Starship проделал на Земле при старте громадную дыру. Почему это может отменить создание баз на Луне и Марсе?

После неудачного первого запуска собранного в единое целое Starship всю сеть обежали фото серьезных повреждений его стартового стола — многометровой ямы, которую выжгли 33 ракетных двигателя первой ступени. И это несмотря на то, что под «стартовой табуреткой» (на фото) был слой лучшего по огнеупорности железобетона толщиной больше метра.

Множество отраслевых комментаторов обратили внимание, что три вышедших из строя сразу после старта двигателя Raptor находились с одной стороны низа ракеты и в одной секции. Почти наверняка они получили те или иные повреждения при старте, а не вышли из строя «одновременно и случайно». Не исключено, что те же повреждения — в том числе и от обломков бетона стартовой площадки — привели и к провалу пуска в целом.

Однако это самые очевидные и бросающиеся в глаза выводы. Хорошо известно, что на Starbase (так SpaceX называет свою стартовую базу в Бока-Чика) уже завезли стальную плиту, которую планируют подложить под «табуретку» для запуска Starship и охлаждать огромным объемом прокачиваемой воды. Перед апрельским пуском ее просто не успели уложить — не хватило времени.

Такая плита выдержит нагрев от газовых струй. То есть и разлета бетона при старте не будет, что радикально упростит будущие полеты. Конечно, к плите хорошо бы приложить газоотвод а-ля Байконур. А с учетом близких грунтовых вод на Бока-Чика такой газоотвод придется делать «насыпным», над поверхностью, что потребует месяцев стройки и заметных денег. Однако все это — решаемые проблемы.

Но стоит взглянуть на ситуацию более детально. А на других небесных телах, не на Земле, удастся ли решить такие проблемы? Ведь там они тоже будут. И пути решения пока совершенно неочевидны.

Миссия «Артемида» под угрозой?

Напомним: NASA планирует использовать Starship для высадки на Луне, причем формально — в ближайшие пару лет. Правда, пока это маловероятно, потому что пока NASA даже скафандры нормальные для лунной высадки не сделало. Лунные скафандры эры «Аполлонов», во-первых, слишком старые, во-вторых, у них плохо гнутся колени и масса других проблем. Без новых скафандров высадки не будет, даже если все остальные системы будут готовы к 2024 году (что тоже практически невероятно).

Но все-таки очевидно, что в ближайшие несколько лет сесть на Луну Starship придется. И вот тут фото «погрызенного» им стартового стола из жаропрочного бетона начинает приобретать очень-очень большое значение.

Дело в том, что при использовании посадочных лунных модулей «Аполлонов» проблемы с «рытьем посадочной площадки» ракетными двигателями уже были. По некоторым оценкам, каждая посадка поднимала вверх 1,7 кубометра лунного реголита. На вид — просто пыль, пусть и массой в тонны.

Вот только масса поднимаемого при посадке грунта прямо пропорциональна массе сажаемого корабля, а также тяге посадочных двигателей. Посадочный модуль «Аполлонов» имел всего 15 тонн массы. Причем на Луну садилось меньше, потому что значительную часть топлива этот модуль сжигал еще до касания спутника. Тяга его двигателя была лишь 45 килоньютонов (при посадке в несколько раз меньше).

Теперь на Луну планирует садиться Starship — конструкция высотой с 17-этажный дом. Его посадочная тяга должна быть в несколько десятков раз больше, чем у посадочного модуля «Аполлонов». Тяга только его вакуумных двигателей при посадке на Луне — порядка 0,6 меганьютонов (при взлете-посадке будет работать лишь часть двигателей, и не на полной мощности).

Если мы умножим 1,7 кубометра грунта, выброшенного тем модулем, на десятки раз, то получим много десятков кубометров грунта. Вполне возможно — более сотни тонн.

В материалах NASA по высадкам «Аполлонов» прямо отмечают: экипажи ряда посадочных модулей (всего их было шесть) во время прилунения ниже 30 метров от поверхности Луны через иллюминаторы не видели вообще ничего. Пыль, поднимаемая посадочными двигателями, образовывала сплошное непрозрачное облако.

