האתגרים של הנדסה מאדים כלי רכב ריכוז עבור המשימה האנושית

מבוא: תפקידם של כלי רכב של מאדים בניסוי אנושי

החזרת אסטרונאוטים מן פני השטח של מאדים לכדור הארץ היא אחד האתגרים ההנדסיים המעמיקים ביותר בחקר החלל, בעוד תשומת לב רבה ניתנת לנחת מטענים כבדים וקיום צוותים על הפלנטה האדומה, הרכב שיש לשגר בני אדם בחזרה למסלול - רכב מאדים Ascent (MAV) - מציג את מערך ההנדסת דרכים יוצא דופן שלו, בניגוד לטילים המבוססים על כדור הארץ, MAV חייב לפעול לאחר חודשים או שנים על פני השטח, ללא ספק, כדי לחקור את התנאים הסביבתיים האנושיים, ללא צורך, ללא שינוי טכני אמיתי, ללא שינוי.

בהקשר זה, תוכניות נוכחיות למשימות מאדים מאוישות - כגון נאס"א:0Mars ArchitectureFLT 1 ו- SpaceX'sFLT:2, תוכנית ההפעלה של נאס"א LT 3 - חזו לשלוח מראש מ"א למאדים", או מונע על כדור הארץ או על ידי דחף המיוצר לשבת.

אתגרים סביבתיים על מאדים

מאדים מציג סביבה עוינת הרבה יותר מאשר הירח או מסלול כדור הארץ נמוך.האווירה הדקה של כדור הארץ (פחות מ-1% מהלחץ ברמת הים של כדור הארץ) מורכבת בעיקר מפחמן דו חמצני, המציעה מעלית אווירודינמית לא זניחה, אך מציגה גרר ופוטנציאל לטמפרטורות פיאט.

השפעות אטמוספיריות על הפשטות

לחץ אטמוספירי נמוך מציב אתגר משמעותי בעיצוב מנוע טילים.נול קונבנציונלי מותאם לאטמוספירה של כדור הארץ יהיה מובחן יתר על המידה במאדים, גרימת הפרדה זרימה ואובדן יעילות. מהנדסים חייבים לעצב נוולים עם יחסי ההרחבה משתנים או לאמץ עיצובים מתקדמים (כגון aerospike או nozzles כפול) כדי לשמור על הביצועים באמצעות כל פרופיל ריכוז, בנוסף לרכיבי איכות חיים כימי.

סערות ניהול ואבק

MAV חייב לשרוד חשיפה פני השטח ארוך טווח לפני ההשקה.עבור שליטה תרמית - באמצעות רב שכבתי בידוד, חומרי שינוי שלב, ורדיוators - חיוני לשמור על טנקים דחף בטמפרטורות מקובלות. סערות אבק, אשר יכול לכסות את כדור הארץ במשך שבועות, להציב סיכונים נוספים: חלקיקים דקים יכולים לחדור לאטום, לוחות מעילים סולאריים, וליצור מטען אלקטרוסטטי משמעותי שעשוי להיות אלקטרוניקה דמויינית של MAV מוקרן: 1.

אתגרים טכניים בעיצוב רכב

בניית MAV כוללת שילוב של הנעה, מבנים, avionics ומערכות צוות לתוך רכב כי חייב לפעול מאות מיליוני קילומטרים מכדור הארץ עם תקשורת מוגבלת.

אדריכלות מערכת

בחירת מחזור ההנעה הנכון היא פעולה איזון בין ביצועים, פשטות ואמינות.עיצובים MAV Proposed נופלים בדרך כלל לאחת משלוש קטגוריות: מנועים טילים מוצק, מנועי דו-פרופורנטים נוזליים, או מנועים היברידיים.

