Лунные «Врата» в метавселенной: окололунную станцию уже построили - в VR
На недавних слушания в Конгрессе США глава НАСА Билл Нельсон настаивал на сохранении бюджета и графика лунной программы "Артемида". Одним из важнейших ее этапов является создание на окололунной орбите станции Gateway ("Врата"), которая должна стать форпостом для исследования и колонизации не только Луны, но и Марса, а также пилотируемых полетов к более удаленным телам Солнечной системы. Пока же НАСА запустило программу тренировок будущих обитателей "Врат" с помощью VR-шлемов и технологий так называемой метавселенной.
Виртуальные "Врата"
Метавселенная – концепция трехмерного виртуального онлайн-пространства, которое объединяет пользователей и все сферы их жизни. Научным языком это термин трактуется как «конвергенция физической, виртуальной и дополненной реальности, созданная в общедоступном онлайн-пространстве». Метавселенные (яркий пример показан в фильме Стивена Спилберга «Первому игроку приготовиться») всё чаще используются при конструировании сложных объектов инфраструктуры и подготовке персонала, работающего с точными инструментами — например, хирургов и сборщиков микроэлектроники.
НАСА заявляет, что новая методика сыграет значительную роль в создании первой окололунной космической станции Gateway, призванной служить перевалочным пунктом для освоения Луны и базой для полетов на Марс и в дальний космос.
По мере того, как приближаются директивные сроки выполнения этапов программы Arthemis («Артемида»), Управление стремится ускорить и углубить подготовку астронавтов для полетов к Луне. Компьютерного моделирования и работы с существующими тренажерами уже недостаточно — в ход идут новейшие технологии использования иммерсивной 3D-среды для тренировки экипажей и оснащения интерьеров будущих обитаемых объектов.
«Погружаясь» в мир специально созданной метавселенной, астронавт ощущает эффект полного присутствия на борту окололунной станции, проверяя пригодность комплекса для длительного проживания. На основе виртуальной реальности решаются задачи, с которыми экипажу предстоит столкнуться во «Вратах», включая приготовление еды, обслуживание бортовых приборов и решение научных задач.
«Астронавты используют виртуальную реальность для изучения «Врат», — говорится в пресс-релизе НАСА. — Надевая гарнитуру, они не просто видят станцию — они находятся в ней, чувствуют каждую деталь и получают важную информацию о дизайне и функциональности».
Ожидается, что эти исследования предоставят информацию, необходимую для корректировки проекта перед началом изготовления матчасти. «Объединив модели виртуальной реальности с настоящим опытом астронавтов, разработчики могут внести изменения в дизайн интерьера станции, сделав ее более безопасной и удобной», — заявляет НАСА.
Чтобы повысить достоверность имитации, Управление полагается на опыт астронавтов, побывавших на Международной космической станции (МКС). Первыми проверили новую технологию Раджа Чари и Николь Манн, возглавлявшие экипажи Crew-3 и Crew-5, доставленные на МКС, кораблями Crew Dragon. Они подтвердили пригодность методики для подготовки экипажей "Врат".
Форпост для освоения дальнего космоса
Для расширения возможностей программы «Артемида», НАСА планирует построить на окололунной орбите обитаемую станцию. Интересный момент: при выполнении проекта «Аполлон» необходимости в создании станции на орбите вокруг Луны не возникло, и астронавты, совершавшие высадку на поверхность естественного спутника Земли, обходились тесными объемами своих кораблей. Это было оправданным во время кратковременных полетов.
Сейчас же специалисты НАСА считают такую станцию необходимым элементом не только для освоения Луны, но и для полетов в дальний космос, к Марсу и другим телам Солнечной системы.
В проекте Gateway задействованы космические агентства США, Европы, Японии, Канады, а также частные подрядчики. «Врата» будут кружить по орбите, расположенной на расстоянии в тысячу раз дальше от Земли, чем МКС. Астронавты прилетят с Земли в корабле «Орион», состыкуются с «Вратами» и перейдут на борт станции, где смогут в относительном комфорте приготовиться к высадке на Луну.
После этого два члена экипажа перейдут в посадочно-взлетный корабль и спустятся на Луну, а два останутся на орбитальной станции. Проведя исследования, десантная группа взлетит с поверхности и вернется на «Врата», воссоединиться с оставшимся экипажем и полетит на «Орионе» к Земле.
Являясь неотъемлемой частью американской лунной программы, «Врата», тем не менее, не будут использоваться во время миссии «Артемида-3», которая предполагает первую после более чем полувекового перерыва высадку людей на Луну — их последовательно подготовят только в следующих полетах.
Станция, выстроенная из функциональных модулей, постепенно станет долгосрочным исследовательским аванпостом, и в конечном итоге получит свой постоянный экипаж, который будет работать на окололунной орбите длительный срок.
По орбите нового типа
Вопрос первостепенной важности проекта Gateway — выбор орбиты, по которой будет вращаться станция. После долгого анализа баллистики остановились на сложной траектории, которую условно можно перевести с английского как «почти прямолинейная гало-орбита» (Near Rectilinear Halo Orbit).
Это вытянутый эллипс, ближайшая точка которого (периселений) лежит примерно в 2 тысячах километрах, а дальняя (апоселений) — в 75 тысячах километрах от поверхности Луны, проходя вблизи точки либрации L2 системы «Земля — Луна». Период обращения станции по такой орбите составляет 6-8 земных суток.