Разумеется, радары через такую пыль тоже определяли высоту на местности с сильными погрешностями. А для мягкой посадки высоту надо понимать точно — иначе есть шанс выключить двигатели слишком рано. А это приведет к тому, что или навигатор «подломит ноги» посадочному модулю, после чего взлететь не выйдет, или, что еще хуже, в облаке пыли «поставит» одну из посадочных ног на крупный камень, до посадки скрытый пылью, и завалит посадочный модуль (ракету) на бок. После чего ни поставить его обратно, ни взлететь уже не выйдет.

Если двигатели на посадочного модуля «Аполлонов» полностью блокировали видимость на высоте до 30 метров, то двигатели Starship явно заблокируют видимость на куда большей высоте. Насколько именно большей, предстоит установить экспериментально. С учетом этого обстоятельства сажать американских астронавтов на Луне без предварительной беспилотной посадки туда же Starship — идея сомнительная.

Иными словами, сильно поврежденный пламенем нового носителя бетонный стол в Бока-Чика означает серьезную корректировку всей программы по возвращению людей на Луну. «Артемиде» придется измениться — иначе она рискует погибнуть.

Лунных баз не будет вообще?

Если из предыдущей главы вам показалось, что главная проблема «огненного рытья» Starship — видимость при посадке, то, возможно, вы чересчур оптимистичны.

Взгляните на фото одного из астронавтов миссий «Аполлонов», Юджина Сернана. Что это за грязь на его скафандре? Это лунная пыль. На Луне нет атмосферы, и поэтому все пылевые частицы, которые Starship поднимет при взлете или посадке, быстро осядут рядом с местом, где он это сделал. Более того: если вы попробуете счистить с себя или какого-то другого предмета пыль на Луне, то она тут же снова осядет — на то, что вы только что чистили. Вторая особенность: из-за отсутствия атмосферы и заметного трения друг о друга эти частицы имеют не закругленные края, как на Земле, а, напротив, весьма острые. Попросту говоря, это ультрамелкий наждачный порошок, а не пыль в земном смысле этого слова.

Еще одна ее особенность — очень мелкий размер: большинство частиц — 0,02-5,0 микрометра в диаметре. Это тот самый размерный ряд, в котором находится большинство частиц от сгорания ископаемых топлив, на Земле убивающих более миллиона человек в год. Почти все эти частицы — 95 процентов меньше двух микрометров, 40 процентов — менее 0,1 микрометра. Последнюю группу частиц правильнее называть наночастицами. Эффективных фильтров, способных защищать от такого, нет.

Воспоминания астронавтов об этой чудесной субстанции достойны того, чтобы их процитировать:

«Грязь мягка, как измельченный снег, но прилипает ко всему, скафандру, оборудованию внутри модуля, коже и прочему… Было так грязно, что мы не могли читать карты для работы вне корабля… Так много пыли на камере, что мы не могли даже поляризационный фильтр для нее задействовать… Под пылью прятались камни, на которых было легко споткнуться и упасть. Поверхность неоднородна… Мы были черны, как если бы работали в растолченном в порошок графите… Ушло несколько дней [после полета], чтобы эта грязь ушла из-под ногтей».

Не надо думать, что астронавты не пытались удалить с себя эту пыль, пахнущую (внутри модуля) как черный порох. Пытались, в том числе влажными салфетками, ведь при попадании ее в глаза и нос приятного было мало. То, что вы видите на фото, это то, как они выглядели после очистки. В качестве неприятного бонуса пыль давала такое раздражение глазам, что их приходилось промывать специальным раствором, а нос астронавтов был стабильно заложен. Избавиться от этого внутри лунного модуля было невозможно, потому что попавшие туда со скафандром лунные пылинки продолжали летать в воздухе сутками.

У луномобилей, использовавшихся во время миссий, были постоянные технические проблемы из-за пыли, но были вещи и похуже. Возможно, на каком-то этапе именно это «похуже» станет главной проблемой освоения Селены.