• (FLT:0)Solid Rocket MotorsFLT:1: פשוט, אמין, ומסוגל לאחסן במשך שנים עם תחזוקה מינימלית.עם זאת, הם מציעים דחף ספציפי נמוך (ISP) ולא ניתן לספוג בקלות, להגביל גמישות חד פעמית.
• (FLT:0) Liquid Bipropellant EnginessveFLT:1; High ISP ו- throttle יכולות, אבל דורש זעזועים מורכבים, מזרקים, ודחפורים בוכים או ממריצים. Storable Drivelants (למשל, חנקן tetroxide /monomethylohydrazine) הם מסוכנים לטיפול ולקיים ביצועים נמוכים יותר של Cry.
• (FLT:0)Hybrid MotorsFLT:1: השתמש בדלק מוצק (למשל, גומי מבוסס) עם חמצון נוזלי (למשל, תחמוצת ניטרי). הם בטוחים, זולים יותר, וצפויים, אבל יש פחות ISP מאשר נוזלים והם פחות בוגר טכנית עבור משימות צוות.

מחקרים נוכחיים עבור רכב מאדים Ascent של נאס"א, חלק מה-FLT:0.19Mars Sample CampaignveFLT:1, נחשבו לתכנון היברידי בעל שני שלבים מוצק, אשר נדרש כדי לאזן ביצועים ופשטות.עבור משימות אנושיות, מנוע methane /LOX נוזלי נראה מבטיח ביותר בשל סינרגיה עם ISRU, אך ניהול תרמי הנדרש לאחסון ארוך טווח נשאר גדול.

חומרים סטרקטיקליים ומשקל אור

כל קילוגרם של מסה MAV חייב להיות מועבר למאדים, או נחת או טרום-דה-דנגיד. גבוה, חומרים בעלות נמוכה כגון מרוכבים פחמן-פריים, סגסוגת אלומיניום-לייתיום, ו titanium הם חיוניים.ה- MAV חייב גם לעמוד במגרעות מהירות של מאדים, ירידה ונחתה (EDL), כמו גם את הרטטים המושרה על ידי שיגור וסביבות אקוסטיות לנקות לטווח ארוך (COPV) אבל הם עלולים) לצמצום הנקבובות על ידי נוזל קירור מגנטיות (מסוגים) אבל לחץ דם ארוך.

הדרכה, ניווט ובקרה (GNC)

במהלך ה- AScent, MAV חייב לעקוב אחר מסלול מדויק כדי להדהד עם חללית מסלול מסלול מסלול או רכב מעבר מאדים בשפע.העיכוב התקשורת (עד 22 דקות בכיוון אחד) מונע שליטה בזמן אמת; הרכב חייב להיות אוטונומי לחלוטין.מערכות GNC צריך להתאים נתונים מיחידות מדידה אינרטית, מעקב כוכבים, ואולי גם מצלמות מעבר פני השטח.

כוח ו Avionics

כוח לפעילות טרום-launch (למשל, המיזוג, התקשורת, החימום) מגיע ממערךי השמש או מערכת חשמל רדיואיזוטופ קטנה. במהלך ה- Ascent, סוללות חייבות לספק כוח גבוה עבור משאבות, avionics, וטלמטארי.כל האלקטרוניקה חייבת להיות מחוסמת כדי להתמודד עם קרינה פני השטח של מאדים (גבוהה יותר מכדור הארץ, אך נמוכה יותר מהחלל העמוק) ולהבטיח אוטובוסים לא מאוגדניים.

אתגרים של דלק ומניעה

הבחירה של דחף ושיטת הייצור על מאדים היא עלות קריטית ומניעי סיכון.הולינג מונע מכדור הארץ יקר באופן שרירותי; לכן, ניצול משאבים חלופי (אמת) נחשב צורך במשימות אנושיות.

In-Situ Resource Utilization (ISRU)

(א) אמת עבור MAV בדרך כלל כרוכה לחלץ מים מן הקרקע או האווירה מאדים, פיצול אותו מימן וחמצן באמצעות אלקטרוליזה, ושילוב מימן עם האווירה CO2 (באמצעות התגובה הסבראט) לייצר מתאן (CH4) ומים.המתאן והחמצן נדרשים על מנת למנוע דחיסה גדולה או מאוחסנים.

