Моделирование деятельности экипажа на поверхности планеты в рамках проекта Марс-500

Цели и задачи, содержание и временная программа эксперимента «Марс-500» широко освещены в СМИ. Эксперимент проводится на уникальной стендовой базе ГНЦ ИМБП, представляющей собой единственный в мире комплекс гермокамер с управляемой средой обитания. В эксперименте воспроизводятся те особенности полёта к Марсу, которые отличают его от геоорбитального полёта сопоставимой продолжительности. Как же моделируются условия межпланетного полета в эксперименте «Марс-500»?

Скафандр «Орлан-Э», представленный на эксперимент разработчиком – НПП «Звезда», заявлен как прототип будущего марсианского защитного снаряжения. Он почти в 2 раза легче орбитального скафандра «Орлан», значительно увеличена подвижность в суставах дистальный частей – рук и ног, что позволяет испытателю опускаться на колено, подниматься на ноги. И хотя пневмоснабжение скафандров в эксперименте осуществлялось по шлангам, это не препятствовало испытателям под избыточным давлением выполнять манипуляции по программе эксперимента.

Результативность имитации действий испытателей на поверхности заслуживает отдельного разбора. Для возможного приближения организма испытателей к состоянию как после перелёта в условиях g ≈ 0, члены десантной группы в течение трех суток, под наблюдением бортового врача, снаряжённые во фрагменты противоперегрузочного костюма «Кентавр», находились во время сна в положении к горизонтали (минус 15°).
Что касается инструментов, то в эксперименте использован селенологический комплект, созданный совместно ГЕОХИ им. В.И. Вернадского, КБ «Спецгеология» и НПО «Энергия» в конце 1960-х – начале 1970-х для программы Н1-Л3. Комплект, адаптированный к скафандру «Кречет», был испытан на режимах 0,16g на СЛ Ту-104К. В состав комплекта входят: совок для отбора сыпучих проб, грейфер (захват) для камней, альпеншток с киркой и пенетрометром, геологический молоток. Кроме ручных инструментов, в состав оборудования входят две электрические ручные машины с автономным электропитанием и вращательно-поступательным движением режущего инструмента (перфораторы), предназначенные для скола (отбойки) образцов монолитных образований. Перфораторы разработаны, изготовлены и предоставлены для эксперимента «Марс-500» на основе партнёрского сотрудничества преемником исторического смежника РКК «Энергия», который разрабатывал первые инструменты для внекорабельной деятельности (ВКД) на орбитальных станциях «Салют» и «Мир» – Всесоюзного НИИ строительного и монтажного инструмента (сегодня это предприятие носит наименование ЗАО «ИНТЕРСКОЛ»).

В состав оборудования для исследований на поверхности вошли: раскладной стеллаж, две гермокапсулы для сыпучих фракций, пенал для образцов камней, контейнер для укладки и переноса оборудования. Таким образом, приближение условий эксперимента к ожидаемым в реальности можно определить как полунатурное физическое моделирование ситуации с некоторыми допущениями, приемлемыми для разработки сценария первого выхода на поверхность, планирования и первичной оценки методики действий.

В моделировании ВКД использован опыт, накопленный в этой области космонавтики в РКК «Энергия», НПП «Звезда», ГНЦ ИМБП. Так, при подготовке к эксперименту испытатели-марсонавты провели тренировки по освоению скафандров, использованию геологических инструментов. За несколько дней до ВКД, как это принято на орбитальной станции, испытатели провели самостоятельную примерку скафандров. При разработке бортовой инструкции по действиям на поверхности была использована методика и форма документа, принятая для ВКД на российском сегменте МКС.

Сценарий действий на поверхности содержал эпизод имитации «случайного» падения испытателя на грунт, самостоятельный, с использование альпенштока, или с помощью товарища, подъём на ноги (см. «Авиапанорама» №1-2011). Эпизод был с успехом неоднократно проигран, но, разумеется, при земном состоянии организма испытателей, не перенёсших тягот межпланетного перелёта.

