האתגרים של תכנון מטוסים עבור מאדים ומשימות חלל עמוקות

תכנון כלי רכב לטיסה מעבר לכדור הארץ מייצג שינוי יסודי בהנדסת אוויר.העקרונות השולטים בתעופה הארצית קשורים לאטמוספירה עבה, נשימה, כוח הכבידה עקבי, ושדה מגנטי מגן על מאדים, בריק שבין כוכבי לכת, וברחבי מערכת השמש החיצונית, אלה שרדו שינויים אלה הופכים למשתנים או להיעלם לחלוטין. מהנדסים ותוכניות משימה חייב לנווט רשת מורכבת של סביבות קיצוניות, נטייה, פיזיקה, מגבלות חומריות, ומגבלות תפעוליות לא יכולות לפעול על פני כלי רכב מסורתיים.

גדר היסוד: סביבת הפעלה

Mars: The Siren Call of a Thin Atmosphere

הסביבה מאדים מציגה פרדוקס ייחודי עבור מעצבי מטוסים.האווירה קיימת אך רזה - פחות מ-1% מהלחץ על פני כדור הארץ.מסופק בעיקר מפחמן דו-חמצני, היא מספקת רק בינוני מספיק למעלית אווירודינמית, אך בקושי מספיק כדי לתפקד.עבור רוטורופולפט, זה אומר מהירויות להב חייב להתקרב למהירות הקול כדי לייצר מספיק. מסוקי Ingenuity הוכיחו שזה אפשרי, אבל בקושי היו טיסות קצרות וקבועות, כמו גם אתגרים.

טמפרטורות פני השטח על מאדים יכולות להתנד מ 20 מעלות צלזיוס (70 ° F) ליד הצהריים ליד המשווה ל-195 ° C ( 319 ° F) בקוטבים במהלך החורף, ⁇ תרמי כי זנים חומרים ואלקטרוניקה.אבק אטמוספירי הוא טעון מבחינה חשמלית ובסדר מאוד, מסוגל לחדור לאטום, ציפוי לוחות סולאריים, ולגרום לפירוק אלקטרוסטטי יכול להפוך לכוכבי שמש השוואתיים, לחסומי אוויר, או לחסום את השמש במשך שבועות אלה ללא מגבלות רעב.

חלל עמוק: לנווט את הוואיד

בחלל העמוק, האתגר הוא היעדר כל אמצעי חיצוני.אין אוויר להרים, אין חמצן לבעירה, ואין אווירה של תקנה תרמית.בקרת טמפרטורה מסתמכת לחלוטין על העברת חום רדיואקטיבית, הדורשת מערכות ניהול תרמיות מתוחכמות כדי לשמור על אלקטרוניקה ותמיכה בחיים בטווחים תפעוליים.הוואקום גם אינו מהווה הגנה מפני קרינה קוסמית ואירועי חלקיקים סולאריים מהווים סיכון משמעותי לאלקטרוניקה ולצוות האנושי ללא חשיפה אקטיבית, או לחץ דם כבד, עלול להגביר את חומר מסרטן פגום, גם כן, לקרינה גלקטית, לקרינה כבדה, לקרינה מקרינה כבדה, לקרינה גלקטית, לקרינה כבדה, לקרינה מקרינה גלקטית.

מיקרוגרפי מסבך עוד יותר את עיצוב החללית. פלואידים, כולל דלק וקרירים, אינם מתנהגים כפי שהם עושים על פני כדור הארץ. propellant מתיישבים מצריכת המנועים, המחייבים מערכות מורכבות כגון diaphragms, שלפוחית השתן, או ייצוב כדי להבטיח מנוע אמין מתחיל. Truly עמוק משימות חלל, כגון אלה של צדק או שבתאי, מעכב כל חלק של הרכב שלה בגלל גבולות תפעוליים של מאות קילומטרים של מיליוני שעות תקשורת.

המונחים: the heart of the Mission

Mars Air Operations: Rotorcraft, בלונים ומושגים קבועים

הפיזיקה של הטיסה על מאדים דורשת פתרונות הנעה רדיקליים.רוטוורcraft חייב לסובב את הלהבים שלהם במהירויות קצה טרנזין (Mach 0.85 או גבוה יותר) כדי לייצר להרים את האווירה הדו-חמצני הדקה.זה יוצר אתגרים מבניים וארואקטיים שאינם ידועים בתכנון מסוק מבוסס כדור הארץ.מהנדסים מעריכים רוטורים קואקסיליים מתקדמים לשיפור היעילות של מאדים הציע, היאולימפי, כדי להמשיך להשתמש במספר כלי ק"ג'ק, כדי להמשיך ולשקולות, תוך שימוש במספר כלי קרבה, תוך כדי שימוש ב-30 ק"ג'ל, וקצבים גדולים, כדי שימוש ב-30 ק"ג'ל, כדי לשפר את השימוש במכשירים מדעיים.