Дело в том, что лунная база будущего по логике должна быть близка к месту взлета и посадки Starship. Это технически неизбежно, потому что таскать здоровенные модули для строительства базы на километры на Луне просто нечем. Там нет дорог и тяжелых грузовиков.

В то же время располагать базу ближе километра (в лучшем случае) от точки посадки Starship объективно невозможно. Потому что поднятая им при посадке и взлете пыль быстро покроет все в округе плотным слоем.
 
Именно так вышло с Surveyor III — исследовательским автоматом, который лежал на поверхности Луны в 163 метрах от точки посадки модуля миссии «Аполлон-12». Точка посадки была выбрана специально, чтобы астронавты нашли аппарат и оценили, насколько он пострадал за 31 месяц пребывания на лунной поверхности. Аппарат был белый — и астронавты искали его как белый. А нашли… коричневый! Сперва думали, что он выгорел. Однако, потрогав, убедились: он покрыт толстым слоем практически неудаляемой (потому что легко прилипающей снова) лунной пыли.

Starship, напомним, даст выброс пыли радикально больше, чем в десятки раз более легкий посадочный модуль «Аполлона». Он покроет толстым слоем пыли любую инфраструктуру лунной базы, если будет стартовать ближе километра от нее.

А это недопустимо. Начнем с того, что любое обитаемое пространство на безвоздушном теле должно иметь средства охлаждения, подобные тем, что мы видим на МКС. Радиаторы охлаждения на Луне, как выяснили экипажи «Аполлонов», быстро покрываются пылью, и удалить ее оттуда нереально. Из-за пыли температура многих технических средств начинает на десятки градусов превышать расчетную, в результате они работают не так хорошо и долго, как рассчитывали их разработчики на Земле.

Когда на МКС начинаются проблемы с охлаждением одного из модулей, космонавты просто переходят в другой — потому что в проблемном может быть и +50, а долгое пребывание в таких условиях может дать летальный исход. Но куда перейдут люди на лунной базе? Сколько бы модулей у нее ни было, близкий взлет Starship покроет неубираемой пылью все радиаторы охлаждения. Бежать некуда.

Снова процитируем астронавта-лунника Юджина Сернана:

«Простые механические устройства с большими зазорами [то есть, в теории, малочувствительные к обычной пыли] с луномобиля TM-2005-213610 8 начали показывать эффекты от пыли… К середине и концу третьей поездки даже такие простые вещи, как замки багажника и транспортной платформы, начали не то что плохо работать, а вообще работать перестали. Они „замерзли”. Вы стараетесь очистить их от пыли, но это ничего не давало [счищенная пыль в лунных условиях не уносится в сторону, а тут же оседает в районе, где ее счистили]. Эффект этой пыли на зеркала, камеры и даже чеклисты был феноменальным… Когда мы оказались внутри модуля… сняли скафандры, и пыль была на наших руках, лицах, и мы ходили в ней. Вы можете как угодно тщательно чиститься, но пыль заселит каждую трещинку и уголок в корабле и каждую пору в вашей коже».

Он вовсе не драматизирует. NASA отмечает, что уже после пары выходов в скафандрах те начинали «травить» воздух. Это и не удивительно: если на подвижное герметичное сочленение попали мелкие частицы, то скоро они не дадут ему быть герметичным. Потеря давления достигала 0,01 атмосферы в минуту после, повторимся, всего двух выходов. Уже утечка 0,02 в минуту считается недопустимой, поэтому в таких скафандрах в третий выход просто не пускали.

Зададимся простым вопросом: что будет, если воздух начнет травить шлюз лунной базы, на который осядет пыль после пусков Starship? Где в таком случае база возьмет бесконечный источник кислорода для восполнения утечки? А что будет, когда радиаторы ее систем охлаждения покроются пылью, и она начнет перегреваться до температур, несовместимых с жизнью? 