נושאים מרכזיים כוללים:

• (ב) ניתן להתרכז בקרח מים באזורים בינוניים; גישה אליו דורשת קידוח וחימום, אשר צורכת אנרגיה.
• (FLT:0)Process אמינותFLT:1: הכור סבדי וערימות אלקטרוליטיזה חייבים לרוץ באופן אוטונומי לתקופות ארוכות, טיפול אבק, תנודות טמפרטורה, ופירוק זרז.
• (FLT:0Cryogenic נוזל ניהול 1FLT: סטורינג נוזל מתאן (- 162 ° C) וחמצן נוזלי (-183 ° C) על פני השטח במשך שנים עם מינימום רתיחה דורש בידוד מתקדם, קירור פעיל (למשל, Cryocoolers), ו אפס-boil-off טכנולוגיות.
• (ב) ⁇ :0) ,התחננות (ב): אבק מאדים ומטמים באדמה יכולים להפריע לתהליכים כימיים; מערכות סינון וטיהור יש לשמור על יציבות.

תוכניות מניעה חלופיות כוללות שימוש רק חמצן המיוצר מ- CO2 (עם דלק שהובא מכדור הארץ, כמו מימן), אבל צפיפות נמוכה של מימן וקשיים דו- off-off לעשות את זה פחות אטרקטיבי. חלק המחקרים בחנו באמצעות פחמן חד-חמצני וחמצן (מ- CO2 אלקטרוליזה), אבל ISP הוא נמוך יותר.

העברה ואחסון

לפני ההשקה, יש להעביר את הדחף מן תחנת ISRU לטנקים של MAV. זה כרוך העברת נוזל Cryogenic בכובד ראש נמוך וסביבת אבקה, אשר יכול לגרום ל cavitation, שלב הפרדה, היווצרות קרח. חיבורים גאוגניים גמישים וחיבורי הפיכה מהירה-דיסקרטית נדרשים, בדומה לאלה המשמשים למסלול אך מותאם לפעילות פני השטח.

גישה נוספת היא לפני הקרקע MAV שכבר מודלק על פני כדור הארץ, אבל זה מגדיל באופן דרמטי את המסה ואת העלות. לדוגמה, MAV מודלק לחלוטין באמצעות מונעים היפרגליים ניתן לבנות, אבל הרעילות וביצועים נמוכים יותר ידרוש יותר מסה עבור אותו שכר. מחקרים מצביעים על כך ש- ISRU יכול להפחית את המשימה הכוללת על ידי 30–50% עבור משימה בקנה מידה אנושי, מה שהופך את ההשקעה הראויה.

בטיחות ו Redundancy

בטיחות אסטרונאוטים היא העדיפות הגבוהה ביותר עבור כל שיגורי כדור הארץ שלא כמו כדור הארץ, אין תשתיות למגדלי בריחה של צוות או אזורי נחיתה מבורכים; בורוט במהלך העלייה במאדים יהיה קטסטרופלי אלא אם הרכב יכול לחזור אל פני השטח בבטחה עם דחף מספיק.

מערכות חוצות ו Fault Tolerance

MAV חייב להשיג לפחות ארכיטקטורה "מבצעית" עבור תת-מערכות קריטיות: כל כישלון יחיד לא צריך למנוע מאנשי הצוות להגיע למסלול.זה כולל מנועים מחוסנים (או מספר מנועי שיכול להיכשל במקבץ "מופץ"), חד-ונדנט כפול, ומקורות כוח עצמאיים יותר.

שיגור Abort Capabilities

על פני כדור הארץ, להפעיל מערכות abort (למשל, אפולו les או Orion של LAS) לדחוף את קפסולת הצוות הרחק מקטטה כושלת על מאדים, האווירה היא רזה מדי עבור abort מבוסס מצנח, ואת הכבידה הוא נמוך יותר, כך שיגור טילים מופעל על ידי שלב יחיד יכול לדרוש מנוע משולב של שלב שני יכול להמשיך להפעיל את המורכבות של שלב שני זה כדי למנוע את המורכבות של שלב שני זה יכול להיות מהפך אחד קדימה כדי למנוע את המורכבות של שלב שני זה כדי למנוע את זה כדי למנוע את זה כדי למנוע את זה בשלב הראשון של שלב אחד למשנהו.

ניטור בריאות אוטונומי ותגובה

עם עיכוב תקשורת, MAV חייב לזהות תקלות ולפעולות תיקון מבלי לחכות לפקודות קרקעיות.זה קורא למערכת בריאות מתוחכמת שמשווה קריאה של חיישן (תקופות, לחצים, רטט) נגד מודלים.טכניקות למידת מכונות ניתן להשתמש כדי לחזות כשלים רכיב, אבל עבור משימות אנושיות ראשוניות, פשוט יותר בסיס זיהוי ובודד (FDI) עם מודלים.

