До сегодняшнего дня только космические агентства СССР, США и ЕС сажали аппараты на Марсе. Однако недавно представители SpaceX пообещали отправить свой грузовой модуль Dragon к Марсу «уже в 2018 году», что сделает компанию Илона Маска первым частным предприятием, вышедшим на межпланетный уровень. Конечно, все немного сходят с ума с этой марсианской гонкой. Но SpaceX представляет собой уникальное сочетание мечты и хорошо финансируемой инженерной мысли. Оказывается, разработки компании в области ракет многоразового использования и попытки удешевить запуск спутников на орбиту Земли имели скрытую цель. В начале этого месяца специалисты SpaceX успешно посадили в море ракету, что стало еще одним шагом на пути к заветной мечте Маска: посадить космический корабль на Марс небывалым до этого способом: без использования парашютов, подушек безопасности и специальных транспортных вертолетов — только силами самого корабля.

Как приземлиться на Марсе
Вам могло показаться, что с транспортировкой ракет на Марс мы уже разобрались. Однако стоит учитывать, что ракеты, конечно, могут донести до Марса любой груз, а вот посадить их там — задача совершенно иного порядка. Посадить ракету на Марс — не то же, что посадить ракету на Землю или Луну. Гравитационное поле красной планеты в два раза сильнее лунного, так что процесс потребует гораздо больших усилий, чем в свое время потребовалось Аполлону, чтобы прилуниться. При этом атмосфера Марса в 100 раз тоньше, чем на Земле. То есть нынешние парашюты способны довольно мягко приземлить капсулу Союз в казахской степи, но ни на какую медленную и безопасную посадку на Марсе рассчитывать не приходится. Во многом проблема посадки определяется весом груза, который несет космический корабль. Первые марсоходы НАСА приземлялись с помощью парашютов и падали на поверхность планеты в защитном пузыре из подушек безопасности. Но как только роверы стали больше, подушки безопасности потеряли свою функциональность. Так, что когда в 2012 году НАСА решило посадить на Марс 900-килограммовый ровер «Кьюриосити» — эдакий атомный автомобиль — им пришлось поломать голову над этой задачей. Решением занялась команда во главе с Мигелем Сан-Мартином, старшим инженером в Лаборатории реактивного движения НАСА. Они придумали хитрую штуку, специальный транспортный вертолет, известный как skycrane, который смог мягко опустить ровер на поверхность красной планеты. Посадка проходит в три этапа. Сначала тепловой щит поглощает первичные выбросы атмосферы. Затем парашют низводит корабль со сверхзвуковой скорости до примерно 350 км/ч. Наконец, в дело вступают ракеты и еще больше замедляют движение космического аппарата, пока он не зависнет в 8 метрах над поверхностью планеты, и только потом ровер на специальных тросах окончательно садится. - «Никто не верил, что у нас получится», — говорит Сан-Мартин. Но в итоге в НАСА признали skycrane «хоть и безумным, но работающим» проектом.

Сбросить парашют
Однако отправка человека на Марс требует совершенно другого уровня безумия.Бобби Браун, ветеран космической индустрии и бывший главный технолог НАСА, а ныне преподаватель в Технологическом институте Джорджии, объясняет: - «Чтобы высадить на Марс человека, нам придется посадить там двухэтажный дом. Причем прямо рядом с еще одним двухэтажным домом, который прибыл туда раньше с топливом и запасом продуктов, чтобы люди могли выжить. Представьте себе размер парашюта, который смог бы обеспечить посадку всей этой конструкции. Это же просто нелепо». Вот тут-то на сцену и выходит SpaceX со своими разработками. Сен-Мартин говорит: - «По сути, идея заключается в том, чтобы отбросить стадию парашюта и перейти сразу к ракетам». Впервые эта концепция была официально представлена в 2012 году Стивом Дэвисом, одним из наиболее продвинутых инженеров SpaceX. Он отметил, что мощные встроенные двигатели грузовой капсулы Dragon, которую SpaceX разрабатывает специально для полета на МКС и обратно, обеспечивают ей безопасную посадку на Землю (а также восстановление после неудачного старта). Дэвис предположил, что для замедления хода Dragon в момент входа в марсианскую атмосферу и на всем пути до окончательной посадки можно использовать те же двигатели в сочетании с тепловым щитом. Для того, чтобы осуществить этот план, понадобится разработать «сверхзвуковую тормозную двигательную установку». На «Кьюриосити» стояла дозвуковая ТДУ: тормозные ракеты включались уже после того, как парашют снизит скорость движения аппарата ниже скорости звука. В случае с Dragon тот же процесс должен пройти на сверхзвуковой скорости. Ученые и сейчас не могут с точностью предсказать, как в этих условиях пройдет взаимодействие тяги двигателя и звуковой ударной волны. Например, ударная волна может заставить ракету наоборот ускориться или приведет к турбулентности. А в то время, когда речь шла еще о разработке «Кьюриосити», в НАСА не готовы были терпеть такой уровень неопределенности.
Однако SpaceX применяет эту технологию при каждой своей попытке посадить Falcon 9. Когда ракетные двигатели начинают свою работу и готовятся к торможению на высоте 140 км, аппарат движется со скоростью 1300 м/сек. Но самое интересное происходит примерно в 70 км от поверхности Земли. - «Там, высоко, двигатели включаются примерно в тех же условиях, что и на Марсе, всё из-за тонкого атмосферного слоя. То есть SpaceX фактически разработал первую сверхзвуковую ТДУ. Именно с помощью этой технологии нам удастся отправить людей на Марс», — говорит Браун. SpaceX обменивалась данными посадки с НАСА, и Браун изучает поступившую информацию, чтобы спроектировать марсианский посадочный модуль следующего поколения. В 2014 год один из представителей НАСА сказал, что такой обмен данными сэкономил налогоплательщикам миллионы долларов.

