Table of Contents

Роль летательных аппаратов на Марсе в исследованиях человека

Возвращение астронавтов с поверхности Марса на Землю является одной из самых серьезных инженерных проблем в освоении космоса. В то время как большое внимание уделяется посадке тяжелых полезных нагрузок и поддержанию экипажей на Красной планете, транспортное средство, которое должно выводить людей на орбиту - аппарат для подъема на Марс (MAV) - предъявляет свой собственный набор чрезвычайных требований. В отличие от ракет на основе Земли, MAV должен работать после месяцев или лет на поверхности Марса, выдерживать экстремальные условия окружающей среды и надежно выполнять без надзора человека в режиме реального времени. В этой статье рассматриваются основные инженерные проблемы, стоящие перед разработкой MAV для человеческих миссий и исследуются технические инновации, необходимые для их преодоления.

Для контекста, текущие планы пилотируемых миссий на Марс, такие как NASA's Mars Architecture и SpaceX's Starship program , предусматривают отправку предварительно развернутого MAV на Марс, либо заправленного на Земле, либо с топливом, произведенным на месте. Транспортное средство должно быть достаточно мощным, чтобы поднять астронавтов из гравитационного колодца Марса (0,38 г), будучи достаточно легким для транспортировки с Земли. Каждая подсистема - от движения до жизнеобеспечения - должна быть надежной, избыточной и способной к автономной работе.

Экологические проблемы на Марсе

Марс представляет среду, гораздо более враждебную, чем Луна или низкая околоземная орбита. Тонкая атмосфера планеты (менее 1% давления уровня моря Земли) состоит в основном из углекислого газа, который обеспечивает незначительный аэродинамический подъем, но при этом обеспечивает возможность статического разряда. Температура на поверхности может колебаться от дневного максимума около 20 ° C до ночного минимума −125 ° C, а в полярных регионах может опускаться до −195 ° C. Такие тепловые крайности влияют на каждый материал и жидкость в MAV, от структурных композитов до криогенного топлива.

Атмосферное воздействие на движение

Низкое атмосферное давление представляет собой серьезную проблему для конструкции ракетного двигателя. Обычная сопла, оптимизированная для атмосферы Земли, будет чрезмерно расширена на Марсе, что приведет к разделению потока и потере эффективности. Инженеры должны проектировать сопла с переменными коэффициентами расширения или принимать компенсирующие высоту конструкции (такие как аэроспайк или сопла с двумя колоколами) для поддержания производительности по всему профилю подъема. Кроме того, богатая CO2 среда может вызывать химические реакции с горячими компонентами двигателя, уменьшая срок службы материала.

Термическое управление и пыльные бури

Пассивный тепловой контроль — с использованием многослойной изоляции, материалов с фазовым изменением и радиаторов — необходим для поддержания топливных баков при приемлемых температурах. Пылевые бури, которые могут покрывать планету в течение нескольких недель, создают дополнительные опасности: мелкие частицы пыли могут проникать в уплотнения, покрывать солнечные панели и создавать значительный электростатический заряд, который может повредить электронику. Внешний вид MAV должен быть спроектирован с геометрией пыли и защитой от электростатического разряда. Например, марсоход 2020 года использует пылестойкие покрытия; аналогичные подходы потребуются для MAV.

Технические проблемы в дизайне автомобилей

Строительство MAV предполагает интеграцию двигателей, конструкций, авионики и систем экипажа в транспортное средство, которое должно работать в сотнях миллионов километров от Земли с ограниченной связью.В следующих подразделах описываются наиболее важные инженерные препятствия.

Архитектура системы тяги

Выбор правильного цикла движения является балансирующим актом между производительностью, простотой и надежностью.Предложенные конструкции MAV обычно делятся на одну из трех категорий: твердотопливные ракетные двигатели, жидкостные бипропеллентные двигатели или гибридные двигатели.