"Почти прямолинейная гало-орбита" неизменно ориентирована перпендикулярно к линии Земля—Луна; космический аппарат, обращающийся по ней, всегда виден с Земли. Конечно, орбита — не прямая линия, она выделывает сложные кривые, флуктуации, биения, испытывая влияние гравитации не только Земли и Луны, но и Солнца, которое заставляет ее «дышать» — то расширяться, то сужаться. В системе координат, учитывающей вращение естественного спутника вокруг нашей планеты, Gateway тоже будет описывать апериодическую кривую вокруг Земли, «подобно наброшенной на орбиту Луны витой, местами обвисающей проволоке».
Выбор данной орбиты позволил меньше тратить топлива на противодействие неравномерной гравитации Луны, как было бы на более низкой орбите, и избежать осложнений доступа к лунной поверхности при выборе более высокой и далекой траектории.
По замыслу баллистиков НАСА, «почти прямолинейная гало-орбита» — оптимум, позволяющий посадочно-взлетному модулю, стартующему от «Врат», легко достичь любого участка поверхности Луны. При этом «Врата» всегда будут на связи как с Землей, так и с садящимся (или взлетающим) лунным кораблем, без зон затенения.
НАСА впервые протестировала подобную гало-орбиту с помощью 12-юнитового кубсата Capstone, который был запущен к Луне в июне 2022 года при помощи ракеты Electron компании Rocket Lab. Задача Capstone — проверить правильность требований к энергетической и двигательной системам для поддержания орбитальной траектории, а также испытать методы навигации и связи для будущих окололунных операций.
Как МКС, но только маленькая
Строительство станции должно начаться уже в ноябре этого года, хотя более реальная дата — 2025 год. Тяжелая ракета Falcon Heavy компании SpaceX отправит в космос два основных модуля: обитаемо-логистический аванпост HALO (Habitation And Logistics Outpost) и энергодвигательную установку PPE (Power and Propulsion Element).
Они достигнут окрестностей Луны не сразу: носитель сможет вывести эти довольно тяжелые объекты только на эллиптическую околоземную орбиту, где PPE развернет свои солнечные батареи и включит электроракетные двигатели. Постепенно корректируя траекторию, сборка из двух модулей достигнет окололунной орбиты только через 9-10 месяцев.
Основой станции станет модуль HALO, изготовленный компанией Northrop Grumman. Это фактически переделанный автоматический "грузовик" Cygnus, который сейчас используется в качестве беспилотного корабля снабжения МКС. С обитаемо-логистическим аванпостом будут стыковаться перелетные корабли «Орион» и посадочно-взлетные корабли HLS.
Модуль, в котором во время миссий будут жить и работать члены экипажа, оборудован местами для отдыха, физической подготовки, приготовления пищи и проведения научных экспериментов. Из-за небольших размеров (диаметр всего 3 метра) он будет гораздо менее комфортабельным, чем жилые модули МКС. Для испытаний HALO строится крупная термовакуумная камера в Аризоне.
Энергодвигательную установку PPE строит компания Maxar. Солнечные батареи будут служить для производства электроэнергии всей окололунной станции, мощный антенно-фидерный комплекс обеспечит связь с Землей и посадочно-взлетными лунными кораблями, а электрические ионные двигатели сформируют и удержат траекторию полета станции вокруг Луны.
31 марта 2023 года на Твиттер-аккаунте НАСА появилась фотография центрального силового элемента PPE, сопровождаемая сообщением о том, что энергодвигательная установка сделает станцию Gateway «самым мощным космическим аппаратом с питанием от солнечных батарей». Интересное заявление: панели PPE смогут вырабатывать 60 кВт электроэнергии при том, что общая мощность солнечных батарей МКС составляет от 84 до 120 кВт.
После выхода на окололунную орбиту «Врата» станут работать в беспилотном режиме вплоть до полета "Ориона" в рамках «Артемис-4», который запланирована на 2028 год. Это будет первый полет экипажа на станцию. Вместе с кораблем «Орион» во время этой миссии к станции прибудет жилой модуль Европейского космического агентства iHab. Он пристыкуется к модулю HALO на противоположном конце от PPE и будет содержать системы жизнеобеспечения и все остальное для работы на станции.
В 2029 году на станцию будет доставлен европейский модуль дозаправки и связи, а также обсерватория c иллюминатором-куполом. Планируется, что на «Артемиде-5» к станции прилетит канадский манипулятор Arm 3, а на «Артимеде-6», запланированной на 2030 год, будет доставлен шлюзовой модуль, чтобы астронавты могли совершать выходы в открытый космос на окололунной орбите.
Снабжение и перспективы
Полеты по снабжению «Врат» топливом, запасами и необходимыми расходными материалами, а также по удалению мусора по заказу НАСА будут выполнять корабли Dragon XL компании SpaceX — специальная окололунная модификация грузового корабля Dragon, стартующая на Falcon Heavy.
Будущие планы НАСА включают использование «Врат» в качестве отправной точки для осуществления марсианской экспедиции. Окололунный форпост упрощает отправку грузов на Красную планету. По замыслу разработчиков, уже в текущем десятилетии «Врата» станут ключевым элементом присутствия человека в Солнечной системе.