בדיקות ואימות בסביבת כדור הארץ

פיתוח MAV בעל צוות דורש בדיקות נרחבות על פני כדור הארץ, אך העתקת כוח הכבידה הנמוך של מאדים, אווירה דקה ותנאי פני השטח קשים מאוד.

Zero-G Ascent Simulation

ההיבט המאתגר ביותר לבדיקת הוא פרופיל העלייה בפועל תחת כוח הכבידה של מאדים (0.38 גרם) על פני כדור הארץ, באמצעות עמדה במבחן יכול רק לאמת ביצועים של מנוע בלחץ ברמה הים, אבל המנוע יראה לחץ בגב שונה באופן דרסטי כפי שהוא עולה דרך האווירה של מאדים.א.קום הוא צורך סימולציה בגובה, אבל שילוב של תא ריק גדול עם מנוע רקטות לתוך זה הוא מורכב של נאס"א: ברוקר אלקטריק מנקה בקלות מתקן דינמי.

מבחן קריאה

בדיקות אחסון לטווח ארוך על כדור הארץ - חשיפת חומרה MAV כדי לדמות טמפרטורות מאדים מחזורי אבק - יכול לאמת את המבנים, בידוד ואמינות אלקטרונית.לדוגמה, חומרת כוח שלב ההפלגה של מעבדת מאדים נבדקו בתנאים דמויי מאדים.עם זאת, שילוב של ואקום, קריאות, אבק קשה להשיג בתא יחיד.

בדיקות טיסה בכדור הארץ Orbit

אלטרנטיבה היא לבדוק את אבטיפוס MAV במסלול כדור הארץ, ביצוע עלייה מכובד ראש דמה (למשל, באמצעות צנטריפוגה או על ידי ירי המנוע במסלול תת-ביטלאלי) תוכנית ספינת החלל של SpaceX מתכננת להדגים העברה ונחתה על הירח, אבל לא הוכרז מבחן MAV ספציפי למשימות, מדגם ללא רישיון טיסה מסוג MAV) כמסומטם של מאדים (מדגם) לרוקאימי שיגור מסוג זה, כמו מאדים) כמתמי שיגור של נאס"מסטרו-Res) כדוגמה אנושית (מדגם) כמתחילהתגובה ל-Res) כמתחילהחזרה ל-MAV ספציפית, אם הוא הציע ל-Regrad מדגימה (מדגם של נאס"מדגם) כמתחילהחזרה ל-Red) של נאס"מדגם מסוג MAV) של נאס"א) כמתחילהחזרה ל-Regra-Reg R.

כיוונים עתידיים ושיתוף פעולה בינלאומי

אף סוכנות או חברה אחת לא יכולה לפתור את כל האתגרים של MAV לבד.שותפות בדרך למנף מומחיות אחרת.

נאס"א: Mars Architecture ו MAV Studies

נאס"א חקר עיצוב:0 (FLT:0) MAV מחקרים עיצוביים של נאס"א מתמקדת בכלי שני שלבים באמצעות מנועים מוצקים לשלב הראשון ודלק נוזלי-חמצן-סולידיצר לשלב השני. עיצוב זה מצמצם את מורכבות הפיתוח תוך השגת הביצועים הדרושים עבור משימת אחסון מדגם-return.עבור משימות אנושיות, רכב גדול יותר עם מנועי נוזל מתאן / XLO נחקר תחת אבן דרך ארוכה של מרכז החלל של מאדים:2FD2D כולל בדיקות אחסון של מרכז החלל של נאס"א-טיפוס של נאס"א-טיפוס.

ספינת החלל של SpaceX כ-MAV?

SpaceX של אלון מאסק הציע להשתמש בספינת הכוכבים עצמה ככלי ריכוז מאדים.הספינת הכוכבים היא מסיבית (120 מסה יבשה) וצריכה להיות מתודלקת על מאדים כדי לחזור לכדור הארץ.זה דורש צמח ענקי של ISRU המייצר מאות טונות של מתאן וחמצן - הרבה מעבר ליכולת הנוכחית, אם תשתית זו הוקמה, סטאר יכול לספק צוות בעל נפח קשיח ובטחון עשור בלבד, הוא צפוי לשגרה מוקדמת יותר מכוכבת אווירית כוכבים או להשקית אווירית כוכבים.