Впрочем, не скроем, в этой области есть и поводы для надежды. В комментарии для Naked Science специалист в области конструирования и производства скафандров (он пожелал остаться анонимным, по причинам, которые читатель поймет ниже) отметил: в том, что касается скафандров, сегодня сделан огромный шаг вперед.

«Материалов, которые были применены в скафандрах «Аполлонов», сегодня в современных скафандрах нет. Вообще, проделан огромный путь в совершенствовании всех подсистем скафандров. В 1986 году были проведены ресурсные испытания перчатки советского скафандра «Орлан-ДМ» для внекорабельной деятельности, которая была копией американской перчатки скафандра «Аполлонов». Ее ресурс был 300 сгибаний-разгибаний кистевого шарнира – это ничто, абсолютно недостаточно для полноценной работы. В 2006 году ресурс у перчатки уже новой разработки [используется в настоящее время на российских скафандрах «Орлан-МК» и «МКСС»] был выше 100 тысяч сгибаний-разгибаний кистевого шарнира — прогресс налицо. Да, здесь речь идет о скафандрах для орбиты, а не Луны, но общее представление о прогрессе получить все же можно».

При этом сейчас особое внимание уделяется испытаниям скафандров и всех компонентов лунной программы именно в пылевых камерах с аналогами лунного реголита. «Лунная пыль, в отличие от земной, с острыми, а не с закругленными краями. В США это огромный бизнес, несколько фирм продают аналоги лунного реголита, который активно используются в различных экспериментах и испытаниях».

Разумеется, это не означает, что проблема решена полностью, продолжает специалист, но и на Луну нам предстоит лететь «не завтра, и, видимо, не послезавтра. Кроме того, надо учитывать, что первые лунные скафандры будут рассчитаны всего на несколько выходов, а не десятки. Опыт их эксплуатации позволит выяснить, есть ли какие-то узкие места. Для лунных баз, вполне возможно, будет создано еще одно, новое поколение скафандров». 

В России, в целом, ситуация с готовностью скафандров к лунным условиям хуже, продолжает он. «Звезда» [делает российские космические скафандры] уделяет особое внимание новым дорожкам на территории и красным уголкам с доской почета, что, конечно, дело нужное, но новые скафандры не заменит. Вот с лунной пылью могут быть проблемы. Кроме того, в силу бюджетных ограничений, испытания и вообще проработка проблемы по лунной пыли в России поставлены гораздо слабее».

А что же с Марсом?

Впрочем, оставим в стороне Луну. Илон Маск уже не раз объяснял, почему считает ее освоение бесперспективным и почему планирует полеты к Марсу. Что там ждет Starship с его уникальными способностями к копанию больших ям раскаленными газами?

К счастью, на Марсе есть атмосфера, способная переносить пыль. Это означает, что там ее можно эффективно счистить с любой поверхности. Кроме того, местная пыль не такая электростатически «прилипчивая». Следовательно, если даже марсианская база будет близко к взлетно-посадочной площадке Starship, это не вызовет фатальных проблем ни с радиаторами охлаждения, ни со шлюзами. Как добавляет процитированный выше специалист, положительная особенность Марса — это ветер, который сносит пылевое загрязнение, даже если оно случилось. И с марсоходами такой снос, после которого резко улучшилась работа фотоэлементов, случился уже не раз.

Тем не менее, определенные проблемы возможны. И при посадке, и при взлете. Дело в том, что под поверхностью Марса много воды, но где именно, мы, к сожалению, в основном не знаем. С орбиты радарами можно вскрыть только очень крупные водные массивы, например крупные подповерхностные озера у южного полюса Марса или ледовые шапки там же.

Просто пропитанный замерзшей водой грунт, марсианский аналог вечной мерзлоты, радар часто не возьмет. Нейтронные приборы типа российского ДАН, стоящего на американских марсоходах, могут обнаружить воду на глубине пробега нейтронов — 1-2 метра от силы. Что там глубже, мы не знаем.

