывали, что корабль без топлива должен весить порядка 100 т. А мы помним, что по формуле Циолковского потребное для разгона топливо значительно превышает «сухую» массу корабля.

Фрагмент рукописи Константина Циолковского, в которой он выводит свою знаменитую формулу (1897 год)

Давайте разберем этот вопрос по порядку, хотя нам придется повторить уже пройденное. В первой главе мы коснулись понятия «характеристической» скорости – суммарной скорости, которая включает в себя все приращения/сокращения скорости ракетно-космической системы при разгонах/торможениях, необходимых для полета к другой планете, для выхода на ее орбиту и для возвращения к Земле. «Характеристическую» скорость можно прямо подставлять в формулу Циолковского, чтобы приблизительно оценить количество топлива, необходимое для такого путешествия. В первой главе я указал, что для достижения Луны по схеме «Сатурн-Аполлон» (т. е. когда корабль с ракетой стартуют с Земли, а возвращается только спускаемая капсула, парашютирующая в атмосфере) требуется «характеристическая» скорость около 25 км/с. Для полета на Марс в самом идеальном случае требуется 30 км/с. Допустим, мы собираем корабль на орбите и, следовательно, можем отбросить 8 км/с, которые «забирают» на себя сверхтяжелые ракеты-носителя, придавая модулям корабля первую космическую скорость. Отбросим также вторую космическую скорость 11 км/с, с которой корабль будет возвращаться от Марса, из предположения, что мы не собираемся сажать его на Землю, а ждем только спускаемую капсулу с экипажем, которая затормозит за счет парашютов. Все равно получается значительная величина – 11 км/с.

Возьму расчетную часть на себя, не затрудняя вас просмотром таблиц и работой с калькулятором. Для тех, кто давно в теме, сообщаю, что я использовал формулу Циолковского в самом элементарном виде, подставляя в нее «характеристическую» скорость 11 км/с и предполагая, что «сухая» масса корабля с экипажем и грузом составляет 100 т. В таком варианте я менял только одну величину – теоретически достижимый удельный импульс (или «удельную тягу») при атмосферном давлении на срезе сопла (так называемый «расчетный случай»). С помощью удельного импульса, измеряемого в секундах, сравнивают топлива и двигатели друг с другом: чем он выше, тем топливо эффективнее, а двигатель совершеннее. Можно сказать и по-другому: чем выше удельный импульс, тем большую скорость можно развить при той же массе топлива, поскольку топливо сгорает медленнее при прочих равных условиях. Причем реально достижимый удельный импульс для двигателя заметно ниже теоретического импульса, рассчитанного для соответствующего топлива. Скажем, теоретический удельный импульс для топлива «кислород-керосин» – 335 секунд, но один из лучших советских кислородно-керосиновых двигателей РД-107, который стоял на ракете Р-7 и работает ныне на ракетах «Союз», смог вытянуть только 257 секунд, а модернизированный РД-107А, установленный на новейших ракетах «Союз-ФГ» и «Союз-2» – 263,3 секунды. Как видите, современным ракетным двигателям есть куда расти. Но мы в своих расчетах благородно возьмем максимальное теоретическое значение, чтобы сферический конь в вакууме стал по-настоящему сферическим. Для оценки используем четыре вида топлив: «кислород-керосин» (удельный импульс 335 секунд; это топливо активно используется в космонавтике), «кислород-водород» (удельный импульс 428 секунд; это топливо считал лучшим Константин Циолковский), «фтор-водород» (449 секунд; это топливо считается перспективным сегодня) и некое многокомпонентное высокоэнергетическое топливо будущего (500 секунд; такой физический предел определил для химических топлив немецкий ученый Эйген Зенгер).

В результате простого расчета получилось вот что. Для марсианского корабля массой 100 т, использующего в качестве топлива кислород-керосин, понадобится 2 742 т топлива; для использующего кислород-водород – 1 273 т; для использующего фтор-водород – 1 115 т; для использующего «предельное» многокомпонентное топливо Зенгера – 842 т.

Тут следует заметить, что в космосе удельный импульс выше за счет естественного повышения разницы давлений внутри и вне двигателя. Но всю выгоду легко «сожрет» масса криогенного оборудования, необходимого для хранения и распределения жидких топлив. Так что наши оценки близки к истине, и сферический конь массой 100 т потребует для полета к Марсу и обратно свыше 800 т самого лучшего топлива, которое еще и не создано. Чудовищная масса, если вдуматься! Даже если завтра появится ракета-носитель, способная выводить 200 т на опорную орбиту, потребуется как минимум пять запусков огромных ракет, чтобы собрать корабль. Однако напомню, «предельного» химического топлива имени Эйгена Зенгера пока нет в природе.

РД-107 – двигатель первой ступени ракеты «Р-7»

Подобные расчеты делались неоднократно. И почти сразу изобретатели стали предлагать варианты, как обойти суровую формулу. Например, упомянутый Фридрих Цандер предлагал сжигать в двигателе часть корабля – от этого получалась двойная выгода: облегчение конструкции и использование новых топлив. Именно он впервые сформулировал концепцию электро-ракетного двигателя, имеющего серьезные преимущества перед двигателями на химическом топливе.

В электроракетных двигателях (ЭРД) рабочее тело разогревается с помощью электричества и подается в реактивное сопло, создавая тягу. Первое преимущество налицо: такому двигателю не нужен окислитель, который занимает львиную долю топливных баков. Второе не так очевидно, но тоже имеет физический смысл: наиболее эффективны те виды топлива, которые обладают большей плотностью. Опыты с электроракетными двигателями начались в Советском Союзе уже в мае 1929 года под руководством талантливого молодого ученого Валентина Глушко, который работал в Газодинамической лаборатории в Ленинграде, а много позже стал одним из главных конструкторов ракетной техники и академиком.

В ходе исторических экспериментов Глушко удалось добиться эффекта «электрического взрыва», когда металлический проводник разогревался до миллиона градусов и мгновенно превращался в пар. Аналогичные опыты были проведены в США только в конце 1950-х годов. И получились совершенно шикарные цифры по удельному импульсу. Электрический взрыв вольфрамовой проволоки дал удельный импульс в 2200 секунд (на порядок больше кислородно-керосинового двигателя РД-107).

Эксперименты с алюминием, железом, медью, золотом и серебром дали разброс импульса от 1000 до 5000 секунд! Подставим последнее число в нашу формулу и получим на выходе 25 т – то есть корабль вместе с запасом металлического топлива будет весить всего 125 т и его можно будет вывести на опорную орбиту одной сверхтяжелой ракетой типа «Сатурн-5».

К сожалению, природа легко не сдается: при взрыве тяжелых металлов образуются твердые частицы, которые разрушают сопло. Посему имеет смысл использовать более легкие металлы с меньшим удельным импульсом (литий, натрий, бериллий, магний) и разогревать их постепенно, жертвуя реальной тягой. Другой путь – греть с помощью жаропрочного элемента инертный газ (гелий, ксенон, аргон).

Европейский межпланетный аппарат «SMART-1»

Электроракетные двигатели уже находили применение в космонавтике. Например, в 2003 году к Луне был запущен аппарат «Смарт-1» (“SMART-1”, “Small Missions for Advanced Research in Technology”), на котором стоял французский двигатель PPS-1350-G. В качестве рабочего тела применялся разогретый до плазмы ксенон. Двигатель проработал в космосе приблизительно 5000 часов, истратив за это время 80 кг ксенона, причем удельный импульс составил 1670 секунд. Двигатели на ксеноне и ртути использовались в системах ориентации и маневрирования спутников СССР, США и Великобритании. Сегодня они находят все большее применение в межпланетных аппаратах. Три ксеноновых двигателя NSTAR установлены на американском аппарате «Рассвет», изучающем главный пояс астероидов. За время этой миссии, которая еще не завершена, будет израсходовано 425 кг ксенона при массе аппарата 1240 кг, удельный импульс достигает 3100 секунд – фантастическая величина! И сразу бросается в глаза, что «топливо» весит намного меньше, чем сам космический аппарат – при использовании обычных химических топлив все было бы ровно наоборот.

Электротермические ракетные двигатели планируется использовать и в дальнейшем. В 2004 году НАСА инициировало проект «Спутник юпитерианских ледяных лун» (“Jupiter Icy Moons Orbiter”, JIMO) – большого межпланетного аппарата, нацеленного на изучение системы спутников Юпитера. Научный модуль массой 1,5 т должны были доставить к далекой планете восемь ксеноновых двигателей “Herakles” с удельным импульсом 7000 секунд. К сожалению, из-за экономических трудностей этот проект заморожен.

Давайте возьмем удельный импульс 7000 секунд и подставим его в нашу формулу. На выходе получим 17 т ксенона. Получается, что корабль, создаваемый для полета на Марс и снабженный такими двигателями, будет весить всего-навсего 117 т (близко к грузоподъемности ракеты «Энергия»), и это не фантастика, а техническая реальность. Почему же конструкторы ракетно-космической техники не бросили все силы на создание электро-ракетных двигателей, отказавшись от «химии»?