  • Solid Rocket Motors: Простые, надежные и способные храниться годами с минимальным обслуживанием. Однако они предлагают низкий удельный импульс (ISP) и не могут быть легко заглушены, ограничивая гибкость режима аборта. Твердые двигатели также производят большое количество дыма и частиц, которые могут мешать датчикам точной посадки на подъеме.
  • Жидкие бипропеллентные двигатели : Высокая способность к дроссельной заслоне и дросселям, но требуют сложных турбонасосов, инжекторов и криогенных или сторируемых пропеллентов. Хранимые пропелленты (например, тетроксид азота / монометилгидразин) опасны для обработки и имеют более низкую производительность. Криогенные пропелленты (метан / LOX) предлагают отличный ISP и совместимость с ISRU, но потери от кипения требуют ультраэффективной изоляции и активного охлаждения.
  • Гибридные двигатели : Используйте твердое топливо (например, на резиновой основе) с жидким окислителем (например, закись азота). Они безопаснее, дешевле и дросселируемы, но имеют более низкий ISP, чем жидкости, и менее технически зрелы для миссий с экипажем.

Текущие исследования для Mars Ascent Vehicle НАСА, входящего в кампанию по возвращению образцов Марса, рассмотрели двухступенчатую конструкцию твердо-жидкого гибридного двигателя для баланса производительности и простоты. Для человеческих миссий жидкий метан / LOX двигатель выглядит наиболее перспективным из-за синергии с ISRU, но необходимое управление тепловой энергией для длительного хранения остается основным препятствием.

Структурные материалы и легкая утяжеление

Каждый килограмм массы MAV должен быть доставлен на Марс, либо приземленный, либо предварительно развернутый. Необходимы высокопрочные материалы низкой плотности, такие как композиты из углеродного волокна, алюминиевые литиевые сплавы и титан. MAV также должен выдерживать нагрузки на вход, спуск и посадку на Марс (EDL), а также вибрации, вызванные запуском, и акустические среды. Композитные сосуды под давлением (COPV) используются для топливных баков для уменьшения массы, но их совместимость с криогенными жидкостями и длительное хранение должны быть проверены. Данные от успеха криогенного развертывания космического телескопа Джеймса Уэбба показывают, что легкие композиты могут выживать в условиях экстремального холода, но пыль и температурные циклы Марса могут ускорить старение.

Навигация, управление и управление (GNC)

Во время восхождения MAV должен следовать точной траектории для сближения с орбитальным космическим кораблем или транзитным транспортным средством, связанным с Марсом. Задержка связи (до 22 минут в одну сторону) исключает наземное управление в реальном времени; транспортное средство должно быть полностью автономным. Системы GNC должны сливать данные с инерциальных измерительных блоков, звездных трекеров и, возможно, поверхностных камер. Тонкая атмосфера делает аэродинамические поверхности управления неэффективными, поэтому доминирует управление вектором тяги (импульс двигателя) и двигатели управления реакцией. GPS недоступен, поэтому MAV должен полагаться на абсолютную локализацию с использованием предпосадочных маяков или сопоставления ориентиров.

Сила и авионика

Мощность для предпусковых операций (например, кондиционирование топлива, связь, обогреватели), вероятно, поступает от солнечных батарей или небольшой радиоизотопной энергетической системы. Во время подъема батареи должны обеспечивать высокую мощность для насосов, авионики и телеметрии. Вся электроника должна быть закаленной радиацией, чтобы справиться с поверхностным излучением Марса (выше, чем Земля, но ниже, чем глубокий космос) и подъемом через магнитно неэкранированную среду. Избыточные шины авионики и самодиагностические архитектуры необходимы для обеспечения отсутствия единой точки отказа. основания миссии.

Проблемы топлива и движения

Выбор топлива и способ его производства на Марсе являются критическими факторами затрат и риска. Вывоз топлива с Земли непомерно дорог; поэтому использование ресурсов на месте (ISRU) считается необходимостью для человеческих миссий.

