В рамках программы «Артемида» НАСА впервые с тех пор вернет астронавтов на поверхность Луны. Аполлон 17 высадился в 1972 году. Помимо этой исторической миссии, запланированной на сентябрь 2026 года, НАСА планирует создать инфраструктуру, которая позволит осуществлять ежегодные миссии на Луну, что в конечном итоге приведет к постоянному присутствию там человека. Как мы уже говорили в предыдущей статье, это приведет к огромному спросу на системы доставки грузов, которые будут соответствовать логистическим, научным и техническим требованиям экипажей, занимающихся исследованиями.
Помимо этой возможности доставки экипажей и грузов, также существует потребность в транспортных системах, которые будут решать логистические задачи и помогать в исследовательской работе. Эти требования были изложены в белой книге 2024 Moon to Mars Architecture под названием «Lunar Mobility Drivers and Needs». Продолжая одновременно выпущенную «Lunar Surface Cargo», эта белая книга рассматривает потребность в лунной инфраструктуре, которая позволит перемещать астронавтов и полезные грузы с мест посадки туда, где они больше всего нужны. Как обычно, они выявили критический разрыв между текущими возможностями и тем, что следует ожидать.
Авторы снова ссылаются на необходимость систем мобильности в соответствии с целями NASA, как подробно описано в документе Moon to Mars Architecture Definition Document (ADD). Как они указывают, недавние анализы интегрированных операций на поверхности подчеркнули важность транспортных систем, которые могут перемещать грузы из точек доставки в точки использования по всей поверхности Луны. Это может варьироваться от «логистики экипажа и расходных материалов до научных и технологических демонстраций, до крупномасштабной инфраструктуры, требующей точного перемещения».
Короче говоря, в дополнение к посадочным модулям, способным доставлять экипажи, припасы, эксперименты и места обитания, программа NASA Moon to Mars также требует транспортных средств и сетей поддержки, которые могут доставлять их из точки А в точку Б. Как они заявляют, в настоящее время определенные элементы мобильности либо в первую очередь предназначены для использования экипажем, либо ограничены в мобильности. Сюда входят такие элементы, как Lunar Terrain Vehicle (LTV) и Герметичный вездеход (PR), которые являются элементами базового лагеря Artemis, а также роботизированные миссии, контракты на которые заключаются в рамках программы Commercial Lunar Payload Services (CLPS).
Кроме того, потребности и проблемы, которые возникнут по мере развертывания программы Artemis, разбиты на три сегмента: возвращение человека на Луну (HLR), фундаментальное исследование (FE) и устойчивая лунная эволюция (SLR). Сегмент HLR включает Артемида III Миссия, в настоящее время запланированная на сентябрь 2026 года, в ходе которой экипаж из двух человек высадится на поверхность Луны с помощью Starship HLS. Сегмент FE совпадет с Артемида IV и Артемида V (2028 и 2030 гг.), когда численность экипажа увеличится с двух до четырех человек, а необходимая инфраструктура будет расширена.
После этого, в течение сегмента SLR, NASA планирует проводить по одной миссии в год и создать постоянную лунную среду обитания. В течение этого периода потребности в полезной нагрузке и транспортных системах превысят текущие возможности, ограниченные 15 000 кг (33 070 фунтов) груза. Подобно тому, что NASA сообщило в своем документе Lunar Surface Cargo, для достижения ключевых целей миссии потребуются грузы, размеры и масса которых выходят за рамки этих возможностей, что создает необходимость в дополнительных решениях.
Разделение и транспортировка
Как утверждают авторы, одной из основных проблем на поверхности Луны, влияющей на мобильность, является необходимость разделения между местами посадки и точками использования. Это разделение мотивируется несколькими факторами, включая научные цели, условия освещения и соображения безопасности. Короче говоря, транспортные средства для экипажа, места обитания и ключевая инфраструктура будут располагаться на расстоянии от мест посадки, чтобы не подвергаться влиянию темноты, вызванной тенью посадочных модулей, загрязнения от посадочных модулей и реголита или взрывных выбросов, создаваемых шлейфами двигателей. В зависимости от уровня беспокойства, разделительные расстояния делятся на три уровня:
- Расстояние от затенения посадочного модуля (десятки метров; десятки ярдов)
- Ограничения по выбросу посадочного модуля из-за разрыва посадочного модуля и существующей инфраструктуры или подъема посадочного модуля (>1000 м; ~1090 ярдов)
- Поддержка агрегации элементов в идеальных зонах обитания из доступных региональных посадочных площадок
(до 5000 м; ~5470 ярдов)
Кроме того, архитектура миссии NASA «Луна-Марс» подчеркивает необходимость использования ресурсов на месте (ISRU), таких как водяной лед, реголит и минералы. NASA также признает необходимость выбора мест для проживания и спячки, которые минимизируют воздействие темноты из-за теней, вызванных местным рельефом и наклоном Солнца во время лунных ночей (которые длятся две недели). Это проще всего сделать на возвышенностях и на вершинах кратерных хребтов. Для этого необходимы две вещи:
- Места разведки, проживания и энергоснабжения должны быть расположены вдали от мест посадки и ISRU.