Ответ на этот вопрос можно найти в первой главе, но повторим его, чтобы зафиксировать еще раз. Электроракетные двигатели нуждаются в мощном источнике энергии. Никаких аккумуляторов не хватит, чтобы поддерживать их работу достаточно продолжительное время. Энергию необходимо восполнять, но в космосе это можно сделать только двумя способами: преобразуя с помощью солнечных батарей энергию нашего светила или организовав на борту собственную электростанцию. Упомянутые двигатели “Herakles” потребляют 104 киловатт. На орбите Земли на квадратный метр поверхности от Солнца поступает около 1,4 киловатт («солнечная постоянная»). Коэффициент фотоэлектрического преобразования лучших солнечных батарей, созданных сегодня в виде уникальных лабораторных образцов, не превышает 43 % (самые дорогие промышленно выпускаемые солнечные батареи дают 24 %) – т. е. в наилучшем случае мы может рассчитывать на 0,6 киловатт с квадратного метра. Таким образом, чтобы выдать 104 киловатт, мы должны разместить на JIMO панели солнечных батарей общей площадью 173 м², а это довольно громоздкая конструкция. Причем следует помнить, что батареи деградируют под воздействием заряженных частиц и микрометеоритов, а главное – чем дальше мы улетаем от Солнца, тем быстрее падает производительность. Если же поставить на JIMO ядерный реактор соответствующей мощности, то ему потребуется большой радиатор для сброса избыточного тепла – площадью 422 м². Но речь, напомню, идет всего лишь о межпланетном аппарате с полезным грузом 1,5 т. А пилотируемый корабль должен весить около 100 т и потребности его в энергии будут велики – по разным оценкам, от 7 до 15 мегаватт. Соответственно, ему понадобятся либо колоссальные панели солнечных батарей, либо огромные панели радиатора. Такую конструкцию не то, что построить, ее и представить себе трудно.

Электроракетный двигатель PPS-1350-G

Возьмем самый современный из существующих проектов экспедиции на Марс, подготовленный в 1999 году инженерами Ракетно-космической корпорации «Энергия». На Марс летят шесть космонавтов, общее время экспедиции – два года. Полет обеспечит блок электроракетных двигателей, работающих на литии. Масса всего корабля составляет 600 т, из них на жилой модуль объемом 410 м³ приходится лишь 70 т. Общая потребляемая мощность – 15 мегаватт, источником энергии станут панели солнечных батарей площадью 120 000 м² (семнадцать стандартных футбольных полей). Получается, что основную массу корабля составят именно солнечные батареи, что логично. И знаете, ради чего будет создана эта циклопическая и дорогая конструкция (если, конечно, она будет создана)? Ради того, чтобы два члена экипажа высадились на Марс и пробыли там семь суток. Не месяц, не год – семь суток! То есть воткнули флаг, прогулялись по округе, собрали энное количество грунта и полетели назад. На серьезные научные исследования у подобной экспедиции просто не будет времени. Стоит ли овчинка выделки?..

К счастью, инженерная мысль не стоит на месте. С принципиально новым проектом космического движителя для межпланетного корабля выступили ученые из Исследовательского центра имени Мстислава Келдыша. Они предложили создать космическую атомную электростанцию турбомашинного типа: ядерный реактор будет греть рабочее тело (инертный газ), которое вращает турбину, приводящую в действие генератор – тот вырабатывает электроэнергию, которая идет на питание электроракетных двигателей. Сброс избыточного тепла при этом осуществляется через холодильник-излучатель довольно оригинальной конструкции: специальное устройство формирует и выпускает поток капель, которые излучают тепло в космос, проходя какое-то расстояние через вакуум, а потом капли собираются и снова вводятся в контур. В 1999 году на станции «Мир» уже проводился соответствующий эксперимент, и ученые убедились, что необычная система сброса избыточного тепла вполне работоспособна.

Расчетная мощность установки-прототипа – один мегаватт. Она будет питать два блока электроракетных двигателей класса СПД (стационарный плазменный двигатель) по шесть штук в каждом, работающих на ксеноне, с удельным импульсом 1700 секунд (проект калининградского ОКБ «Факел»).

Программа Исследовательского центр имени М. В. Келдыша предполагает следующие этапы. В 2010 году начало работ; в 2012 году – завершение эскизного проекта и проведение обстоятельного компьютерного моделирования рабочего процесса; в 2015 году – создание ядерной энергодвигательной установки; в 2018 году – создание транспортного модуля, использующего эту двигательную установку. Доставляться на орбиту модуль массой 20 т будет посредством ракеты «Ангара-А5», стартующей с космодрома Восточный. В первое время транспортный модуль будет заниматься перевозкой грузов с опорных орбит на геостационарные, затем такие модули будут устанавливаться на тяжелые межпланетные аппараты, а в перспективе – на межпланетные корабли.

Хотя в прессе периодически появляются пессимистические сообщения о закрытии проекта, в действительности он не стоит на месте, ему выделено целевое федеральное финансирование. Разработчики утверждают, что при использовании их модуля можно будет снизить общую массу марсианского корабля до 200 т (прикидочный расчет по нашей формуле это подтверждает), причем получится изящный линейный корабль, без огромных уязвимых панелей солнечных батарей и радиаторов.

Таким образом, есть шанс, что в ближайшем будущем мы увидим транспортную систему, которая совершит революционный переворот в космонавтике. Но достаточно ли ее для утверждения, что земляне скоро смогут отправиться на красную планету? Ведь одно дело, если туда полетит очередной «умный» робот, и совсем другое – если полетит человек, который остается самым сложным и непредсказуемым элементом пилотируемой ракетно-космической системы.

4.3. Убийственный космос

Основоположники космонавтики оптимистично предполагали, что невесомость не окажет сколько-нибудь существенного влияния на человеческий организм. Константин Циолковский уверял, что она приятна и способствует укреплению здоровья, а более поздние авторы предлагали даже отправлять на орбиту стариков, чтобы продлить им жизнь. Первые серьезные сомнения в верности такой точки зрения появились после суточного полета Германа Титова, который подхватил в полете кинетоз (укачивание, болезнь движения, морскую болезнь). С ней быстро научились бороться, разработав программу тренировки вестибулярного аппарата. Но главные проблемы были впереди.

В июне 1970 года из очередного рекордного полета на «Союзе-9» вернулись советские космонавты Андриян Николаев и Виталий Севастьянов. Они пробыли на орбите восемнадцать дней и успешно выполнили программу. Не возникло проблем и при спуске на Землю. Однако после этого началось странное.

Вот что об этом рассказывает сам Севастьянов: «Когда приземлились, нам было очень тяжело. Встретила нас поисковая группа быстро. Андрияна вытащили на руках, а я вылез сам и сел на обрез люка, но спуститься не могу. Еле дотерпел, пока и меня сняли. Андриян сидит и утирает лицо землей, а по пыльным щекам стекают слезы. Встать мы не могли. На носилках нас занесли в вертолет. Андрияна положили на лавку, а меня на пол около керосинового бака. Летим. И вдруг врачи к Андрияну кинулись и что-то суетятся. Я на четвереньках подполз, посмотрел, – а он без сознания. Еле откачали… Так нас на носилках из вертолета и вынесли…»

Обследование показало, что космонавты находились в тяжелейшем состоянии: сердце по площади уменьшилось на 12 %, а по объему – на 20 %, периметр бедра уменьшился на 7,5 см, периметр голени – на 3,5 см. Космонавты испытывали мышечные боли; к вечеру у них поднялась высокая температура и участился пульс. На следующий день экипаж «Союза-9» самолетом был доставлен из Караганды на аэродром Чкаловский, а оттуда в профилакторий Звездного городка под неусыпное наблюдение лучших врачей страны. Период острой реадаптации продолжался больше двух суток. И целых шесть суток космонавты не могли встать и самостоятельно ходить, но благодаря усилиям врачей все-таки постепенно восстановили свое здоровье.

Ракета-носитель «Союз» с кораблем «Союз-9» на старте

Дальнейшие исследования влияния невесомости на человеческий организм выявили ее коварство. Длительное нахождение в космосе вызывает серьезные изменения в организме, приводящие к снижению двигательной активности, потере мускульной массы, вымыванию кальция из костей, уменьшению объема крови, снижению работоспособности и иммунитета к инфекционным заболеваниям. Тело человека вытягивается, увеличивается его рост (в среднем на три сантиметра), но при этом становится дряблым и чрезвычайно уязвимым при травмах. Сами травмы заживают медленнее. В невесомости развиваются анемия (малокровие), учащенное сердцебиение, сопровождающееся аритмией. Из-за перетока крови от ног к голове ухудшается работа мозга, что может спровоцировать психические расстройства.