Робот за рулем
Доработка сверхзвуковой ТДУ — не единственная задача, стоящая перед SpaceX. Посадка на Марс предполагает, что всем процессом будет управлять автономная система. Задержка связи между Землей и Марсом составляет от 4 до 24 минут, что делает дистанционное управление невозможным. Решить эту задачу не так-то просто. НАСА уже сталкивалась с подобной проблемой в 1999 году, когда специалисты потеряли контакт с зондом, посланным для изучения марсианского южного полюса. Считается, что это случилось, когда ракетный механизм, призванный замедлить движение зонда, слишком рано отделился, ошибочно приняв вибрации посадочных частей за саму успешную посадку. В обязанности Брайана Уильямса, бывшего ученого НАСА, который в настоящее время работает в лаборатории Массачусетского технологического института, специализирующейся на автономных системах удаленного контроля, как раз и входит понять, как предотвратить подобные сбои. Один из аспирантов Уильямса, Ларс Блэкмор, теперь возглавляет программу SpaceX по разработке ракет многоразового использования. Блэкмор и еще один аспирант, Масахиро Оно, снабдили инновационного подводного робота всеми инструментами для самостоятельно передвижения в пространстве по системе «распределения рисков». « Когда мы с вами сталкиваемся с неопределенностью, мы не просчитываем все варианты, а руководствуемся эмпирическим правилом, которое гласит: - „Держись в метре от проезжей части и будешь в безопасности“. Алгоритм, который разработали Ларс и Хиро, переводит эти интуитивные выводы в разряд математических закономерностей, что дает роботу запас безопасности». Так, что когда вы наблюдаете за тем, как регулируются лопасти ракет SpaceX, готовясь к посадке, знайте, что компьютер внутри пытается вычислить наиболее оптимальную траекторию движения с учетом риска, который он должен принять на себя, чтобы успешно сесть. Программное обеспечение, которое контролирует эти движения, применимо ко многим автономным системам, но особенно оно полезно в области космических исследований. Многие студенты Уильямса, в том числе и Оно, попали в Лабораторию реактивного движения НАСА, предел мечтаний для всех гиков от космоса. Но еще часть пошла работать на Маска. «Шестеро моих студентов пошли работать в ЛРД, однако сейчас пятеро из них работают в SpaceX. Я надеюсь, что там их талант будет оценен по достоинству, а разработки помогут реализовать новые миссии».

Инновационный бизнес
Теперь, когда в SpaceX заявили, что готовы отправить Dragon на Марс, первоочередной задачей компании становится доработка ракеты Falcon Heavy, которая и доставит туда грузовой модуль. Испытания ракеты неоднократно откладывались, однако ее первый запуск должен состояться уже осенью этого года. (Когда Дэвис впервые сформулировал свои идеи в 2012 году, ожидалось, что Falcon Heavy пройдет испытания еще в 2013-м.) Сам по себе Dragon может доставить на Марс больше тонны груза с множеством точек выхода, если какую-то часть этого груза будут составлять роботы.Тем не менее многие — и среди них астрофизик Нил Деграсс Тайсон — считают абсурдной идею того, что SpaceX удастся добраться до Марса. Они говорят, что частному сектору не хватает терпения на долгосрочные инвестиции и минимизацию рисков в процессе межпланетных исследований. Вот зачем существуют такие государственные учреждения как НАСА. В одном из недавних интервью Тайсон заявил: - «SpaceX вряд ли займет главенствующие позиции в области. Этого просто не произойдет». В качестве аналогии Тайсон приводит в пример Христофора Колумба, которого спонсировала испанская корона. Понятно, что на ранних этапах SpaceX зависела от финансирования НАСА, а теперь выступает в качестве рабочей лошадки космического агентства. «С годами ничего не меняется, они просто возят туда-сюда грузы. Задача же НАСА — не возить грузы, а заниматься прорывными разработками», — говорит он. Однако это ключевое различие быстро размывается. В то время как НАСА оказывает техническую помощь SpaceX с их марсовской миссией, агентство больше не финансирует компанию. В свою очередь, НАСА получит важные технические данные, которые оно не в состоянии собрать самостоятельно и при этом в которых нуждается, чтобы реализовать собственные проекты, связанные с Марсом. А SpaceX не просто таскает туда-сюда груз. Согласно контракту с НАСА, каждый раз, когда ракета летит к МКС, компания имеет возможность протестировать следующее поколение своих систем. Такой подход дает SpaceX значительное преимущество перед агентством. - «Не было никаких оснований полагать, что сверхзвуковая тормозная двигательная установка не сработает. Но не было и никаких оснований полагать, что она сработает. По правилам НАСА, мы собирались провести целый курс испытаний. Илон Маск сразу опробовал новую технологию на практике. И раз она сработала, значит, всё работает».