ESA ותרומות בינלאומיות

סוכנות החלל האירופית (ESA) תורמת לקמפיין:0Mars Return Campaign 1FreaLT 1 עם כדור הארץ Return Orbiter (ERO) ו-Gear Rover. ESA גם חוקר טכנולוגיות ISRU, כגון מיצוי מים מן ה-regolith של מאדים, סדנאות משותפות בין נאס"א ל-ESA על עיצוב MAV יצרו מושגים משותפים להנעה ושותפים אחרים כמו JAX) שיכולה להחזיר את ה-Recadeams (AX) ל-Rendez).

טכנולוגיות מתפתחות

כמה טכנולוגיות מתפתחות יכולות להקל על אתגרים MAV:

• (FLT:0) יצרני ייצור אדרטיבית 1:1: הדפסה תלת-ממדית של רכיבי מנוע (למשל, מזרקים, תאבעירה) על מאדים יכול להפחית ספירה חלקית ולאפשר תיקונים.
• (FLT:0) מקדם הגנה תרמילאת: אווירוזלים גמישים (למשל, Hypersonic In מנופחים מאיץ אוויר דינמי) ניתן להשתמש כדי להאט את MAV במהלך הכניסה לפני העלייה, אבל הם מוסיפים מורכבות.
• (FLT:0) הנעה אלקטרונית להעלאת ה-FLT:1; בעוד שלא מתאים לריכוז, ניתן להשתמש בדחפורים חשמליים לשלב השני של MAV לאחר הגעה למסלול, אך דחף גבוה הדרוש עבור צוות ככל הנראה דורש נזיפה כימית.

מסקנה

הנדסה רכב של מאדים למשימות אנושיות היא אתגר רב-ממדי הדוחק את הגבולות של הנטועה, חומרים, אוטונומיה, ופעולות פלנטריות.קיצוניות הסביבתיות של מאדים - אווירה דו-חמצני דקת, סערות קרות, אבק וכוח הכבידה נמוך - דורש פתרונות חדשניים לעיצוב מנוע, בקרה תרמית וצמצום אבקה של כדור הארץ, ייצור באמצעות ISRU הוא חיוני עדיין מכשולים חסרי יכולת שליטה על מערכות בטיחות ובטיחות, כמו אלה חייבים להיות מספיק בטוח, כמו אלה של כדור הארץ, כמו אלה, כמו אלה, כדי לשלוט על ידי מערכות אבטחה אוטונומיות, כמו אלה, כמו אלה, כמו גם על פני כדור הארץ, כדי למנוע שליטה עצמית, וכשלים, כמו גם על ידי מערכות הגנה עצמית, כדי למנוע נטיות, וכשלים, כדי למנוע שליטה עצמית, וכשלים, וכשלונות, וכשלונות בטוח, וכשלונות בטוח, כדי למנוע שליטה עצמית, כדי למנוע שליטה עצמית, כדי למנוע, כדי למנוע, וכשלונות בטוח, כדי למנוע שליטה עצמית אמיתית, וכשלונות מגנטית, כדי למנוע שליטה עצמית, וכשלונות הגנה עצמית, כמו גם על פני כדור הארץ, וכשלונות לפני שעדיין לא ניתן לטפל בכשלונות בטוח, כמו אלה יהיו צורך, וכשלונות מגנטית, ו

הדרך קדימה טמונה בהתקדמות מתמדת, מצטברת: מימון טכנולוגיות אמת, בנייה ובדיקת מנועי אבטיפוס בתנאים של מאדים, ומשימות ללא תשלום מדגם-חזרה להוכיח ביצועים של כלי רכב. שיתוף פעולה בינלאומי ושותפויות מסחריות יזרזו את קו הזמן הזה. בעוד האתגרים הם חד-משמעיים, המטרה של שיגור בני אדם מעולם אחר היא נהג רב-עוצמה של חדשנות – אחד מהם יאפשר בסופו של דבר נוכחות אנושית על מאדים.