מושגים קבועים מציעים את הפוטנציאל למגוון רחב יותר וסיבולה. A glider או מטוס מופעל יכול לבדוק אזורים עצומים של פני השטח מאדים, אבל צריך לטוס במהירויות גבוהות מאוד כדי לשמור על המעלית - עלייה משמעותית של 300 מטרים לשנייה.מהירויות אלה להפוך את הקופה ואת הנחיתה קשה. כמה הצעות כרוכות ספינות אוויר או בלונים כי צף באווירה כמו buoys האוקיינוס, עם רוחות נוכחיות, רק כדי לעשות את הקיבולת נמוכה של כלי רכב.

הדחף של כלי רכב של מאדים, אשר חייב להחזיר דגימות או צוות למסלול, כרוך רקטות כימיות שריפת מתאן וחמצן.אלה ניתן לייצר על מאדים באמצעות התגובה הסבה, שילוב פחמן דו חמצני מהאווירה עם מימן שהובא מכדור הארץ או מופק מקרח מים.זה ניצול משאבים החלפתי (ISRU) באופן דרמטי מפחית את המסה שיש לשגרה מחברות כדור הארץ.

הובלת חלל עמוקה: כימיקלים, חשמל ועתידים גרעיניים

בוואקום של החלל, ההנעה מוגדרת על ידי דחף ספציפי (Isp) - היעילות שבה נעשה שימוש ב-כימיקלים מציעים דחף גבוה אך נמוך יחסית (כ-450 שניות עבור מערכות מימן/אוקסגן) הם הכרחיים כדי להימלט ממאגרי כבידה ולבצע שינויים מהירים בעקביות, אך הם אינם יעילים עבור מעברים חשמליים לטווח ארוך.

הנעה תרמית גרעינית (NTP) מציעה קרקע ביניים משכנעת. כור פשפשים מחמם את מימן דחף לטמפרטורות קיצוניות, ומייצרת דחף דומה לטילים כימיים תוך הכפלה או טיול Isp.DRACO (הההתנעה למבצעי קיסוס), שותפות בין נאס"א ו- DARPA, מתכננת להפעיל מנוע גרעיני תרמי עד 2027 מערכת כזו עלולה להפחית את זמן הפחתת ההסעה לקרינת החשמל, ולהפחית את כוח האדם, ולהפחית את כוח האדם לצמצום של ארבעה חודשים בלבד.

מדע סטרקטיקלי וחומרי ב Extremis

אופניים וקרינה רדידוק

חומרים המשמשים במאדים וכלי חלל עמוקים חייבים לעמוד בפני קיצוניות כי ישמידו רכיבי מטוסים קונבנציונליים.רכיבה תרמית מ-195°C ל- +20 מעלות צלזיוס על מאדים גורמת להתרחבות חוזרת ולהצטמצמות, מה שמוביל לעייפות ולמיקרו-קריסה. Composite חומרים, כגון פחמן-Fiber-reinforced, המציע יחס גבוה למשקל, אך יכול להפחתת רמת לחץ מתחת לקרינה אולטרה סגולה וחמצן האטומית, אך הוא נמוך יותר, אך מקרינה חשמלית, אך מקרינה חשמלית, אך מקרינה חשמלית, אך היא נמוכה, אך היא בעלת אלקטרוניקה.

העיצוב המבני חייב גם לקחת בחשבון את עומסי השיגור, אשר יכולים לעלות על 5 Gs. פעם בחלל או על מאדים, את חוויות הרכב אפס או כוח הכבידה מופחת, אשר משנה כיצד העומסים מתחלקים על פני מסגרת האוויר. מהנדסים משתמשים ברכיב סופי מתקדם מודל כדי לדמות משטרים מגוונים אלה, אופטימיזציה של העיצוב עבור שני משיקים ותנאים תפעוליים.

מיקרומטרורואידים ו-Space Debris

בחלל עמוק, האיום של השפעות מיקרו-מטראוסטרואידים הוא קבוע.חלקיקים זעירים אלה, נוסעים במהירויות היפרביות (10-70 ק"מ /), יכולים לנקב כלי לחץ, נזק אופטי, וחורבן מגן חוטים. - מקלע חיצוני דק המפרק את ה-Central- לפני שהוא פוגע ב-Hal- הם הגנה סטנדרטית עבור כלי רכב מאוישים, ההסתברות של השפעה של 1%-הת, פחות מ- 1 שנים, יש צורך לתקן את המערכת הבטוחההגנה.