В ходе многолетних наблюдений и экспериментов был разработан целый комплекс профилактических средств (бегущая дорожка, велоэргометр, эспандеры, нагрузочный костюм «Пингвин», пневмовакуумный костюм «Чибис», минеральные пищевые добавки и другие средства), которыми стали оснащать все орбитальные станции. Предложенные мероприятия оказались эффективными: хотя длительность полетов экипажей впоследствии регулярно увеличивалась, космонавты по возвращении на Землю чувствовали себя относительно нормально. Ярким примером тому служит рекордный полет врача-космонавта Валерия Полякова – без ощутимых последствий для здоровья он прожил в космосе 437 суток, практически доказав, что полет человека к другим планетам возможен и не причинит ему существенного ущерба.

На основе исследований, проведенных Поляковым в условиях, приближенных к «боевым», определили тренировочный цикл, позволяющий космонавтам оставаться в хорошей физической форме. Цикл состоит из четырех дней: первые три дня космонавты тренируются с возрастающей нагрузкой, на четвертый отдыхают. При этом ежедневно космонавты «пробегают» до пяти километров на дорожке и «проезжают» до 10 км на велоэргометре. Необходимо также постоянно носить костюмы «Пингвин» (от 8 до 12 часов в сутки), которые за счет натянутых эластичных амортизаторов создают нагрузку на мышцы, достигающую 30 % земного веса космонавта. Вакуумный костюм «Чибис» предполагается применять сразу после старта, перед высадкой на другую планету и перед возвращением на Землю – своим воздействием он перераспределяет движение крови в сосудах, обеспечивая ее приток к ногам.

Казалось, проблема вредоносного воздействия невесомости решена. Однако космос тут же подбросил новые сюрпризы.

Даже тем, кто далек от космонавтики, ясно, что для осуществления длительных межпланетных перелетов необходимо создать внутри космического корабля достаточно комфортные условия. Основоположники утверждали, что когда-нибудь в таких кораблях будет создана полностью автономная биосфера («кусочек Земли»), которая снабдит экипаж продуктами питания, сможет восстанавливать кислород и воду за счет естественной переработки отходов человеческой жизнедеятельности.

Вот что Константин Циолковский писал по этому поводу в своей научно-фантастической повести «Вне Земли» (1918): «Выделения легких, кожи, почек и т. д. поглощались особыми сосудами и составляли прекрасную пищу для растений. Семена их были посажены в ящики с почвой, удобренной этими выделениями. Когда семена пустили ростки, сосуды с ними были выставлены на свет <…>. Необыкновенная сила солнечного света, не ослабленного толстым слоем земной атмосферы, непрерывное его действие, вертикальные лучи, отсутствие вредителей, наиболее благоприятные условия влажности и атмосферы сделали чудеса: не прошло и месяца, как маленькие растения были сплошь увешаны сочными, питательными и ароматическими плодами. Цветение было роскошно, оплодотворение – искусственно. Тяжести не было, веточки свободно распространялись, и плоды их не отягчали и не гнули. <…> Клубника, земляника, разнообразные овощи и фрукты росли не по дням, а по часам. Множество плодов давало урожай через каждые десять, пятнадцать дней. Сажали карликовые яблони, груши и другие небольшие плодовые кусты и деревья. Эти без перерыва цвели и давали изумительно большие и вкусные плоды. Одни деревья зацветали, другие имели уже спелые ягоды. Особенно удавались арбузы, дыни, ананасы, вишни, сливы. Но приходилось постоянно подрезывать подрастающие кусты и деревца. Плоды всякого сорта собирались непрерывно во всякое время, так как времен года не было: был один непрерывный, неизменный климат. <…> Вот почему можно было разводить растения всех стран…»

Пневмовакуумный костюм «Чибис»

Несмотря на явную утопичность этих идей, создатели практической космонавтики всегда признавали необходимость конструирования автономной биосферы в качестве одного из обязательных условий обеспечения космической экспансии. Первые серьезные эксперименты в данном направлении предприняли сотрудники Красноярского института биофизики Сибирского отделения Академии наук СССР. В 1964 году в системе «БИОС-1» была осуществлена замкнутая по газообмену двухзвенная система жизнеобеспечения «человек – хлорелла». Одноклеточные водоросли очень хорошо поглощали углекислый газ и вырабатывали кислород, однако оказалось, что хлорелла малопригодна для питания человека. В 1965 году в эксперименте «БИОС-2», кроме водорослей, использовались и высшие растения – пшеница, овощи. Добровольцы пытались есть хлореллу, добавляя в нее различные пищевые добавки, жарили ее, пекли пироги с хлореллой. Однако результат был тот же – эти водоросли в принципе не усваиваются человеческим организмом, вызывая отрыжку, метеоризм, тошноту и даже острую аллергическую реакцию. Дело в том, что гемицеллюлоза, из которой построена оболочка клетки хлореллы, практически не разрушается в желудочно-кишечном тракте, поэтому водоросль не может быть использована для питания человека.

Примерно в то же время к разработкам замкнутой системы жизнеобеспечения подключился московский Институт медико-биологических проблем Академии наук СССР (ИМБП Академии наук). Наибольшую известность получил эксперимент, проведенный в период с ноября 1967 по ноябрь 1968 года и вошедший в историю как «Год в земном звездолете». В изолированном объеме три добровольца проводили испытания систем жизнеобеспечения. Была там и гидропонная оранжерея, которая действительно демонстрировала неплохую урожайность, обеспечивая экипаж свежей зеленью. В ходе этого эксперимента было отмечено, что оранжерея требует особого ухода, но не способна обеспечить полноценного снабжения экипажа продуктами питания. В теории максимальный коэффициент замкнутости веществ в таких системах составляет 90–95 %. Следовательно, даже в идеальном случае около 5-10 % компонентов должны восполняться из запасов. Кроме того, полноценная пища человека должна включать в себя белки животного происхождения – растительные белки скомпенсировать их отсутствие не могут, в них не хватает серосодержащих аминокислот. Есть и другие трудности: половина биомассы, образованной высшими растениями, несъедобна для человека, а без специальной обработки ее нельзя использовать даже в качестве удобрения.

Широкий резонанс получили исследования в большом комплексе «БИОС-3» объемом 315 м³, построенном в подвале Института биофизики. Понимая, что воспроизвести весь земной цикл невозможно, ученые поставили целью сделать минимальную биосферу из трех звеньев: «человек – хлорелла – растения». Строительство комплекса завершилось в 1972 году. В «БИОС-3» были проведены десять экспериментов с экипажами от одного до трех человек. Самый продолжительный эксперимент проходил 180 дней (1972–1973 годы). Удалось достичь полного замыкания системы по газу и воде, но главное – до 80 % потребностей экипажа в пище. В оранжереях при искусственном освещении выращивались пшеница, соя, салат, чуфа. Растения имели укороченные стебли, что позволяло снизить количество отходов. Продукты животного происхождения поставлялись в виде консервов. Дольше всех в «БИОС-3» прожил инженер Николай Бугреев – в общей сложности тринадцать месяцев. В начале 1990-х годов комплекс был законсервирован, а эксперименты в нем прекращены.

Если на Земле высшие растения удалось сравнительно легко включить в состав искусственной биосферы, то в космосе с этим возникли затруднения. Основоположники предполагали, что факторы космического полета окажутся, скорее, благоприятными для развития растений, причем прогнозировалась фантастическая урожайность. Первые исследования, проведенные на «Союзе-9», «Зонде-8» и «Союзе-12» с ростками пшеницы, картофеля, гороха, подтверждали предвидения теоретиков. Освободившись от тяжести, растения и вправду росли подчас быстрее, чем на Земле. Весьма обнадеживающими поначалу выглядели и результаты, полученные на орбитальной станции «Салют-4» в миниатюрной оранжерее «Оазис-1». Горох и лук, высаженные в ней, выросли до нормальных размеров.

Комплекс «БИОС-3»

Однако попытки получить растения из семян оказались неудачными. У опытных образцов, по сравнению с контрольными, медленнее росли стебли и образовывались первые настоящие листочки; затем многие из них захирели и увяли, не дав плодов. Космонавт Валерий Рюмин, который провел 175 дней на орбитальной станции «Салют-6», показывая перед бортовой телекамерой увядшие ростки огуречной рассады, комментировал: «Второй раз сажаем семена, и опять та же история: как только кончается то, что заложено природой в семени, рост прекращается и растение погибает».

Позднее на «Салюте-6» побывала установка «Лютик» с тюльпанами – луковицы были пророщены на Земле, им оставалось только распуститься. Но делать этого они категорически не захотели. Тогда ученые предприняли попытку обмануть суровый космос, послав на орбиту блок «Малахит-2» с уже распустившимися орхидеями. Цветы опали почти сразу, но сами растения дали прирост, у них образовались не только новые листья, но и воздушные корни. Примечательно, что, вернувшись на Землю, орхидеи обильно зацвели.