Использование ресурсов in-Situ (ISRU)

ISRU для MAV обычно включает в себя извлечение воды из марсианской почвы или атмосферы, расщепление ее на водород и кислород посредством электролиза и объединение водорода с атмосферой CO2 (через реакцию Сабатье) для производства метана (CH4) и воды. Метан и кислород сжижаются и хранятся. Этот процесс был успешно продемонстрирован в небольших масштабах инструментом MXIE на Perseverance [FLT: 1], который производил кислород из CO2. Масштабирование этого для производства тонн топлива, необходимого для экипажа MAV - и делает это надежно в течение нескольких месяцев или лет - является серьезной инженерной задачей.

К числу ключевых вопросов относятся:

  • Доступность ресурсов: Водяной лед может быть сконцентрирован в регионах средней широты; доступ к нему требует бурения и нагрева, что потребляет энергию.
  • Надежность процесса: Реактор и электролизный стек Sabatier должны работать автономно в течение длительных периодов времени, обрабатывая пыль, колебания температуры и дезактивацию катализатора.
  • Управление криогенной жидкостью: Хранение жидкого метана (−162 °C) и жидкого кислорода (−183 °C) на поверхности в течение многих лет с минимальным откипелем требует передовой изоляции, активного охлаждения (например, криоохладителей) и технологий нулевого откипеля.
  • Загрязнение: марсианская пыль и перхлораты в почве могут мешать химическим процессам; системы фильтрации и очистки должны быть надежными.

Альтернативные схемы пропеллента включают использование только кислорода, полученного из CO2 (с топливом, привезенным с Земли, таким как водород), но низкая плотность водорода и трудности с откиплением делают его менее привлекательным. Некоторые исследования изучали использование монооксида углерода и кислорода (из электролиза CO2), но ISP ниже.

Передача и хранение топлива

Перед запуском топливо должно быть передано с завода ISRU в резервуары MAV. Это включает в себя перенос криогенной жидкости в условиях низкой гравитации и пыльной среды, что может вызвать кавитацию, разделение фаз и образование льда. Необходимы гибкие криогенные шланговые соединения и автоматизированные быстроразъемные соединения, аналогичные тем, которые используются на орбите, но адаптированы для поверхностных операций. Сами резервуары должны быть изолированы и, возможно, активно охлаждаться для поддержания давления.

Другой подход заключается в предварительной посадке MAV, который уже заправляется на Земле, но это резко увеличивает массу запуска и стоимость. Например, может быть построен полностью заправленный MAV с использованием сохраняемых гипергольных ракет, но токсичность и более низкая производительность потребуют большей массы для той же полезной нагрузки. Исследования торговли показывают, что ISRU может уменьшить общую массу миссии на 30-50% для миссии в человеческом масштабе, что делает инвестиции стоящими.

Безопасность и увольнение

Безопасность астронавтов является наивысшим приоритетом для любого пилотируемого MAV. В отличие от запусков на Землю, нет инфраструктуры для аварийных башен или зон посадки; аборт во время восхождения на Марс, вероятно, будет катастрофическим, если транспортное средство не сможет безопасно вернуться на поверхность с достаточным количеством топлива.

Избыточные системы и отказоустойчивость

MAV должен достичь по крайней мере «неисправной» архитектуры для критических подсистем: любой одиночный отказ не должен препятствовать выходу экипажа на орбиту. Это включает в себя избыточные двигатели (или несколько двигателей, которые могут выйти из строя в «распределенном» движительном кластере), двухкратную избыточную авионику и несколько независимых источников питания. Двигательная система должна быть в состоянии завершить восхождение с одним двигателем, что обычно требует по крайней мере двух двигателей с достаточным запасом тяги. Для твердых или гибридных двигателей это сложнее; один двигатель с двойными воспламенителями и избыточным зерном будет проще, но менее отказоустойчивым.