Power Generation for Remote Operations

כוח השמש: מגבלות וחדשנות

כוח השמש הוא עבודת חקר החלל הנוכחי, אבל יעילותו יורדת במהירות עם מרחק חריף מהשמש. at Mars, אינטנסיביות השמש היא בערך מחצית מהתוואי של כדור הארץ.סופות אבק אטמוספיריות יכולות להפחית אותו עוד לכמעט אפס.עבור משימות חלל עמוקות מעבר לחגורת האסטרואיד, מערך סולארי הופך גדול באופן לא רציונלי.

כוח גרעיני: RTGs ו-Fission Reactors

גנרטורים תרמואלקטריים רדיואיזוטופים (RTGs) הפעילו בדיקות חלל עמוקות במשך עשרות שנים, כולל החללית וויאג'ר ו- Cassini. הם להמיר חום מהשפל הטבעי של פלוטוניום-238 לחשמל. RTGs מספקים כוח נזיד קבוע, ארוך טווח, אך הם נמוכים בתפוקה (hunds of וואט) ויקרים ל-10 משימות אנושיות והיקף גדול של ISGRU, הם כור גרעיניים, אשר נדרשים לשימוש בחשמל (FENFDR) כדי לפתח כוח חשמלי (FDR) ו-FDR) ו-FDR) ו-FDR) ו-FDR) ו-FDRValgacys).

Autonomy andניווט: The Intelligence Gap

עיכובים בתקשורת ובקרת טיסה אוטונומית

עיכוב אותות למאדים נע בין 4 ל-24 דקות בדרך אחת, בהתאם להיערכות פלנטרית.שליטה מרחוק בזמן אמת במטוס היא בלתי אפשרית.רכבים חייבים לפרש את סביבתם, לקבל החלטות ולבצע תרגילים באופן אוטונומי.זה דורש מערכות תפיסה על הסיפון - כגון מצלמות סטריאו, LiDAR, ויחידות מדידה לא אינפורמטיביות - בשילוב עם מחשבים חזקים עבור אלגוריתמים חזותיים, תכנון, מסלול, וסיכון למנוע מעקב אוטונומי על פני המצלמה.

בדיקות חלל עמוקות דורשות אוטונומיה דומה לתמרוני תיקון מסלול ופתרון אנומליות.משימות עתידיות ישתמשו באינטליגנציה מלאכותית כדי לזהות ולהיאושש מפגמים ללא המתנה לפקודות קרקעיות.יכולת זו חיונית לחקר מערכת השמש החיצונית, שם זמני אור עגולים יכולים לעלות על מספר שעות.

כניסה, ירידה ו Landing (EDL) על מאדים

EDL נחשב לאחד החלקים הקשים ביותר של כל משימת מאדים. "חמשת הדקות של הטרור" כרוכה בצמצום ממהירויות היפרוזיוניות (מעל 20,000 קמ"ש) לנחת עדינה על פני השטח.האווירה הדקה מספקת גרור לא מספיק עבור משימת נחיתה חד-צדדית של 2020, כך שמכוניות צריכות לשלב אנרוזים, מצנחים סופרניים, ו רטרורקטים גדולים, כגון טכנולוגיות מורכבות של כדור הארץ, אשר דורשות, אשר דורשות, כגון מנועים, אשר דורשות-אווירה, אשר דורשות-אווירה, אשר דורשות-אווירה, אשר דורשות-אווירה, אשר דורשות-אווירה, אשר דורשות-אווירה, כדי למנועות-אווירה, כדי למנועי-אווירה, מנועים-אווירה, כדי למנועי-אווירה, מנועים-אווירה, מנועים-אווירהוריות-אווירהוריות-אווירהוריות-אווירהוריות-אווירה, אשר דורשות-אווירה, אשר דורשות-אווירה-אווירהוריות-אווירה, כדי למנועיחות-אווירה, מנועים-אווירהוריות, אשר דורשות-אווירה, מנועים-אווירה, כדי למנועי