Запланированная программа деятельности испытателей на имитаторе поверхности была выполнена в полном объёме, цели программы достигнуты. Скафандр «Орлан-Э» обеспечил реализацию двигательной активности испытателей и выполнение всего объёма движений и манипуляций, необходимых для целевых операций. Снижение массы системы «человек-скафандр» было достаточным применительно к условиям силы тяжести даже на Земле и позволяло испытателям перемещаться по поверхности без затруднений.

В среде специалистов, в частности американских, существует мнение, что для отработки марсианской экспедиции могут и должны быть использованы земные природные объекты. Станция Марсианского общества – MDRS (Mars Desert Research Station) установлена в пустынной местности штата Юта; аналогичная станция находится в кратере Хоутон у северного побережья острова Девон (Канадский Арктический архипелаг). Станции рассчитаны на проживание 6 человек со сменой экипажей каждые две недели. Предусматривается отработка методики исследований и аппаратуры.
Такая технология подготовки экспедиции, её пригодность для всей номенклатуры операций и всех этапов подготовки, её техническая и экономическая целесообразность, по моему мнению, отнюдь не очевидны. Необходима дифференциация задач и применение соответствующих им методов отработки. Так, например, выход из ПВМ, его обход и осмотр, фоторегистрация не потребуют площадки с радиусом более 5–6 метров. Операции по забору проб грунта, камней, бурения, отбойки скальной породы, по установке приборов и т.п. могут быть отработаны на рабочем месте такого же радиуса. Оценки утомляемости, выносливости при пешем перемещении могут быть проведены на замкнутых маршрутах. Для определения устойчивости на склонах может быть сооружён макет микрорельефа. Таким образом, искусственный марсодром, разумно ограниченный по размерам и стоимости, вполне позволит выполнить отработку технологических операций и верификацию оборудования индивидуального применения.

Что же касается отдалённых зон исследования, то на Марсе, учитывая тяготение, которое в 2,37 раза более лунного и всего в 2,63 раза менее земного, никак без транспортных средств не обойтись, для испытаний которых и понадобятся природные объекты. Изыскать такой (или такие) полигон на территории России, без сомнения, вполне возможно, по крайней мере, в определённый сезон года.

В процессе выполнения операций были подтверждены технические и эргономические свойства инструментов, их совместимость с конструктивно-эксплуатационными особенностями скафандра и функциональными возможностями облачённого в скафандр человека. Отмечены необходимые улучшения, которые повысят качество и удобство применения оборудования. Эргодизайн электроинструментов, при небольших изменениях, может быть согласован с перчаткой скафандра в части некоторых органов управления. Очевидно, что в исследованиях на Марсе будут использоваться high tech–методы поисковых работ: ядерно-геофизические, бескерновые, каротажные и т.п., и соответствующие средства: автоматическая каротажная станция, буровая установка, уже упомянутые выше электроинструменты для отбойки образцов, сверления шпуров и др. Для экспедиции на Марс (или на Луну, или на астероид) уже сейчас может быть начато формирование специальных требований к геолого-поисковому оборудованию с целью адаптации его к космическим условиям и к человеку в скафандре.

Оборудование для проведения экспресс-анализов в области геохимии, биохимии, биологии позволит экипажу оперативно получать результаты и использовать эту информацию для корректировки направления и характера поисковых и исследовательских работ, что и является главным преимуществом и отличием человека по сравнению с автоматом. Но у человека есть не только креативные преимущества, в отличие от автомата человеку периодически нужен отдых. Следует отметить изменение в функциональной загрузке ног по сравнению с условиями микровесомости, именно опорно-двигательный аппарат человека в условиях тяготения на Марсе следует, по возможности, разгружать и от веса скафандра, и от веса собственного тела. Сопоставление физиологических показателей с содержанием рабочих операций позволит рационально планировать загрузку и отдых марсонавтов. Облик технических средств для разгрузки и отдыха – это объект будущей разработки.