Эксперименты с растениями были продолжены на станции «Салют-7» в оранжерее «Фитон-3». 2 августа 1982 года космонавт Валентин Лебедев сообщил, что невзрачный сорняк арабидопсис (родственник горчицы и капусты) наконец-то зацвел. Прибывшей на станцию Светлане Савицкой экипаж вручил небольшой букетик из цветов арабидопсиса. Она тщательно зарисовала его. На рисунке запечатлены семь растений высотой до 10 см; при подсчетах на Земле в их стручках обнаружили 200 семян. Этот опыт опроверг крепнувшее в научном мире мнение о невозможности полноценного развития растений (от семени до семени) в условиях космического полета. Правда, арабидопсис – самоопылитель, оплодотворение у него происходит еще до раскрытия бутона.

Для орбитальной станции «Мир» была создана оранжерея нового поколения «Свет». Она проработала в составе модуля «Кристалл» с 1990 по 2000 годы. В этой оранжерее космонавтам удалось вырастить корнеплоды редиса, а также добиться полного цикла роста и вызревания в нормальные сроки жизнеспособных семян у сурепки, арабидопсиса и пшеницы.

В ноябре 1998 года на «Мире» начался эксперимент «Оранжерея-4». Космонавты пытались прорастить пшеницу сорта «Апогей». К 15 января 1999 года началось колошение пшеницы, 27 января – в колосьях появились семена. У всех растений были зерна. 22 февраля за день до спуска на Землю космонавты срезали 29 колосьев и уложили их в специальную тару. На орбите оставили 12 зерен, которые были посеяны 9 марта 1999 года и дали всходы. В ходе эксперимента было получено в общей сложности 508 зерен.

Успехом завершился и эксперимент «Оранжерея-6», в рамках которого экипаж «Мира» выращивал листовые культуры: мизуну, пекинскую капусту, брокколи рааб и красную гигантскую горчицу. 24 мая 2000 года космонавты произвели посев, через неделю все растения взошли, а еще через несколько дней космонавты смогли оценить вкус нежных листочков.

Космические огороды были заведены и на Международной космической станции. В период с марта 2003 года по апрель 2005 года в оранжерее «Лада» космонавты провели пять экспериментов по культивированию генетически маркированных растений карликового гороха и получили четыре «космических» поколения этого растения. Результаты проведенной работы показали, что горох в течение полного цикла выращивания практически не отличается от контрольных образцов на Земле.

В конце концов удалось определить и главную причину проблем проращивания семян и «отказа» высших растений от цветения. Ученые Института общей физики Российской Академии наук, использовав высокочувствительный диодно-лазерный спектрометр, достоверно установили, что молодые проростки высших растений не производят, а потребляют кислород, выделяя в атмосферу окись углерода, причем наиболее активно этот процесс идет в теплое время года. На борту орбитальной станции создан «летний» температурный режим, однако при этом газовый состав искусственной атмосферы поддерживается на уровне, наиболее подходящем человеку. Если же состав изменить в пользу ростков, то люди начнут задыхаться. Получается, человек и растение плохо совместимы в герметичном помещении. Решение тут только одно – изолировать отсеки с молодыми ростками от жилого объема станции, пока не пройдет начальный период вегетации.

Понятно, что эксперименты с растениями будут продолжены в дальнейшем, причем в двух направлениях: совершенствование конструкций оранжерей и селекция новых сортов растений, лучше приспособленных к условиям космического корабля. Пока же данные, которые удалось накопить ученым, заставляют сделать малоутешительные выводы. Хотя высшие растения удалось заставить жить и размножаться в условиях космического полета, они не дают каких-то особенных всходов и обильных урожаев. Исследования также показали, что в третьем поколении резко падает продуктивность орбитальных оранжерей – это обусловлено снижением в корневом модуле питательных веществ и накоплением продуктов метаболизма. Следовательно, модули придется регулярно заменять новыми. А как это сделать в условиях продолжительного космического полета? Брать с собой запас? Такой вариант возможен, однако он натыкается на серьезное препятствие: согласно расчетам, космическая оранжерея способна регенерировать всего лишь до 5 % кислорода, до 3,6 % воды и около 1 % основных элементов питания в общем балансе экспедиции. При этом она нуждается в непрерывном контроле и тщательном уходе. Позитивный эффект от присутствия растений на борту межпланетного корабля только один – психологический: космонавтам нравится работать с оранжереей и пользоваться результатами своего труда.

Еще большие трудности возникли при первых опытах с птицами, которых предполагалось взять в полет с целью пополнения рациона космонавтов свежим мясом. Для экспериментов были выбраны японские перепела. Они мельче кур (взрослая особь весит около ста граммов), причем их масса, приходящаяся на единицу корма, значительно выше, чем у курицы. Перепелиные яйца тоже невелики, но вкусны, по питательной ценности не уступают куриным и очень полезны: в них содержится лизоцим – вещество, укрепляющее иммунную систему. Кроме того, перепел не болеет (температура тела птицы около +41 °C, а сальмонелла гибнет при температуре +38 °C). Очень важно и то, что японским перепелам не требуется много времени для развития: птенец появляется на свет на 17-21-е сутки после закладки яйца в инкубатор. Перепела начинают нестись гораздо раньше кур, в возрасте 35–40 суток, и некоторые особи дают по два яйца в сутки.

Впервые перепелиные яйца попали на орбиту в 1979 году на борту биоспутника «Космос-1129» в установке «Инкубатор-1». Ученые хотели установить, смогут ли в условиях невесомости развиваться эмбрионы птенцов. Выяснилось, что развитие эмбрионов шло не хуже, чем на Земле. Опыт учли при создании новой установки «Инкубатор-2» для экспериментов на станции «Мир». Первым живым существом, родившимся в космосе, стал перепеленок, пробивший скорлупу 22 марта 1990 года. За ним появился второй, третий. Однако перепелята не смогли адаптироваться к условиям невесомости. Они хаотично летали внутри отсека. Из-за невозможности фиксировать тело в пространстве птенцы не смогли самостоятельно кормиться и вскоре погибли.

В 1992 году на орбиту было отправлено 40 яиц и специальные мешки-фиксаторы для имитации гравитационного воздействия. Тогда вывелось шесть птенцов, которые затем были доставлены на Землю, став ценным научным материалом для биологов. В 1999 году на «Мире» продолжили эксперимент, который получил название «Перепел СК-6». На этот раз планировалось изучить поведение птенцов в первые сутки жизни в условиях искусственной «гравитации», для чего использовалась специальная центрифуга, дававшая нагрузку от 0,3 до 0,8 g. Однако центрифуга сломалась, проработав всего 15 часов. По просьбе ученых, десять птенцов разместили в спускаемом аппарате и отправили на Землю. Из них выжили только трое.

Результат этих экспериментов неоднозначен. Зародыши внутри яиц развиваются нормально, однако птенцы не могут приспособиться к невесомости и погибают без специальных фиксаторов. Очевидно, и здесь требуются продолжительные исследования, которые позволят сделать окончательные выводы о приспособляемости птиц к условиям космического полета.

Наверное, многие проблемы можно было бы решить, создав на корабле искусственную «гравитацию». Первый космический корабль, на котором планировалось испытать такого рода систему, мог отправиться на орбиту еще в рамках программы «Восход». Запуск «Восхода-3» с двумя космонавтами на борту был назначен на ноябрь 1965 года – корабль в космосе должна был сопровождать третья ступень ракеты-носителя (блок И), соединенная с ним пятидесятиметровым тросом. После выхода на орбиту предполагалось развести их и раскрутить вокруг центра масс, получив искусственную силу тяжести за счет центробежной силы. К сожалению, этот очень интересный эксперимент так и не состоялся, и приоритет забрали американцы: в сентябре 1966 года они раскрутили соединенные тросом корабль «Джемини-11» и мишень «Аджена», благодаря чему удалось добиться возникновения небольшой силы тяжести в 0,00078 g. Только вот сами астронавты никаких существенных изменений при этом не заметили. Их опыт был и остается уникальным; он же продемонстрировал, что создание искусственной силы тяжести – сложная техническая задача.

Допустим все-таки, что такую задачу удалось решить. Теоретики космонавтики считают, что нет никаких противопоказаний для замены силы тяжести центробежной силой. Подсчитано, что оптимальной скоростью вращения должна быть скорость 10 град/с с радиусом вращения 90 м – в этом случае искусственная сила тяжести приобретет величину, равную 0,25—0,35 g, чего вполне достаточно для устранения вредоносного воздействия невесомости на экипаж и биосферу корабля. Однако те, кто видит «панацею» в раскрутке корабля, обычно забывают о силе Кориолиса, которая проявляет себя именно в раскрученных системах. А ее проявления весьма неприятны: брошенный предмет относит в бок, вытянутая рука сама отклоняется в сторону.

Что если адаптация к такой среде окажется еще труднее, чем адаптация к невесомости? Может ли система искусственной «гравитации» гарантировать, что космонавты в таких условиях будут точно и быстро выполнять все необходимые операции?