Запуск возможностей аборта

На Земле системы прерывания запуска (например, Apollo LES или Orion’s LAS) отводят капсулу экипажа от неисправной ракеты. На Марсе атмосфера слишком тонкая для прерывания на основе парашюта, а гравитация ниже, поэтому для прерывания на основе ракеты потребуется отдельный двигатель с высокой тягой. Некоторые конструкции интегрируют капсулу экипажа с интегрированным двигателем прерывания, который может стрелять в течение нескольких секунд, чтобы оттянуть капсулу от основной ступени. Это добавляет массу и сложность. Альтернативно, MAV может быть спроектирован так, чтобы экипаж мог преодолеть отказ первой ступени, используя вторую ступень (если топливо распространено) для выполнения раннего разделения и продолжения орбиты. Эта возможность «выключения двигателя» требует тщательной постановки конструкции.

Автономный мониторинг и реагирование на здоровье

С задержкой связи MAV должен обнаруживать неисправности и предпринимать корректирующие действия, не дожидаясь наземных команд. Это требует сложной системы мониторинга состояния здоровья, которая сравнивает показания датчиков (температуры, давления, вибрации) с моделями. Методы машинного обучения могут использоваться для прогнозирования сбоев компонентов, но для первоначальных миссий человека, скорее всего, будут использоваться более простые системы обнаружения и изоляции (FDI) на основе правил с надежной избыточностью датчиков. Транспортное средство должно быть в состоянии «разговаривать» с землей после факта, но автономное принятие решений имеет важное значение в критические минуты восхождения.

Тестирование и проверка в окружающей среде Земли

Разработка MAV с рейтингом экипажа требует обширных испытаний на Земле, но воспроизвести низкую гравитацию Марса, тонкую атмосферу и условия поверхности чрезвычайно сложно.

Zero-G Ascent Simulation (альбом)

Наиболее сложным аспектом для тестирования является фактический профиль восхождения под гравитацией Марса (0,38 г. На Земле с помощью испытательного стенда можно только проверить работу двигателя при давлении на уровне моря, но двигатель будет видеть резко другое давление спины, когда он поднимается через атмосферу Марса. Для моделирования высоты необходима вакуумная камера, но объединение большой вакуумной камеры с ракетным двигателем, стреляющим в нее, является сложным. Станция НАСА Plum Brook имеет большие тепловые вакуумные средства, подходящие для испытаний двигателя, но они не могут легко имитировать динамическую траекторию.

Тестирование операционной готовности

Долгосрочные испытания на Земле — подвергая аппаратное обеспечение MAV моделированию температур Марса и циклов пыли — могут подтвердить структуры, изоляцию и электронную надежность. Например, силовая электроника круизной ступени Марсианской научной лаборатории была протестирована в марсианских условиях. Однако сочетание вакуума, криогеники и пыли трудно достичь в одной камере. Инженеры часто полагаются на ускоренные испытания жизни и моделирование для прогнозирования поведения.

Летные испытания на орбите Земли

Альтернативой является испытание прототипов MAV на орбите Земли, выполнение восхождения от смоделированной марсианской гравитации (например, с использованием центрифуги или запуском двигателя по суборбитальной траектории). Программа SpaceX Starship планирует продемонстрировать перенос топлива и посадку на Луну, но никаких испытаний MAV не было объявлено. Для пилотируемых миссий неэкипированный испытательный полет MAV с Марса (с возвратом образца) будет необходимым предшественником, таким как предлагаемый MAV кампании NASA-ESA Mars Sample Return для запуска образцов породы - шаг предшественника транспортного средства с человеческим рейтингом.

Будущие направления и международное сотрудничество

Ни одно агентство или компания не могут решить все проблемы MAV в одиночку. Партнерства осуществляются для использования различных знаний.

