У НАСА большие планы на Луну. В рамках программы «Артемида» НАСА планирует создать программу «устойчивого исследования и освоения Луны». Она будет включать в себя создание Lunar Gateway — орбитальной среды обитания, которая облегчит полёты на поверхность и обратно, а также базового лагеря Artemis Base Camp, который позволит проводить длительное пребывание. В рамках программы Commercial Lunar Payload Services (CLPS) НАСА заключило контракты с такими коммерческими партнёрами, как SpaceX и Blue Origin, на доставку научных экспериментов и экипажей на лунную поверхность.
Однако ожидается, что эти усилия приведут к созданию постоянного форпоста и присутствию человека на Луне. Для этого потребуется гораздо больше услуг по обслуживанию экипажей и полезной нагрузки, чтобы обеспечить их долгосрочное существование. В недавно опубликованном техническом документе «Грузы для лунной поверхности» исследователи НАСА выявили значительный разрыв между существующими возможностями доставки грузов и будущим спросом. В документе указывается, что растущий спрос на грузы можно удовлетворить только путём создания «смешанного флота грузовых посадочных аппаратов».
Основные выводы
Как указывают авторы статьи, в документе NASA «Определение архитектуры проекта «Луна — Марс»» (ADD) (редакция A) говорится о необходимости широкого спектра систем посадки. В разделе 3 (подраздел 1.4.8.4) ADD рассматривает программу CLPS и потребность в грузовых посадочных аппаратах как часть более широкой темы транспортных систем:
«Исследование лунной поверхности потребует доставки активов, оборудования и предметов снабжения на лунную поверхность. Хотя некоторые предметы снабжения и оборудование могут быть доставлены вместе с экипажем на HLS, грузовые посадочные аппараты обеспечивают дополнительную гибкость и возможности для активного исследования. В сегменте HLR исследовательской кампании дополнительная доставка грузов может быть обеспечена с помощью провайдерских посадочных аппаратов НАСА CLPS».
На сегодняшний день НАСА выбрало четырнадцать компаний, которые будут доставлять полезные грузы в рамках сегмента исследования Луны с возвращением человека (HLR). В их число входят SpaceX, Blue Origin, Ceres Robotics, Sierra Nevada Corporation и Tyvak Nano-Satellite Systems, выбранные в ноябре 2019 года для доставки экипажа и грузов. Кроме того, ещё девять компаний получили контракты на проведение научных экспериментов в 2018 и 2022 годах, такие как Firefly Aerospace, Intuitive Machines, Lockheed Martin Space, Moon Express и Astrobotic — первый коммерческий поставщик, запустивший миссию к Луне (Peregrine-1), которая, к сожалению, не приземлилась на лунную поверхность.
Однако по мере перехода программы Artemis от HLR к другим сегментам потребность в доставке грузов резко возрастёт. Как указано в ADD, это будет включать сегмент Foundational Exploration (FE), который совпадёт с Artemis IV и Artemis V (в настоящее время запланированными на 2028 и 2030 годы соответственно) и будет состоять в расширении НАСА «лунных возможностей, систем и операций, поддерживающих сложные орбитальные и поверхностные миссии». После Артемиды VI, которая состоится в 2031 году, НАСА планирует отправлять на Луну по одному экипажу в год.
На этом этапе начнётся сегмент Sustained Lunar Evolution (SLE), состоящий из «возможностей, систем и операций для поддержки регионального и глобального использования (наука и т.д.), экономических возможностей и стабильного присутствия людей на Луне и вокруг неё».
Растущий спрос
Чтобы оценить растущую потребность в лунных посадочных аппаратах и транспортных системах, НАСА проанализировало репрезентативную выборку планируемых грузов для программы «Артемида» и потенциальные потребности. Эти потребности снова разбиты по сегментам, а каждый образец представлен потенциальным диапазоном массы (см. таблицу ниже). Они также включают разовые полезные нагрузки для жилья, систем мобильности, электропитания и связи, морозильные камеры, различные научно-технические полезные нагрузки, а также периодические миссии по доставке материально-технических средств, которые будут включать продукты питания, воду, воздух, запасные части и другие предметы первой необходимости.
Авторы отмечают, что первые миссии с экипажем на звездолётах HLS («Артемида» III и IV) будут непродолжительными, поэтому посадочные аппараты смогут нести необходимые припасы. Однако в будущих миссиях потребуются дополнительные элементы поверхности, чтобы обеспечить более длительные миссии, диапазон исследований и размер экипажа. Например, по мере перехода сегмента возвращения человека на Землю к фундаментальному исследованию, планируемые и потенциальные полезные нагрузки в образце отражают эти растущие потребности.
