Исследователи из Сколтеха и Массачусетского технологического института (MIT) проанализировали несколько десятков вариантов и выбрали оптимальный по эффективности и стоимости вариант преодоления «последней мили» в рамках будущего полета на Луну − доставки астронавтов с орбитальной лунной станции на поверхность Луны и обратно. Статья с описанием результатов исследования опубликована в журнале Acta Astronautica.
Преодоление «последней мили» в полете
С тех пор как в декабре 1972 года экипаж корабля «Аполлон-17» вернулся на Землю, человечество не расстается с мечтой вновь побывать на Луне. В 2017 году правительство США запустило программу «Артемида», цель которой – полет «первой женщины и следующего мужчины» на южный полюс Луны к 2024 году. В программе «Артемида» планируется использовать новую лунную орбитальную платформу-шлюз Lunar Gateway в качестве постоянной космической станции, откуда многоразовые модули будут доставлять астронавтов на Луну. Реализация новой концепции потребовала разработки новых оптимальных схем посадки на поверхность Луны. В настоящее время частные компании по заказу НАСА проводят исследования с целью создания новых многоразовых посадочных модулей, однако о ходе и результатах проводимых исследований пока не сообщается.
Студент магистратуры Сколтеха Кир Латышев, аспирант Никола Гарзанити, доцент Алессандро Голкар и профессор MIT Эдвард Кроули разработали математические модели для оценки наиболее перспективных схем посадки на Луну для программы «Артемида». В исторической программе «Аполлон», например, использовался лунный модуль из посадочной и взлетной ступеней, который доставлял двух астронавтов на Луну и обратно на корабль, оставляя посадочную ступень на Луне.
Исследователи исходили из предположения, что платформа Lunar Gateway будет располагаться на почти прямолинейной гало-орбите около точки Лагранжа L2 – эта орбита на сегодняшний день предпочтительный вариант размещения станции, позволяющий высадку астронавтов на южном полюсе Луны. Ученые смоделировали вариант, в котором экипаж в составе четырех астронавтов проведет на Луне около семи суток, варьируя количество ступеней и тип топлива. В общей сложности было проанализировано 39 вариантов будущей системы посадки человека на Луну, в том числе проведено сравнение наиболее многообещающих вариантов по стоимости проекта.
Команда использовала комплексный подход к оценке альтернативных конфигураций посадочных модулей, проанализировав множество вариантов с помощью скрининговых моделей. Сначала был определен базовый набор архитектурных решений, включая количество ступеней и тип топлива для каждой ступени посадочного модуля. Полученные данные были обобщены в виде математических моделей, с помощью которых исследователи провели комплексное численное исследование вариантов построения системы, комбинируя различные архитектурные решения. На заключительном этапе было проанализировано полученное пространство решений и отобраны предпочтительные варианты, которые могут быть интересны специалистам, участвующим в проектировании лунных посадочных модулей.
Проведенный анализ показал, что для систем одноразового использования типа посадочных модулей «Аполлон» наиболее удачным решением, с точки зрения суммарной массы топлива, сухой массы космического аппарата и стоимости запуска, будет двухступенчатая архитектура. Однако для многоразовых кораблей, которые планируется использовать в рамках программы «Артемида», одноступенчатые и трехступенчатые системы быстро начинают конкурировать с двухступенчатыми.
Учитывая все допущения, сделанные в статье, можно утверждать, что «безусловным» лидером среди решений для краткосрочных лунных миссий является многоразовый одноступенчатый модуль на жидком кислороде и жидком водороде (LOX/LH2). Однако авторы подчеркивают, что это лишь предварительный анализ, в котором не учитываются такие факторы, как безопасность экипажа, вероятность успеха миссии, а также риски управления проектом. Для учета этих факторов потребуется более детальное моделирование на последующих этапах программы.
Кир Латышев отмечает, что в рамках программы «Аполлон» инженеры НАСА проводили аналогичный анализ и остановили свой выбор на двухступенчатой конфигурации модуля. Однако в то время лунная программа строилась на принципиально иной архитектуре, в которой отсутствовала лунная орбитальная станция, где можно было бы разместить лунный модуль в интервале между полетами. Это означает, что все полеты приходилось выполнять с Земли, используя одноразовые лунные модули, т.е. создавая новый аппарат под каждую миссию. Кроме того, в отсутствии лунной орбитальной станции использование трехступенчатой системы посадки, которая рассматривается в наше время, не представлялось возможным.
«В исследовании мы получили интересный результат: если рассматривать одноразовые аппараты, оказывается, что даже при наличии орбитальной станции можно создать двухступенчатый посадочный модуль (аналогичный модулю «Аполлон») с меньшей массой аппарата и топлива и более низкими затратами, что в целом соответствует концепции, принятой в программе «Аполлон». Однако использование многоразовых модулей все меняет. Хотя одно- и трехступенчатые аппараты по-прежнему превосходят двухступенчатые по своей массе, они позволяют многократно использовать бо́льшую часть своей массы (приблизительно 70-100%, а не 60%, как в случае двухступенчатых модулей), при этом обеспечивая экономию затрат на производство и доставку новых аппаратов на орбитальную станцию, что ведет к удешевлению лунной программы в целом», − рассказывает Латышев.
Он добавляет, что важным фактором при проектировании пилотируемых космических систем является безопасность экипажа, однако рассмотрение этого вопроса выходит за рамки данного исследования. «Безопасность – важный фактор, от которого зависит выбор схемы посадки. Использование многоступенчатых модулей может обеспечить больше возможностей для безопасного возврата экипажа на лунную орбитальную станцию в случае аварийной ситуации, что выгодно отличает многоступенчатый модуль от нашего «лидера» − одноступенчатой системы. В отличие от одноступенчатого модуля, двух- или трехступенчатая система позволяет использовать для возврата экипажа как взлетный, так и посадочный модуль. В то же время ожидается, что в силу большей сложности у двух- и трехступенчатых систем будет выше риск возникновения технических сбоев по сравнению с одноступенчатыми системами. То есть выбор здесь снова неоднозначен – каждая схема имеет свои преимущества и недостатки», − добавляет Латышев.
Ученые планируют в будущем расширить рамки своей работы и провести комплексное исследование системной архитектуры всей исследовательской инфраструктуры, являющейся неотъемлемой частью всех перспективных программ пилотируемых космических полетов на Луну.
Источник информации и фото: Сколтех