Архитектура Марса и MAV исследования NASA

Проектные исследования NASA MAV были сосредоточены на двухступенчатом транспортном средстве, использующем твердые двигатели для первой ступени и гибрид жидкооксидатора-твердое топливо для второй стадии. Эта конструкция минимизирует сложность разработки при достижении необходимой производительности для миссии по возврату проб. Для миссий на людях более крупный автомобиль с жидкостными метановыми / LOX двигателями изучается в рамках кампании Исследования человека на Марсе . Ключевые вехи включают испытания прототипа двигателя в Космическом центре Стенниса НАСА и длительные криогенные испытания хранения в Космическом центре Кеннеди.

Звездолет SpaceX в качестве MAV?

SpaceX Илона Маска предложила использовать сам Starship в качестве транспортного средства для восхождения на Марс. Starship массивен (120 тонн сухой массы) и должен быть заправлен на Марсе, чтобы вернуться на Землю. Это требует огромного завода ISRU, производящего сотни тонн метана и кислорода - далеко за пределами текущих возможностей. Однако, если эта инфраструктура будет создана, Starship может обеспечить достаточный обитаемый объем и безопасность экипажа. Ключевая задача - точно посадить Starship, а затем запустить его с твердой поверхности. Ранние полеты Starship на Марс будут проверять последовательность посадки и запуска, но версия с рейтингом человека, вероятно, через десять лет или более.

ЕКА и международные взносы

Европейское космическое агентство (ЕКА) вносит свой вклад в кампанию по возвращению образцов Марса с орбитальным аппаратом возвращения Земли (ERO) и марсоходом. ESA также изучает технологии ISRU, такие как извлечение воды из марсианского реголита. Совместные семинары между НАСА и ЕКА по проектированию MAV создали общие концепции для движения и посадки. Другие партнеры, такие как JAXA (Япония), имеют опыт возвращения образцов астероидов, которые могут информировать об автономном сближении и стыковке.

Новые технологии

Несколько новых технологий могут облегчить проблемы MAV:

  • Аддитивное производство : 3D-печать компонентов двигателя (например, инжекторов, камер сгорания) на Марсе может уменьшить количество деталей и обеспечить ремонт на месте. Испытания печатных медных сплавов для регенеративного охлаждения показывают перспективы.
  • Передовая термозащита: Гибкие аэроснаряды (например, гиперзвуковой надувной аэродинамический ускоритель) могут использоваться для замедления MAV во время входа перед восхождением, но они добавляют сложность.
  • Электрическая тяга для подъема на орбиту: Хотя электрические двигатели не подходят для подъема, они могут использоваться для второй ступени MAV после достижения орбиты, но высокая тяга, необходимая для подъема экипажа, вероятно, требует химической тяги.

Заключение

Разработка аппарата для восхождения на Марс для человеческих миссий является многомерной задачей, которая раздвигает границы движения, материалов, автономии и планетарных операций. Экологические крайности Марса — тонкая атмосфера CO2, интенсивные холода, пыльные бури и низкая гравитация — требуют инновационных решений для проектирования двигателя, теплового контроля и смягчения пыли. Производство топлива через ISRU имеет важное значение, но представляет собой серьезные препятствия в надежности и криогенном хранении. Системы безопасности должны быть достаточно прочными, чтобы автономно справляться с отказами, поскольку управление в реальном времени с Земли невозможно. Обширные испытания на Земле и миссии-предшественники на Марс будут необходимы для проверки конструкций до того, как первые люди будут ездить на MAV с Красной планеты.

Путь вперед лежит в устойчивом, постепенном прогрессе: совершенствовании технологий ISRU, создании и тестировании прототипов двигателей в марсианских условиях и проведении беспилотных миссий по возврату образцов для доказательства эффективности транспортных средств. Международное сотрудничество и коммерческие партнерства ускорят эту временную шкалу. Хотя проблемы огромны, цель запуска людей из другого мира является мощным двигателем инноваций - тот, который в конечном итоге позволит обеспечить устойчивое присутствие человека на Марсе.