Вопросом безопасности при падениях следует уделять особое внимание, учитывая массу связки «человек–скафандр» и марсианское ускорение силы тяжести 371см/с2, а также характер поверхности в виде остывшей лавы. На Земле известны породы под названием «вулканическое стекло», которые имеют раковистые режущие изломы или игольчатые образования, например, обсидиан (obsidianus lapis). Придётся позаботиться о защите органов управления, остекления гермошлема (решётка как у хоккейного вратаря) и перчаток скафандра, где на кончиках пальцев только однослойная оболочка.
Наряду с целями эксперимента «Марс-500» по изоляции, планированию и организации деятельности экипажа, существуют конкретные проблемные задачи, нуждающиеся в исследовании и последующем решении за рамками данного эксперимента, которые могли бы сопутствовать ему и его дополнять. Для подготовки десантной экспедиции на поверхность Марса ключевое значение приобретает проблема работоспособности космонавта после длительного пребывания в условиях микровесомости в период межпланетного перелёта, в частности, хорошо известная в космической медицине проблема ортостатической неустойчивости. Сможет ли человек, без достаточного времени на реадаптацию к величине тяготения 0,38g, оставаться Homo erectus, сохранять вертикальное положение тела, осуществлять продуктивную двигательную активность?

Первым шагом в исследовании функциональных возможностей человека в заданных условиях может стать модельный эксперимент, предложенный и обоснованный в 2004 году (О.С. Цыганков. Десант на Марс. «Полёт», №4-2004, с.14-15). Два этапа исследований носят итеративный характер и проводятся в следующей последовательности.

1. Моделирование ситуации перехода организма человека к марсианской гравитации осуществляется реализацией АНОГ (антиортостатической гипокинезии), после чего испытатель облачается в скафандр, обезвешивается до 0,38g и выполняет запланированные действия.

2. Следующий этап, второе приближение к реальности – это участие в эксперименте космонавтов из состава экипажа РС МКС после полугодового геоорбитального полёта. Возвращённые на Землю космонавты доставляются на базу испытаний, облачаются в скафандры, обезвешиваются до 0,38g и выполняют действия по программе исследований.

И на первом этапе, в процессе АНОГ, и, тем более, в полёте на МКС, проводятся штатные мероприятия по предупреждению снижения гравитационной устойчивости организма и отрицательного влияния микровесомости на человека.

Таким образом, объективные и субъективные оценки состояния испытателей на финише эксперимента являются одновременно и оценками действенности и достаточности средств и методов противостояния микровесомости, имеющихся в арсенале космической медицины, в интересах поставленной задачи, и оценками корректности методики моделирования.
Следующим шагом в решении проблемы обеспечения работоспособности марсонавтов станет выбор или разработка пути получения положительного результата.

Основой решения мог бы стать опыт, наработанный за 50 лет пилотируемой космонавтики с учётом 437-суточного непрерывного геоорбитального полёта врача-космонавта В. Полякова. В том случае, если в результате предлагаемых экспериментов выяснится, что существующий подход не обеспечит приемлемого уровня работоспособности марсонавтов, в повестку дня встанут вопросы о создании и использовании дополнительных или новых медико-технических средств и технологий, в том числе и искусственной силы тяжести, которая может быть получена вращением всего экспедиционного комплекса или отдельного модуля, а также применением центрифуги короткого радиуса. Наиболее вероятно, что сохранение и поддержание работоспособного состояния марсонавтов будет обеспечиваться комплексом методов и средств того научно-технического горизонта, который будет достигнут ко времени конкретной подготовки экспедиции на Марс.
Как известно, на Марсе наблюдаются постоянно дующие и меняющиеся по направлению ветры. По опубликованным данным, в атмосфере Марса периодически возникают пыльные бури, порою глобального масштаба, не имеющие аналогов на Земле. Озабоченность вызывает воздействие ветровых нагрузок на марсонавта, особенно на фоне неразрешённой пока проблемы ортостатической неустойчивости. Аналитическая оценка ветровой нагрузки на фронтальную плоскость скафандра при скорости набегающего потока углекислого газа 30 м/с и атмосферном давлении 6,1 мбар получена величиной 16,5…30 Н. По некоторым источникам, скорость ветра достигает 140 м/с. Можно предположить, что при такой скорости ветра, особенно при резких порывах, нагрузки на скафандр могут достигать значений, в разы больше указанных и запредельных для безопасности марсонавта.