- Траверсы от посадочных площадок до жилых зон могут проходить по уклонам до 20 градусов.
Как утверждают авторы, эти пересекающиеся проблемы можно решить, обеспечив наличие систем, которые позволят элементам миссии отойти от посадочных модулей после их развертывания на поверхности:
«Это можно сделать с помощью независимых или интегрированных систем мобильности. Частота перемещений между точками под и под уклоном будет зависеть от частоты, с которой посадочные модули доставляют грузы на поверхность Луны, и массы, которую данная система мобильности может перевозить при каждом перемещении. Интегрированные архитектурные операции потребуют нетривиальных диапазонов перемещения и агрегации для грузов и активов».
Транспортные возможности
В течение сегмента FE программы Artemis НАСА планирует расширить поверхностные экипажи с двух до четырех, которым нужно будет работать на поверхности около 30 дней. Это потребует широкого спектра потребностей в мобильности, которые могут вмещать полезные грузы разного размера и массы и на разных расстояниях. К ним относятся:
- Демонстрации технологий меньшего размера: от 500 до 2000 кг (~ от 1100 до 4410 фунтов)
- Элементы логистики на пилотируемую надводную миссию: от 2000 до 6000 кг (~4410–13 230 фунтов)
- Системы обитания: от 12 000 до 15 000 кг (~26 455 до 33 070 фунтов)
Авторы признают, что существующие элементы мобильности могут обеспечить некоторые возможности перемещения грузов — например, LTV может вместить 800 кг (~1764 фунта) груза без экипажа. Однако, согласно анализу команды NASA, возможности мобильности отстают от спроса на 1000–15 000 кг (2200–33 070 фунтов) на единицу для дальностей от 50 до 5000 м (~55–5470 ярдов). Более того, «частота потребностей в перемещении» (т. е. как часто необходимо перемещать полезные грузы) будет значительно различаться, от единичных операций для крупных элементов до нескольких рейсов в год для контейнеров и небольших грузов.
Условия
Авторы также рассматривают, насколько важны лунные условия при разработке систем мобильности. Одной из самых больших опасностей на Луне является реголит (он же «лунная пыль»), мелкий силикатный порошок, который покрывает большую часть поверхности и прилипает ко всему, с чем соприкасается. Существуют условия освещения, при которых части региона Южного полюса будут затенены из-за наклона Солнца, и постоянно затененные области (PSR), которые испытывают вечную темноту. И последнее — это вопрос рельефа, который может быть каменистым или покрытым 1–10 м (3,3–33 фута) реголитом, и где обычны уклоны более 10 градусов.
По их мнению, эта комбинация факторов «создает значительный технологический разрыв между существующими системами и требованиями мобильности для будущих исследований». Для начала, энергетические системы должны обеспечивать достаточную мощность, чтобы транспортные средства могли поддерживать достаточную скорость и грузоподъемность и могли работать в лунные ночи. Авторы также рекомендуют провести больше исследований стратегий смягчения реголита для предотвращения износа и воздействия реголита на электромеханические системы. Они также подчеркивают необходимость достаточной автономности и/или телеуправления, что обеспечивает большую гибкость и дальность действия.
Эти автономные системы должны справляться со сложным лунным ландшафтом, картировать местный рельеф, распознавать препятствия и непроходимые регионы и определять оптимальные пути для достижения своих целей. Как отмечают авторы, эти системы могут обеспечить большую гибкость для планирования миссии и увеличить скорость мобильных активов, особенно в районах, где рельеф мешает связи и делает невозможными удаленные операции.
Подводя итог, можно сказать, что в документе «Драйверы и потребности лунной мобильности» определены некоторые надежные требования для создания постоянного присутствия человека на Луне. Это повлечет за собой перемещение грузов и активов по поверхности Луны от мест посадки до пунктов назначения на расстоянии от 5 до 5000 метров (~5,5–5470 ярдов). Он также должен иметь возможность размещать полезную нагрузку до 12 000 кг или более, что значительно превышает текущие возможности предлагаемого LTV — 800 кг (~1765 фунтов).
Кроме того, в документе указывается, что энергетические и экологические соображения имеют решающее значение для процесса проектирования. Это не просто вопрос масштабирования маломасштабных систем мобильности для создания крупномасштабных. Наконец, компьютерные системы и программное обеспечение, работающие в будущих системах мобильности, должны будут быть совместимыми, обмениваться информацией между транспортными средствами и базовыми площадками и иметь возможность функционировать автономно или полуавтономно.
Как и в случае с «грузом на лунной поверхности», эти результаты будут более подробно изучены в Обзоре концепции архитектуры 2024 года (2024 ACR), который будет опубликован позднее в этом году вместе с официальными документами, описывающими потребности NASA в возврате грузов и стратегию по поверхности Луны.
Дальнейшее чтение: НАСА