На эти вопросы попытались ответить ученые НАСА. В 2004 году они начали серию экспериментов, чтобы понять, как мозг адаптируется к такой странной среде. Практически сразу было отмечено, что когда перед человеком, манипулирующим различными предметами и нажимающим на всевозможные кнопки, поставлена четкая задача, мозг мобилизуется и начинает компенсировать «неправильную» плывущую обстановку. Чем больше упражнений и усилий делает человек, тем быстрее он приспосабливается к новым условиям жизни. Причем после некоторого времени, проведенного во вращающейся комнате, люди вообще переставали чувствовать силу Кориолиса. Мозг автоматически, незаметно для сознания, вводил поправки в движения тела так, что человек не чувствовал дискомфорт. И наоборот, после возвращения в нормальный мир некоторое время человеку казалось, что кто-то тянет его руки в сторону – испытуемый не мог действовать нормально, словно эффект Кориолиса появлялся для него вновь, хотя тут-то его и не было. Но стоило только испытуемому включиться в целенаправленную работу, как мозг приходил в норму, и «фантом Кориолиса» исчезал без следа.

В ходе наземных испытаний установлено, что человек хорошо приспосабливается к вращению своего жилища со скоростью до 25 оборотов в минуту – этого должно с избытком хватить для создания вращающихся орбитальных станций и кораблей с искусственной «гравитацией». То есть результат обнадеживающий, однако опять же никто не может сказать, как все это будет выглядеть в условиях реального космоса. Следовательно, раньше или позже придется провести соответствующий эксперимент.

Имеются и другие опасные космические факторы, влияние которых на человека, животных и растения изучены крайне слабо. Ранее мы уже касались темы воздействия космических частиц. На Земле и низких околоземных орбитах мы защищены от этого воздействия незримым толстым «щитом» магнитных полей, задерживающих космические частицы в радиационных поясах. В межпланетном пространстве от потока частиц космонавта защищает только тонкая стенка корабля.

Чтобы разобраться, какие дозы радиации опасны, воспользуемся устаревшей, но весьма наглядной единицей измерения – биологическим эквивалентом рентгена (бэр, rem). Один бэр соответствует такому облучению живого организма, при котором наблюдается тот же биологический эффект, что и при получении дозы гамма-излучения в один рентген. Для работников атомных электростанций, которые постоянно работают с источниками ионизирующих излучений, медицинскими нормативами установлен предел в 30 бэр в год, что на два порядка выше естественного фона у поверхности Земли. Для советских космонавтов был установлен норматив 150 бэр в год, причем однократная доза «оправданного риска», которую космонавт мог получить, например, при выходе в открытый космос в условиях солнечной вспышки, не должна превышать 50 бэр (к развитию лучевой болезни гарантировано приводит однократная доза в 100 бэр). Сегодня установлены более жесткие нормативы: для российских космонавтов – 66 бэр в год, для американских астронавтов – 50 бэр в год. В реальности космонавты, работающие на МКС, «набирают» от 0,1 до 0,8 бэр в сутки, что с учетом неравномерности получаемых доз считается приемлемым. Во время рекордной по интенсивности вспышки на Солнце, которая произошла 20 января 2005 года, экипаж МКС «поймал» по одному бэру, что примерно соответствует облучению во время посещения рентгеновского кабинета.

Но это на орбитальной станции, которая имеет неплохую защиту и прикрыта магнитным полем Земли. Что будет с дозой и космонавтами в дальнем космосе, если произойдет сравнимая по мощности вспышка? Точно не может сказать никто.

Считается, что если бы в момент этой вспышки космонавт находился на Луне, то он получил бы довольно серьезную дозу: 35 бэр внутри корабля и 400 бэр в скафандре на поверхности – последняя названная доза, как видите, почти неизбежно привела бы к лучевой болезни со смертельным исходом.

Впрочем, даже без вспышек экипаж межпланетного корабля будет подвергаться воздействию солнечных и галактических лучей. Чтобы определить степень угрозы для марсианской экспедиции, на «Кьюриосити» был установлен специальный прибор RAD (Radiation Assessment Detector), который фиксировал интенсивность радиации на протяжении всего перелета к красной планете и после высадки на ее поверхность (удивительно, но такое важнейшее для дальнейшего развития пилотируемой космонавтики исследование проводилось впервые!) Результаты внушают надежду: на трассе перелета Земля – Марс среднесуточная доза радиации составила 0,18 бэр, причем вклад галактических лучей достигал 97 %. Исходя из этого специалисты рассчитали эквивалентную дозу для реалистичного с использованием современной техники полета человека к Марсу и обратно продолжительностью в один год. Она оказалась 66 ± 12 бэр, что выше норматива американских астронавтов, но соответствует нормативу российских космонавтов. Получается, что если в течение экспедиции не случится каких-нибудь особо интенсивных вспышек на Солнце, то радиационное воздействие не может считаться серьезным препятствием для осуществления межпланетного рейса.

Однако следует помнить, что радиация оказывает вредоносное воздействие не только на людей, но и на животных, и на растения. Скажем, биологи установили, что наиболее подходящими растениями для космической оранжереи являются картофель, фасоль, свекла и салат, – но эти же растения оказались наименее устойчивы к ионизирующей радиации.

Еще меньше, чем о воздействии радиации, известно о том, как повлияет на наши организмы длительное нахождение вне геомагнитного поля (гипомагнитная среда). На Земле все организмы находятся в магнитном поле, мы появились и эволюционировали в нем. Наши жизненные ритмы напрямую связаны с его естественными колебаниями и наложенными на них переменными магнитными полями, обусловленными изменениями в ионосфере и магнитосфере. Величина магнитного поля в межпланетном пространстве и на Марсе будет соответственно в 100 тысяч и 10 тысяч раз меньше, чем на Земле. Уже имеются данные о неблагоприятном влиянии пониженного магнитного поля на жизнедеятельность человека. В частности, выявлены неблагоприятные функциональные сдвиги в нервной, сердечно-сосудистой и иммунной системах. Очевидно, придется спроектировать, построить и испытать некую систему, которая создавала бы на межпланетном корабле магнитное поле, близкое по напряженности полю Земли, одновременно защищая экипаж от космического излучения. Однако эта задача с точки зрения технического воплощения будет посложнее искусственной «гравитации». Расчеты показывают, что для эффективной электромагнитной защиты корабля объемом 100 м³ понадобится соленоид диаметром четыре метра и длиной два метра, причем его потребляемая мощность составит 2 000 мегаватт! Где взять такую бездну энергии, если перспективный реактор Исследовательского центра имени М. В. Келдыша, о котором мы говорили выше, будет давать всего лишь один мегаватт? Похоже, все-таки придется обойтись классической защитой – толстыми стенками корабля, которые хоть и утяжелят его, но не будут требовать огромной энергии. Что касается биологической «зависимости» от магнитного поля, то этот вопрос требует изучения – на Земле и в космосе.

Как видите, существуют проблемы и задачи, которые необходимо решить еще до того, как начнется подготовка к пилотируемой экспедиции на Марс. Нет уверенности, что мы все знаем о коварстве невесомости и научились компенсировать ее вредоносное воздействие. Нет надежной автономной биосферы, не определен ее элементарный состав. Нет проверенной в деле защиты от космических лучей и солнечных вспышек. Нет данных о влиянии природного магнитного поля. Вопросов очень много. И лететь на Марс, не получив твердый ответ на каждый из них, будет форменным самоубийством.

Кроме того, есть еще одна важная проблема, о которой очень не любят распространяться космонавты, но которая может стать ключевой, повлияв на весь ход межпланетной экспедиции. Имя этой проблемы – психология.

4.4. «Бочконавты» на пути к Марсу

Психологические трудности космонавтов – тайна за семью печатями. В глазах посторонних космонавт должен быть идеальным членом общества: консервативен (никаких татуировок, хвостиков и серег в ухе), морально устойчив (никаких адюльтеров и пьяных драк), абсолютно законопослушен (никаких «приводов» в полицию, судебных разбирательств и прочих контактов с правоохранительными органами), достаточно дружелюбен (никаких ссор с коллегами, начальством или журналистами). Кроме того, он должен быть обаятельным, трудолюбивым, скромным, физически подтянутым и многосторонне развитым. Вылитый супермен! Но даже если космонавт будет полностью соответствовать всем перечисленным критериям, никто не может гарантировать, что ему «не сорвет крышу» в экстремальной ситуации на орбите или межпланетной траектории. Поэтому психологи проводят многочисленные тесты, чтобы «отбраковать» людей с неустойчивой психикой. И понятно, почему результаты «отбраковки» засекречены, – а вы хотели бы, чтобы о ваших скрытых недостатках узнал весь мир?