В качестве примера можно привести доставку лунного транспортного средства (LMV), технологии вертикальных солнечных батарей, мобильного ретранслятора лунной поверхности, системы IP-мобильности, ровера «Эндюранс», морозильника для возвращения образцов и реактора Fission Surface Power (FSP) (расширение проекта НАСА Kilopower). Эти полезные нагрузки позволят осуществлять внекорабельную деятельность (EVA), обеспечивать электропитание и связь для будущей среды обитания, а также проводить миссии по возвращению образцов из бассейна Южного полюса — Эйткена.
Кроме того, НАСА ожидает доставку элементов, составляющих базовый лагерь «Артемида». Сюда входят герметичный ровер — он же Habitable Mobility Platform (HMP) — и начальная поверхностная среда обитания — Lunar Foundation Surface Habitat (LFSH), которая впоследствии будет использоваться для создания регулярных поверхностных сред обитания. Они также рассматривают логистические потребности для экипажей из двух человек, работающих с HMP, и экипажей из четырёх человек, работающих в LFSH. В ходе сегмента устойчивой лунной эволюции будут осуществляться поставки, связанные с созданием пилотной установки ISRU, а также текущие логистические потребности.
В целом, по прогнозам НАСА, будущие потребности в грузах составят от 2500 до 10 000 кг в год для ежегодной периодической логистики. Они также прогнозируют, что во время кампании «Основательное освоение» иногда будут осуществляться крупные поставки грузов (роверов или жилых модулей) весом до 15 000 кг. В техническом документе «Движущие силы и потребности лунной мобильности», входящем в серию «Архитектура 2024 от Луны до Марса», приводится подробное описание логистических требований.
Возможности
Что касается текущих возможностей доставки полезной нагрузки, авторы отмечают сотрудничество НАСА с частной промышленностью и международными партнёрами. К ним относятся программы CLPS, HLS и Human-class Delivery Landers (HDL), отвечающие за разработку посадочных аппаратов для экипажа и грузов. Между тем, такие международные партнёры, как Европейское космическое агентство (ESA) и Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA), сотрудничают в области потенциальных услуг по доставке грузов. Как они демонстрируют, небольшие полезные нагрузки весом до 500 кг (1100 фунтов), которые будут поддерживать логистику в сегменте SLE, находятся в пределах возможностей программы CLPS.
Более тяжёлые грузы, включающие элементы базового лагеря «Артемида», составляют от 12 000 до 15 000 кг, что соответствует возможностям программы HDL. Таким образом, остаётся промежуток между 500 кг и 12 000 кг, на который приходится подавляющее большинство необходимых полезных нагрузок в сегменте FE. Эти полезные нагрузки являются основой для долгосрочных планов НАСА по программе «устойчивого исследования и освоения Луны». Поэтому спрос на эти элементы и соответствующие вспомогательные услуги высок.
Дополнительные соображения
Помимо доставки грузов, посадочные аппараты должны обеспечивать доступ к различным местам в бассейне Южного полюса — Эйткена, которые отвечают целям миссии. Конкретные места, которые названы, включают кратер Боярышник, вершину возле кратера Шеклтон, обод кратера Фаустини, кратер Де Герлаш, Малаперт Мастиф и соединяющие их хребты, охватывающие область площадью около 500 км2 (310 миль2). Эти места являются ключевыми для солнечных батарей, сбора льда и транспортных сетей.
НАСА также выявило пробелы в области возвращения лунных грузов и образцов, где возможности существующих аппаратов значительно превышают возможности возвращения. В связи с этим в «Белой книге» рекомендован ряд поставщиков грузов, которые обеспечат разнообразие и гибкость. Такой подход учитывает «некоторые ключевые уроки, извлечённые из опыта работы Международной космической станции, в том числе необходимость разнородного резервирования, чтобы избежать ситуации, когда любая система становится единой точкой отказа».
В заключение можно сказать, что НАСА выявило «существенный архитектурный пробел в возможностях посадочного аппарата», который будет расти по мере продолжения сегмента фундаментальных исследований и перехода к этапу устойчивой лунной эволюции. Но, как отмечают специалисты, это открывает широкие возможности для НАСА и промышленных партнёров по созданию смешанного флота грузовых посадочных аппаратов, которые «удовлетворят потребности в доставке грузов, обеспечат более длительные миссии, отправят на поверхность больше членов экипажа и позволят расширить зону исследования». Это, по их словам, необходимо для достижения целей архитектуры миссии НАСА «От Луны до Марса».
Дополнительные подробности, касающиеся услуг по обслуживанию и транспортировке полезной нагрузки, представлены в другом документе «Движущие силы и потребности лунной мобильности», выпущенном одновременно с вышеупомянутым документом. Эти и другие соображения будут более подробно рассмотрены в обзоре концепции архитектуры 2024 года (2024 ARC), который должен быть опубликован в конце этого года. В этот обзор войдут документы, посвящённые стратегии НАСА в отношении лунной поверхности и потребностям в возвращении грузов.