Чтобы составить представление о воздействии ветровых нагрузок на испытателя в скафандре, был проведён следующий оценочный эксперимент в наземных условиях. При этом испытатель в вентиляционном скафандре «Орлан» под избыточном давлением 0,4 ат располагался в положении «стоя» на макете грунта с произвольным микрорельефом. Вес скафандра составлял ~ 60 кгс, что может быть близко к весу марсианского скафандра в условиях g=0,38; вес испытателя 75 кг. Сосредоточенная механическая нагрузка через динамометр прилагалась в точке расположения центра тяжести системы «человек–скафандр». Измерялась опрокидывающая сила, приводящая к наклону скафандра и к выводу проекции точки ЦТ из площади опоры, занимаемой подошвами ботинок скафандра. При наклоне на 12…15° от вертикали происходило падение испытателя. Такой наклон и падение назад происходило при приложении силы 30Н, падение вперёд – при 35Н. Эти результаты, несмотря на отличие условий эксперимента от ожидаемых на Марсе, дают пищу для осмысления проблемы и, возможно, распространения их на реальную ситуацию или использования для подготовки более корректных экспериментов. Прогнозируемая ветровая обстановка на Марсе ставит в повестку дня создание и оснащение ПВМ, а может быть, и скафандров, нетипичными для космической техники приборами с функциями древнего флюгера или анемометра: указание направление ветра и измерение его скорости. Прибор в модернизированном исполнении мог бы выдавать интегрированное показание величины ветровой нагрузки на скафандр и иметь звуковую тоновую индикацию.

ВКД на поверхности Марса является локальным фрагментом пилотируемой экспедиции. Исследования в этом направлении можно и целесообразно разворачивать уже в настоящее время с целью формирования концептуальных и методических подходов к решению многоаспектной проблемы полёта на Марс. Результаты имитации деятельности экипажа должны быть учтены на ранних этапах проектирования элементов межпланетного экспедиционного комплекса, что позволит исключить принятие неадекватных и неэффективных решений в части учёта человеческого фактора.

Изложенные выше проблемы обеспечения деятельности человека на поверхности Марса далеко не исчерпываются, более того, они во множестве своём ещё не определены. Проведение исследований и разработок по теме ВКД на поверхности небесных тел, опережающих проектирование конкретного экспедиционного комплекса, не будет преждевременным и может стать вкладом России в международные проекты, в том числе, полёта на Марс.

Продолжение НИР по этому направлению в настоящий период может стать, как представляется, продуктом политического и, как следствие, финансового, а не научного и инженерно-технического решения. Прекращение или большая растянутость исследований во времени приведут к тому, что:

• анализ и интерпретация результатов перекладывается на последующие поколения исследователей;
• безответственность за непринятие решений перекладывается на последующие поколения чиновников.

И то и другое – контрпродуктивно.

Перечень выполненных операций, соответствующий задаче взятия геологических проб на случай внезапного и срочного взлёт:

1. Выход из шлюзового отсека на грунт.
2. Установка трех флагов: России, ESA, Китая.
3. Разворачивание и установка стеллажа.
4. Подготовка инструментов и оборудования на стеллаже.
5. Подготовка и работа с магнитометром.
6. Взятие каменных образцов и укладка в пенал.
7. Взятие пробы сыпучей фракции с поверхностного слоя и помещение в гермокапсулу №1 на 0,5 объёма.
8. Прокладка траншейки киркой альпенштока.
9. Взятие пробы сыпучей фракции со дна траншейки и заполнение гермокапсулы №1.
10. Переворачивание крупных камней и взятие пробы с места, где лежали камни (так называемый грунт «дня творения») и заполнение гермокапсулы №2.
11. Скол образцов от монолитных образований молотком, заглубление бура и взятие проб.
12. Помещение капсул, пенала в контейнер, перенос и вход в шлюзовой отсек.

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.