И все же, несмотря на предельно жесткий отбор и специальные тренировки, у космонавтов тоже случаются срывы. О них тоже рассказывать не принято, но каждый такой случай должен быть изучен профессионалами, чтобы предотвратить похожие инциденты. Наверное, первый срыв при работе в космосе случился с Валентиной Терешковой во время ее единственного полета на «Востоке-6» в июне 1963 года. Она очень тяжело переносила космический рейс и с какого-то момента просто перестала реагировать на происходящее: на вопросы о самочувствии отвечала уклончиво, не выполнила программу бортовых экспериментов, а под конец не смогла вручную сориентировать корабль – для нее пришлось разрабатывать пошаговую инструкцию. После этого полета был сделан ошибочный вывод, будто бы всему виной особенности женского организма, – и на долгое время женщины были отстранены от космоса.

Когда начались групповые полеты, проявилась проблема «психологической совместимости». К сожалению, до сих пор не создано ее внятной теории, поэтому ученые двигаются на ощупь, в опоре на чистую эмпирику. Недостаток такого метода в том, что мы лишь с большой натяжкой можем экстраполировать результаты на другие ситуации и другие коллективы. Дело осложняется тем, что космонавты – это еще и амбициозные активные люди с задатками лидеров, высоким самоуважением и большой мотивацией, иначе они просто не стали бы космонавтами. Но даже простейшие эксперименты показывают, что внутри группы лидеров мгновенно возникают конкурирующие потребности, что ведет к росту межличностной враждебности и жестоким конфликтам.

Первые полеты экипажей были кратковременными, и число членов экспедиции не превышало двух-трех человек. Психологи отмечали, что в таких условиях на сплоченность экипажа действуют всего два фактора: общая заинтересованность в результате и высокая загруженность на грани мобилизации. Но и тогда не все было гладко. Скажем, в первой экспедиции на станцию «Салют-1» участвовал экипаж дублеров (Георгий Добровольский, Владислав Волков, Виктор Пацаев), который, видимо, был менее психологически подготовлен к работе в изолированном пространстве, чем основной. Поэтому работа шла трудно, вспыхивали конфликты. Коллектив сплотился только после того, как произошел пожар, и от правильных действий каждого зависело выживание станции. Пример с обратным результатом – полет экипажа Бориса Волынова и Виталия Жолобова на «Салюте-5». После серьезной аварии космонавтам пришлось восстанавливать жизнеспособность станции, но эта экстремальная работа привела к тому, что Жолобов испытал стресс, невыносимый для его психики, после чего «ушел в себя» и отказался участвовать в программе экспериментов. В результате полет был прерван раньше намеченного срока.

«Марс-500» – жизнь в изоляции

Как видите, предсказать реакции даже проверенных и подготовленных людей очень трудно. Все же в ходе наблюдений за работниками полярных станций и космонавтами в тренажерных комплексах был сделан осторожный вывод, что оптимальная численность экипажа для дальнего полета – шесть человек. Почему это так? Дело в том, что внутри замкнутого коллектива действует система «зависимостей» и «привязанностей».

Установлено, что экипаж из пяти человек без особого напряжения может обслуживать межпланетный корабль, но система межличностных отношений в таком коллективе быстро оскудевает, а вот шестой член экипажа добавляет огромное количество вариантов – модель сразу усложняется на порядок! Такое искусственное усложнение необходимо, ведь когда полет превращается в рутину, снижается мотивация его участников, что приводит к уменьшению взаимного стимулирования, что в свою очередь приводит к отчуждению между членами экипажа, что в свою очередь приводит к дальнейшему снижению мотивации, что в свою очередь приводит… В общем, пока друг другу горло не перегрызут, не остановятся. Оказывается, введение шестого члена экипажа если и не предотвратит, то замедлит подобное развитие событий.

Психологи заметили еще один интересный феномен. Когда люди оказываются в изолированном пространстве и начинают выполнять общую работу, они довольно быстро начинают обмениваться личной информацией, доходя до интимных подробностей. С одной стороны, это благо, ведь происходит процесс «притирки», с другой стороны, это вред: «обнажение» всегда вызывает стресс, даже если человек его не чувствует, а стресс выливается в негативные реакции, что чревато отчуждением и «выходом из игры». Посему психологи предлагают компоновать экипажи задолго до полета и требовать, чтобы будущие космонавты проводили больше времени вместе – тогда личная информация будет исчерпана еще на Земле, и «притирка» через «обнажение» завершится без отягчающих последствий. Кроме того, рекомендуется устраивать членам будущего экипажа регулярный опрос с просьбой дать оценку деятельности и качеств друг друга – это помогает выявить личные симпатии, которые всегда способствуют сплоченности группы.

И все же в многочисленных работах по психологии длительного космического полета, которые попадались мне в руки, неустанно повторяется: получить достоверную информацию о том, как будет жить и работать коллектив в условиях изоляции, можно только одним способом – поместить его в эти условия. Очевидно, именно этим руководствовались ученые Института медико-биологических проблем, когда придумали проект «Марс-500».

Проект имеет предысторию. Во второй половине 1960-х годов был построен НЭК – Наземный экспериментальный комплекс (официальное название – Медико-технический комплекс). В строительстве принимали участие ИМБП, РКК «Энергия», завод «Звезда», НИИ химического машиностроения и Летно-испытательный институт. В период с 1971 по 2000 года в нем проводились эксперименты, в которых отрабатывались методики и способы адаптации человека к условиям длительного космического полета. К примеру, в 1971–1975 годы прошла серия экспериментов длительностью от 60 до 120 суток с целью изучить реакцию человеческого организма на длительное пребывание в экстремальных условиях, отработать модели и технологические режимы перспективных систем жизнеобеспечения. Последний значительный эксперимент «Сфинкс-99» (SFINCSS-99, Simulation of Flight of INternational Crew on Space Station) был проведен со 2 февраля 1999 года по 22 марта 2000 года. 240 суток в НЭКе «репетировались» рабочие моменты на Международной космической станции, которой в то временя еще не существовало. В результате были сформированы шесть готовых экипажей для полетов на станцию.

Сразу после «Сфинкса-99» начались эксперименты по моделированию пилотируемого полета человека к другой планете. Инициатива, видимо, связана с общим ростом интереса к Марсу, вызванным новыми открытиями, которые сделали американские аппараты. Тогда и родился проект «Марс-500», который был реализован ИМБП под эгидой Роскосмоса и Российской Академии наук. Главной задачей проекта было определить, возможен ли полет на другую планету с точки зрения психологии и физиологии. Ученые также предполагали выработать конкретные требования к реальному космическому кораблю, который когда-нибудь полетит на Марс.

В 2006 года три имеющихся модуля наземного комплекса были полностью переоборудованы. Для них создали новые системы жизнеобеспечения, поддержания температурного режима и обеспечения водой. Еще через год специально для проекта «Марс-500» был построен дополнительный, четвертый, герметичный модуль объемом 250 м³ (ЭУ-250). А в начале 2008 года началось строительство пятого модуля с имитатором марсианской поверхности объемом 1200 м³.

Проект «Марс-500» был разбит на три этапа: пробная 14-суточная изоляция (завершена в ноябре 2007 года), 105-суточная изоляция (завершена в июле 2009 года) и, наконец, 520-суточная изоляция. 3 июня 2010 года экипаж из шести испытателей вошел в комплекс и закрыл за собой люки. В международной «экспедиции» участвовали трое россиян: Алексей Ситёв (командир), Сухроб Камолов (врач), Александр Смолиевский (исследователь). Бортинженером был назначен Ромэин Чарлес из Франции, итальянцу Диего Урбине и китайцу Вану Юэ отвели должности исследователей. Каждый из участников прошел сложный многоступенчатый отбор и несколько месяцев предварительной подготовки. Хотя ранее обсуждалась возможность участия женщины в наземном «полете», в конечном итоге ученые отказались от этой идеи, сформировав чисто мужской экипаж.

Схема «полета к Марсу» тоже состояла из трех этапов: 250-суточный перелет с Земли на Марс, 30-дневное пребывание на его поверхности и 240-суточное возвращение. После 250 суток «полета» экипаж разделился: три человека в скафандрах «Орлан» осуществили «высадку» на поверхность красной планеты, перейдя в имитатор; оставшиеся дожидались возвращения товарищей на «ареоцентрической орбите». Основная связь с внешним миром осуществлялась посредством электронной почты. Кроме того, экипаж имел возможность общаться с ближайшими родственниками по видеосвязи. В ходе «полета» ученые организовывали экипажу нештатные ситуации, из которых предлагалось «выбраться» своими силами. Например, в самом начале декабря были отключены все системы энергоснабжения комплекса, и испытатели восемнадцать часов просидели без электричества. Причем убедить их позднее в том, что авария была запланированной, оказалось непросто. Если бы кто-то из испытателей захотел покинуть комплекс до завершения срока, это считалось бы его «гибелью».