תמיכה בחיים וגורמי אנוש

מערכות סגורות-Loop ו- In-Situ Resource Utilization

עבור משימות חלל עמוקות, resupply אינו אפשרי.בקרת הסביבה ומערכות התמיכה בחיים (ECLSS) חייב מחזור מים, חמצן, ובזבוז עם יעילות כמעט מושלמת. תחנת החלל הבינלאומית להתאושש כ-90% מהמים שלה, אבל עבור משימה של שלוש שנים מאדים להחזיר את רמת החמצן של מערכת פחמן דו-חמצני, זה כרוך בתהליכים כגון דילול שתן, הפחתה של פחמן (Sabatierlan), ואפקט של מים חד-חמצני חייב להיות מ-חמצני, וגרם, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 של כוח דחף, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 של כוח דחף, 000 של כוח דחף, 000, 000, 000 של כוח דחף, 000, 000, 000, 000 של כוח דחף, 000, 000, 000 של כוח דחף, 000 של כוח פחמן, 000,

קרינה מגן

הגנה על צוותים מפני קרניים קוסמיות גלקטיות ואירועים חלקיקים סולאריים נותרה מכשול מרכזי.המגן עוברי באמצעות מים, מזון, או regolith הוא כבד ויקר לשיגור. Activeמגן באמצעות שדות מגנטיים הוצע אך דורש כמויות גדולות של כוח ומסה.עבור בתי גידול בחלל עמוקים, שילוב של גישות יהיה צורך: מקלט לאירועים סולאריים, מגן פסיבי ברבעי שינה, ונדרש כמויות גדולות של קרינה כדי לספק את סביבת החלל העמוק.

שיקולים פסיכולוגיים ורפואיים

בידוד, מגבלות ותקשורת מעכבים את הכף על בריאות הנפש של הצוות.עיצוב בתי גידול בחלל עמוקים לכלול רבעים פרטיים, כוח הכבידה מלאכותי (באמצעות סעיפים מסתובבים), וסביבות מציאות מדומה יכולות להפחית את ההשפעות הללו.אוטונומיה רפואית נדרשת גם, כמו פינוי לכדור הארץ הוא בלתי אפשרי.על מערכות רפואיות על הסיפון חייב לטפל בכל דבר מפציעות קלות למקרי חירום.

הדרך קדימה: בדיקות, שיתוף פעולה ומשימות עתידיות

אף ארגון יחיד לא יכול לפתור את כל האתגרים האלה לבד.שיתוף פעולה בינלאומי, מאופיינים על ידי הסכם ארטמיס וקמפיין החזרה מאדים, מקורות מאגרים ומומחיות. שותפויות ציבוריות עם חברות כגון SpaceX, Blue Origin ולוקהיד מרטין בזריקת חדשנות מסחרית ובירה.המשימות מתקרבות - כולל הפגנת טילים תרמית DRACO גרעיני, המשך האבולוציה של ספינת הכוכבים, פריסת השער, ו-GPSAWMOSECSEXS של טכנולוגיות מתקדמות - מעבר לניסויים גרעיניים וטכנולוגיות חלל קריטיים וטכנולוגיות של מאדים - יהיו קיימות, ובסופו של מאדים וטכנולוגיות חלל קריטיות של מאדים וטכנולוגיות חלל גרעיניות - מאדים וטכנולוגיות חלליות, בסופו של מאדים, בסופו של מאדים, בסופו של מאדים, בסופו של כל אחת, בסופו של דבר, כולל , המשך , המשך , המשך קרינת טילים תרמיות חלל גרעיניות חלל גרעיניות, המשך פיתוח של דבר, המשך פיתוח של מאדים וטכנולוגיות חלל גרעיניות, המשך פיתוח של מאדים וטכנולוגיות חלל גרעיניות חלל גרעיניות חלל גרעיניות חלל גרעיניות, המשך פיתוח של מאדים וטכנולוגיות חלל עמוק, המשך פיתוח טילים תרמיות, המשך פיתוח של מאדים וטכנולוגיות חלל עמוק, המשך פיתוח של מאדים וטכנולוגיות חלל גרעיניות, המשך פיתוח של מאדים וטכנולוגיות

מסקנה

האתגרים של תכנון מטוסים וחללית למאדים ומרחב עמוק הם עצומים, המשתרעים על פיסיקה של הנעה, מדע חומרי, ייצור חשמל, אינטליגנציה אוטונומית וסיבולה אנושית, ובכל זאת כל מחסום שנקלע לגדר מקרבנו קרוב יותר להיות מין רב-עולמי.הטכנולוגיות שפותחו כדי להתגבר על המכשולים הללו לא רק יאפשרו לדור הבא של חקר החלל, אלא גם יניבו חידושים שייהנו מהחיים על פני כדור הארץ.