В Сколтехе и MIT предложили оптимальную архитектуру лунного модуля

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 спутника Земли и обратно.

Статья с описанием результатов исследования опубликована в журнале Acta Astronautica. 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. Сегодня 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 специалисты определили 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 ученые провели комплексное численное исследование вариантов построения системы, комбинируя различные архитектурные решения. На заключительном этапе проанализировали полученное пространство решений и отобрали 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 «безусловный» лидер среди решений для краткосрочных лунных миссий — 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, то есть 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». Но использование многоразовых модулей все меняет.

Хотя одно- и трехступенчатые аппараты по-прежнему превосходят двухступенчатые по своей массе, они позволяют многократно использовать большую часть своей массы (приблизительно 70-100 процентов, 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 важный фактор при проектировании пилотируемых космических систем — безопасность экипажа, но рассмотрение этого вопроса выходит за рамки 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. В будущем ученые планируют расширить рамки своей работы и провести комплексное исследование системной архитектуры всей исследовательской инфраструктуры, являющейся неотъемлемой частью всех перспективных программ пилотируемых космических полетов на Луну.