Эксперимент «Марс-500» успешно завершился 4 ноября 2011 года. Экипажу Ситёва удалось установить абсолютный рекорд по пребыванию в испытательном комплексе. Ученые продолжают изучить данные, полученные в ходе этого «полета», однако кое-какие выводы можно сделать уже сейчас. Хотя и сами испытатели, и специалисты ИМБП РАН говорят, что все прошло «идеально», в прессу просочились слухи о проблемах, связанных с пресловутой «психологической совместимостью».

В оранжерее Наземного экспериментального комплекса

Прежде всего проявился коммуникативный барьер. Оказалось, что члены экипажа из разных стран не слишком хорошо знали языки друг друга, и это стало почвой для конфликта. Давайте представим себе ситуацию (чисто гипотетическую), при которой русский командир международного экипажа плохо говорит по-английски, а, скажем, бортинженер плохо понимает русский. На корабле авария, все напряжены, счет идет на минуты, и тут командир обращается к соотечественнику-врачу, чтобы тот переводил его команды и ответы бортинженера. Как вы думаете, что он услышит в ответ?..

В работах по психологии дальнего космического полета мне постоянно попадалось утверждение, что космонавты, будучи образованными и подготовленными людьми, проявят известную долю терпимости к «различиям во мнениях», то есть к системе ценностей коллег, не вписывающихся в «золотую середину» (это практически цитата из работы американских психологов). Но при этом отмечается, что нет ясности, будет ли благоприятный консенсус достигнут за счет благожелательной дискуссии или он приведет к моральному подавлению потенциального «маргинала» и его «адаптации путем самоизоляции». Похоже, коммуникативный барьер решительно препятствует терпимости в отношениях и изначально провоцирует конфликты. Дело дошло до того, что в реальности, а не в теории ученые ИМБП были вынуждены сократить продолжительность «карантина» после «высадки» на условную марсианскую поверхность, лишь бы не оставлять наедине испытателей, враждебных друг другу. На этом фоне сущей мелочью выглядит «кулинарная» несовместимость, когда китаец Ван Юэ просто не смог употреблять в пищу дешевые сублимированные продукты европейской кухни и ради него был нарушен режим изоляции. Получается, что сегодня международные экипажи не готовы к длительным межпланетным перелетам.

Кроме проблем межнациональной совместимости, были отмечены специфические явления. Например, в легкой форме проявилась «дедовщина»: старшие товарищи старались перевалить рутинные обязанности на младших (тут, очевидно, сказался армейский опыт российских испытателей). Особую роль играло общение с родственниками. Возникла своего рода ревность между испытателями: кому больше удаляют внимания близкие люди, кому меньше. Психологи ИМБП отметили, что в будущие экипажи стоит набирать «бывалых» людей, имеющих опыт личных потерь, иначе измена, болезнь или гибель родственника, оставшегося на Земле, может спровоцировать сильнейший стресс и отчуждение.

Как видите, итоги большого эксперимента проекта «Марс-500» нельзя назвать прорывными. Взаимодействие членов экипажа Ситёва оставляло желать лучшего, да и работники Института медико-биологических проблем без должной серьезности отнеслись к режиму изоляции, что девальвирует ценность полученных данных. Сами ученые указывают на то, что приобретенный опыт касается лишь одной из сторон будущей межпланетной экспедиции, ведь в наземном комплексе невозможно воспроизвести невесомость, а гипомагнитную среду и ионизирующее излучение смоделировать пока не решились.

Приходится признать, что для пилотируемой экспедиции нет не только адекватных транспортных средств, но и внятной методики отбора и психологической подготовки космонавтов, гарантирующей позитивный результат. Ясно, что межнациональный состав экипажа создает дополнительные сложности, но как тогда быть с международными программами освоения Марса?..

4.5. «Фобос-Грунт» и космическая дилемма

Когда я перечитываю рассказы и повести Станислава Лема, у меня возникает впечатление, что великий польский писатель побаивался будущего. Во многих его текстах человечество сталкивается с «эволюционировавшей» технологией и терпит поражение. Причем Лем полагал, что такое столкновение неизбежно, ведь наша цивилизация в погоне за комфортом и безопасностью будет совершенствовать машины до тех пор, пока они не обретут зачатки разума, а для «разумных» машин все мы – потенциальные враги, которые так или иначе должны быть уничтожены.

Все эти «страшилки» обрели новое звучание в XXI веке, когда рост вычислительной мощности стал лавинообразным. Возникла концепция «технологической сингулярности» – некоей даты в ближайшем будущем, когда количество перейдет в качество и информационные сети «осознают себя». На самом деле эта концепция тоже отмечена утопичностью. Мы до сих пор не определились, что такое интеллект, как он связан с сознанием и разумом, а знаменитый тест Тьюринга, который в теории должен отделять машину от человека, программисты научились обходить довольно давно. Столь же призрачна надежда получить в скором времени «аватар» – т. е. цифровой слепок человеческого «я», который можно было бы записать на новый носитель, создав таким образом бессмертное разумное существо.

Посему в ближайшей перспективе вряд ли стоит ожидать каких-то революционных изменений в симбиозе «человек-машина»: роботы и информационные сети совершенствуются, но продолжают служить всего лишь протезами. Автоматические межпланетные станции могут изучить космос и даже слегка преобразовать его под наши требования, но освоить соседние миры способен пока только человек.

И вот тут возникает серьезная дилемма, имеющая мировоззренческий характер. С одной стороны, космонавтика существует для познания Вселенной, научные цели имеют максимальный приоритет, а новое знание всегда востребовано человечеством. С другой стороны, науку спокойнее двигать с помощью дистанционного зондирования, поскольку деятельность человека – это всегда вмешательство в «девственную» среду, нарушающее чистоту эксперимента. Да и ученых, подготовленных к космическому полету, ничтожно мало. Пилотируемая космонавтика обретает смысл исключительно в том случае, если мы готовимся приступить к полномасштабной экспансии, подразумевая обретение «второго дома» для землян, когда чистая наука уступает целям обогащения человеческой культуры и расширения возможностей человеческого вида. Любую другую работу лучше перепоручить автоматам.

Дилемма разрешается просто. Межпланетные аппараты в процессе изучения Солнечной системы дают нам представление о ресурсах, которыми мы можем воспользоваться для освоения и развития внеземной инфраструктуры. В этом смысле определенную ценность представляет собой Луна, обладающая запасами гелия-3 и минералами. К сожалению, нельзя сказать того же самого о Марсе – его ресурсы труднодоступны, и вряд ли в ближайшее время мы научимся их добывать с пользой для себя. Другое дело Фобос – спутник Марса, который, как сегодня считается, представляет собой большой фрагмент красной планеты, выбитый на орбиту чудовищным ударом астероида. Тут интерес вызывают даже не гипотетические месторождения, которые могут быть на Фобосе, а его расположение: спутник Марса на низкой орбите выглядит идеальным местом для организации космопорта (не зря когда-то считалось, что он может быть космопортом марсиан) с прицелом на поддержку экспедиций в главный пояс астероидов и к планетам-гигантам. В этой связи внимание к Фобосу оправдано, а его изучение должно быть продолжено.

Российский межпланетный аппарат «Фобос-Грунт»

Запуск аппарата «Фобос-Грунт», созданного специалистами НПО имени С. А. Лавочкина, состоялся в ночь с 8 на 9 ноября 2011 года. Этого старта ожидали с нетерпением, а следили за ним с огромным интересом. Еще бы! Первый за пятнадцать лет (!) старт отечественной межпланетной станции, сконструированной под миссию, не имеющую аналогов в истории мировой космонавтики. «Фобос-Грунт» создавался на базе нового унифицированного многоцелевого модуля «Флагман», однако за долгие годы его конструкция неоднократно менялась, что, конечно, не способствовало увеличению надежности. В конечном варианте от части задач изучения Фобоса пришлось отказаться, но программа оставалась достаточно обширной. Если бы все пошло как надо, то декабре 2012 года «Фобос-Грунт» вышел бы на ареоцентрическую орбиту наблюдения, затем сблизился бы с Фобосом и в начале весны 2013 года совершил бы посадку на него. После забора образцов должен был стартовать возвращаемый модуль, который вернулся бы на Землю в августе 2014 года. Кроме того, научное оборудование, установленное на «Фобос-Грунте», позволяло определить химический состав поверхности Фобоса и наблюдать процесс его взаимодействия с солнечным ветром, выявлять наличие месторождений и сейсмоактивность. Кроме того, на аппарате стоял спектрометр для продолжения исследований атмосферы Марса, плазменный комплекс, детектор регистрации космической пыли, дозиметр для определения интенсивности космического излучения, ячейка с биологическими образцами и китайский спутник «Инхо-1», призванный изучать марсианскую ионосферу.