Судя по взлету апреля 2023 года с Бока-Чика, мощные струи пламени «Рапторов» Starship могут прогрызть глубже, существенно глубже метра. Если под «прогрызенным» окажется лед или мерзлота, возможен «паровой взрыв» — взрывообразное превращение воды в пар под действием высоких температур. Камни в такой ситуации будут лететь во все стороны. И лететь далеко, ведь гравитация на Марсе всего 0,38 земной. Следовательно, даже с учетом того что на Земле при взлете работают 33 двигателя «Раптор», а на Марсе будут работать, предположительно, шесть, разброс обломков может быть такой же впечатляющей, как и в Техасе. Напомним: там речь шла о расстояниях до восьми километров от точки запуска.

Из этого напрашивается вывод: даже если базы на Марсе и реальнее лунных, даже если их можно будет нормально охлаждать радиаторами, а их шлюзы смогут работать, то защита от падающих сверху камней им все равно понадобится. И о ней лучше подумать заранее.

В поисках выхода

Достаточно очевидно, что до первой половины 2030-х годов SpaceX не доведет Starship до состояния, при котором в нем можно будет послать людей на Марс. Вторую половину 2020-х годов ему придется летать на Луну. Из этого ясно, что проблема «рытья стартового стола» для этого корабля будет очень значимой. Есть ли пути ее если не решения, то хотя бы обхода?

В теории — да. Во-первых, вместо базы можно использовать сам Starship. Он в конце концов по герметическому объему равен десяти немаленьким земным квартирам или крупной вилле. И уж точно побольше МКС с ее 850 кубометрами герметизированного пространства. Строительство лунной базы, которая была бы просторнее Starship, — задача циклопических размеров, да и надо ли ее решать? Быть может, проще просто сажать корабль в новых местах, получив «кочующую лунную базу»? Так можно каждый раз исследовать новые места, причем не рискуя получить базу, засыпанную пылью от взлетов корабля.

Доза пыли, которая сядет на сам Starship после его посадки, конечно, неизбежна. Но ее будет куда меньше, чем у окружающих предметов. По расчетам, пыль от работы двигателей садящегося корабля на Луне в основном летит под углами не более 15 градусов, то есть во все стороны от места посадки, а не вверх. Того мощного облака, идущего вверх, что мы видели на Бока-Чика в апреле 2023 года, на Селене не случится. Потому что на Земле облако ползло вверх в основном за счет конвективных процессов, а на Луне нет атмосферы, то есть конвективные процессы в ней тоже невозможны.

Сложнее выглядит вопрос с безопасной посадкой. Судя по опыту «Аполлонов», минимальное количество пыли поднималось, когда посадка происходила в лунные моря. Их поверхность базальтовая, пыли там не так много, потому что перенос ее из «пыльных» районов Луны идет только баллистически — при попадании туда метеоритов и астероидов. Переноса с ветром нет. Поэтому посадочный модуль «Аполлона-14», прилунившийся в районе кратера Фра Мауро, хотя и жаловался на затруднения от пыли, но хотя бы видел, куда садится, до последних секунд включительно (а вот у «Аполлона-12» видимости в последние, критические несколько секунд посадки не было вообще). Причина очевидна: дно кратера Фра Мауро покрыто потоками базальтовой лавы.

Starship вряд ли будет иметь приличную видимость — для человека ли, радаров ли, без разницы — при посадке на Луну: слишком мощный. Но все равно лучше выбирать районы, где дно сложено лавой и содержит минимум пыли. Правда, и там базу вряд ли сделаешь: циклы взлет—посадка все равно дадут мощное пылевое загрязнение, грозящее убить любую герметичность. Без которой вне Земли в Солнечной системе пока просто не выжить.

С Марсом ситуация схожая: нужно тщательно выбирать зону посадки. Идеально, если оно будет покрыто лавовыми потоками: под ними вряд ли возможна вечная мерзлота. Значит, грунт в районе посадки не «поплывет» и одна нога не сядет сильно глубже другой, создав угрозу опрокидывания. В будущем стоит подумать о создании взлетно-посадочных площадок близ входов в марсианские лавовые трубки — огромные пещеры, способные служить естественными аналогами газоотводов Байконура.