На первом этапе миссия проходила идеально. Ракета «Зенит-2» вывела «Фобос-Грунт» на опорную орбиту высотой 345 км в апогее, аппарат раскрыл солнечные батареи и сориентировался в пространстве. Над Бразилией планировалось первое включение маршевой двигательной установки, что позволило бы сформировать промежуточную эллиптическую орбиту с апогеем 4162 км. Но уже на третьем витке стало ясно, что произошел какой-то сбой – аппарат остался на опорной орбите. Наземные службы попытались получить с него хоть какую-то информацию, однако ситуация осложнялась тем, что бортовой радиокомплекс был рассчитан на связь с Землей только на отлетной траектории – на опорной орбите передать команду на «Фобос-Грунт» было просто нечем. Хотя руководство Роскосмоса периодически подпитывало надежды «болельщиков» рассказами о том, как специалисты делают все возможное для получения данных с борта аппарата, вскоре стало ясно, что он обречен. Только 24 ноября командой с передатчика австралийской станции Перта удалось заставить «Фобос-Грунт» выдать «аварийный» кадр, который подтверждал, что оборудование исправно и продолжает функционировать в штатном режиме. Однако этого было недостаточно, чтобы заставить аппарат уйти на более высокую орбиту. 15 января 2012 года «Фобос-Грунт» упал в океан, пробыв в космосе два месяца вместо трех лет.

Выдвигались самые разные версии технического сбоя, погубившего аппарат. Говорили о «вредоносном воздействии» американских военных радаров, о «плазменном сгустке», космическом мусоре и солнечной вспышке. Истина оказалась прозаичнее – Межведомственная комиссия по расследованию пришла к выводу, что «Фобос-Грунт» погиб из-за «тяжелых космических частиц», нарушивших работу импортных микроэлектронных схем, и ошибок программного обеспечения, в котором не была учтена вероятность такого нарушения. Впрочем, независимые эксперты полагают, что микросхемы, стоявшие на аппарате, в принципе не были рассчитаны на долгую работу в космосе – ведь такой продукции нет в свободной продаже. Вызывает недоумение, почему руководство ракетно-космической отрасли предпочитает покупать устаревшую импортную или контрафактную микроэлектронику вместо того, чтобы поддержать заказами свою.

Если говорить прямо, то с учетом огромной по современным меркам паузы в производстве межпланетных аппаратов стоило бы сначала запустить что-нибудь простое – в облет Луны или даже с посадкой на ее поверхность: на многолетнюю экспедицию с возвратом грунта не решились даже американские специалисты, имеющие куда более значительный опыт, чем российские. В этом смысле проект «Фобос-Грунт» выглядит неоправданно амбициозным. Причем финансирование явно не соответствовало амбициям. Стоимость всех работ по проекту за пятнадцать лет составила примерно 170 млн долларов. Для сравнения: стоимость американских научных разработок только по планетоходу «Кьюриосити» – 2 млрд долларов.

Самое же примечательное в том, что, по утверждению академика Эрика Галимова, являющегося научным руководителем Института геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского (ГЕОХИ) РАН, российская наука даже не смогла бы воспользоваться результатами проекта, поскольку сегодня в нашей стране нет ни одной лаборатории, которая могла бы полноценно работать с внеземными образцами. То есть доставленный с Фобоса грунт пришлось бы отдать западным ученым. У нас нет, например, прибора NanoSIMS, который позволяет с высокой точностью устанавливать изотопный состав и возраст вещества.

Так или иначе, но фиаско «Фобос-Грунта» повлекло за собой организационные выводы, ведь вся российская программа исследования Солнечной системы «завязана» на продукцию НПО имени С. А. Лавочкина, и более поздние проекты должны использовать существующий технический и организационный заделы. Был «сдвинут вправо» запуск аппарата «Луна-Глоб», в составе которого использовались те же технические элементы, что и в «Фобос-Грунте». Соответственно, был отложен и проект создания «Лунного полигона». Заморожены на неопределенный срок «Марс-НЭТ» (“InterMarsNet”, проект развертывания на марсианской поверхности четырех малых научных станций, связанных в единую информационную сеть), «Меркурий-П» (проект изучения Меркурия с мягкой посадкой на его поверхность) и «Венера-Д» (проект изучения Венеры с орбитального и посадочного аппаратов).

Ракета-носитель «Зенит» с аппаратом «Фобос-Грунт» на старте

При этом Роскосмос вносит в правительство проект стратегии развития отечественной ракетно-космической отрасли, которая предусматривает высадку российских космонавтов на Луну к 2030 году. Честно говоря, для меня остается загадкой, каким образом будет реализовываться план освоения Луны, если у нас не будет надежных межпланетных аппаратов, построенных на собственной, а не покупной микроэлектронной базе. Неужели предлагается управлять будущими лунными кораблями вручную, а место посадки выбирать на глазок?..

Кстати, гибель «Фобос-Грунта» – не единственный громкий провал 2011 года. Кроме него, тогда же были потеряны ретрансляционный спутник «Экспресс-АМ4», спутник связи «Меридиан» и транспортный корабль «Прогресс М-12М», который должен был лететь к Международной космической станции. Оправдывая столь плачевную ситуацию, традиционно ссылаются на экономические проблемы, недостаточное финансирование проектов, на старение и исход квалифицированных кадров – все это есть, однако ключевая причина провалов лежит в неумении создавать и использовать наукоемкие технологии.

Триумфальные победы начала космической эры – первые спутники, первые межпланетные аппараты, первые космонавты на орбите – были возможны благодаря мощным ракетам на жидком топливе, которые изначально создавались как боевые. Ранее мы отмечали, что именно эти ракеты стали высшим достижением цивилизации, рожденной «нефтяной» научно-технической революцией. Но лунные экспедиции кораблей «Аполлон» проходили уже на пределе ее возможностей. Чтобы продвигаться дальше, требовались «умные» роботы, компактные средства связи и автоматического управления. Все это человечеству дала революция, которую принято называть «информационной». Российская космонавтика пока не вышла из «нефтяного» периода. Мы умеем делать ракеты, но освоение космоса лишь начинается с ракет, а продолжается наукой и высокими технологиями.

Необходимо комплексное развитие. Попытки заткнуть «дыры» за счет импорта лишь увеличат отставание и вероятность отказов. Можно ли всерьез рассуждать о грядущих высадках на Луну и освоении Марса, если Россия не в силах пока отправить один-единственный аппарат к другой планете?..

Итак, мы установили, что Марс – интереснейшая планета, которую нужно изучать. Но человечество сегодня не готово к тому, чтобы отправить туда пилотируемый корабль. И, скорее всего, не будет готово к этому ближайшие 30–40 лет. Сначала нужно построить и опробовать сверхтяжелые ракеты, затем сконструировать и испытать ядерный двигатель, затем создать всевозможные защиты для экипажа, собрать на орбите большой межпланетный корабль, проверить все это в комплексе. Еще нужно натренировать космонавтов, психологическое и физическое здоровье которых позволит перенести длительный полет. Разобраться с космическим излучением, гипомагнитной средой и долгосрочными последствиями воздействия невесомости. Нужно оптимизировать состав космической оранжереи и определить, какой будет биосфера межпланетного корабля. Решить необозримую массу больших и малых проблем.

Однако прежде чем начать делать все это, необходимо ответить на один простой вопрос: а зачем нам Марс? Одной из главных целей американцев в период штурма Луны было стремление опередить Советский Союз, доказать свое техническое превосходство, вернуть авторитет ведущей державы в глазах жителей других стран. Когда эта цель была достигнута, оказалось, что Луна в общем-то американцам не очень нужна: ее дальнейшее освоение обходилось слишком дорого, а результат оставался чисто виртуальным. Прорыв к Луне был обусловлен идеологической битвой на невидимых фронтах мировой «холодной» войны, но сегодня та война завершена и доказывать преимущество своего «образа жизни» нет необходимости. Получается, что высадка на Марс способна служить только целям науки. Однако как раз ученые должны быть резко против такой высадки, ведь вторжение людей в чужой мир неизбежно приведет к его «заражению» микроорганизмами из земной биосферы. Не слишком ли высокая цена за то, чтобы воткнуть флаг в ржавый марсианский грунт? Сможем ли мы потом разобраться, где «марсиане», а где «попутчики»?

Взглянем на вопрос под другим углом. Марсианская пилотируемая экспедиция требует довольно значительных ресурсов. Конечно, какое-то время она будет пользоваться успехом у скучающей публики, как пользовались лунные экспедиции «Аполлон». Однако потом неизбежен спад энтузиазма и придется отвечать, на что были потрачены колоссальные средства, которые пригодились бы на Земле. Результат же наверняка будет скромнее ожиданий – он всегда скромнее, поскольку ожидания опираются на мечту, а не на реальность. Соответственно, наступит разочарование. Не станет ли всеобщее разочарование фатальным для пилотируемой космонавтики?

Подобная опасность хоть и не очевидна, но она существует (негативный опыт есть!), посему не стоит зацикливаться на Марсе. В Солнечной системе хватает объектов, которые не менее интересны с научной точки зрения и которые вполне достижимы на современном уровне развития техники. В следующей главе мы обсудим, что это за объекты и почему они в качестве целей выглядят куда предпочтительнее для развития космонавтики, нежели Луна или Марс.