Table of Contents

Неуязвимость вызова

Человеческая миссия на Марс представляет собой квантовый скачок за пределы каждого предыдущего космического проекта. В отличие от лунных миссий «Аполлон», которые длились несколько дней, полет на Марс потребует примерно трех лет: девять месяцев выезда, 500-дневное пребывание на поверхности и девять месяцев дома. Космический корабль должен поддерживать экипаж из четырех-шести астронавтов в глубоком космосе, далеко за пределами защиты магнитного поля Земли, а затем безопасно приземлять их в другой мир с тонкой атмосферой. Каждая подсистема - движение, жизнеобеспечение, радиационное экранирование, посадка на спуск (EDL) - должна функционировать с почти идеальной надежностью, потому что пополнение запасов или спасение невозможно. Этот масштаб инженерной сложности вынуждает инновации в нескольких дисциплинах, от материаловедения до автономной робототехники. Давайте рассмотрим самые критические препятствия и передовые решения, разрабатываемые для их преодоления.

Поддержка жизни: сохранение жизни людей на протяжении многих лет

Наиболее фундаментальным требованием для любого пилотируемого космического корабля Марса является система жизнеобеспечения замкнутого цикла, которая надежно обеспечивает кислород, чистую воду и питание при управлении отходами. На Международной космической станции (МКС) расходные материалы регулярно пополняются — роскошь, недоступная для Марса. Каждый килограмм кислорода, воды и пищи, запущенный с Земли, добавляет непомерную стоимость и массу. Цель состоит в том, чтобы переработать почти все с минимальными потерями.

Возрождение атмосферы

Современные системы МКС используют молекулярные сита для удаления углекислого газа и электролиза для разделения воды на кислород и водород. Для Марса эти процессы должны стать более эффективными и надежными. Передовые скрубберы CO2 , такие как четырехполосное молекулярное ситкообразное устройство (4BMS)], будут эволюционировать в более легкие, более маломощные блоки. Кроме того, Реакторы Sabatier могут объединять CO2 с водородом (производится из водного электролиза) для генерации метана и воды, интегрируясь с системами производства топлива, описанными ниже. Кислородная петля должна обрабатывать следовые загрязняющие вещества из негазирующих материалов и метаболизма человека, требуя каталитических окислителей и фильтров. Избыток имеет первостепенное значение: один отказ в генерации кислорода не может стать смертным приговором.

Восстановление воды

На Марсе скорость восстановления воды должна превышать 95%. МКС в настоящее время восстанавливает около 80-90% воды из конденсата мочи и влажности, но оставшийся рассол выбрасывается. Будущие системы, такие как сборка процессора мочи (UPA) , в сочетании с передней осмосом или дистилляцией сжатия пара, направлены на то, чтобы подтолкнуть восстановление к почти 100%. Это не только уменьшает массу запуска, но и обеспечивает воду для радиационного экранирования и роста микроорганизмов для производства продуктов питания. Инженеры также тестируют биорегенеративные подходы с использованием водорослей или более высоких растений для циклического использования воды при производстве пищи и кислорода - хотя такие системы остаются экспериментальными для первичной жизнеобеспечения.

Управление пищевыми продуктами и отходами

Предупакованные продукты питания имеют срок хранения от двух до трех лет, достаточный для миссии на Марс, но психологическое и пищевое разнообразие требует тщательного планирования. Космическое садоводство со светодиодами и гидропоникой может дополнять свежие продукты, повышая моральный дух экипажа и обеспечивая критические витамины. Между тем, твердые отходы должны быть обработаны для восстановления воды и минералов. Передовые методы стабилизации отходов, включая пиролиза и газификации плазмы, могут превращать отходы в пригодные для использования газы и инертные остатки, замыкая массовый цикл дальше. Эти системы требуют минимального времени экипажа для обслуживания, используя автоматизацию и диагностику ИИ.

Движительность: быстрее добраться

Выбор двигательной установки напрямую влияет на продолжительность миссии, массовые бюджеты и радиационное воздействие астронавтов. Более быстрые транзиты сокращают время в глубоком космосе, но требуют больше энергии. Инженерный компромисс между проверенными химическими ракетами (высокая тяга, низкая эффективность) и передовыми электрическими или ядерными системами (низкая тяга, высокая эффективность).

Химическое движение — базовая линия

Химические ракеты, такие как используемые в двигателе Raptor (жидкий метан / кислород) SpaceX (FLT: 1) или RS-25 (водород / кислород), обеспечивают высокую тягу, необходимую для запуска Земли и восхождения на Марс. Например, в архитектуре Звездолет [FLT: 2] Звездолет [FLT: 3] использует комбинацию дозаправки на орбите и производства топлива на Марсе для достижения требуемой дельта-в. Проблемы включают в себя откачку криогенных ракетных двигателей в течение месяцев в космосе — резервуары должны быть сильно изолированы или активно охлаждаться. [FLT: 4] Восходящий аппарат Марса (MAV) должен функционировать после многих лет воздействия марсианской пыли и температурных колебаний, требуя надежных систем зажигания и коррозионностойких материалов.

Ядерное тепловое движение (NTP)

NTP использует ядерный реактор для нагрева водородного топлива до экстремальных температур (2500-3000 K), производя тягу примерно в два раза больше удельного импульса химических ракет. Это может сократить время в пути от девяти месяцев до трех или четырех месяцев, резко уменьшая радиационное воздействие и массу расходных материалов. Программа НАСА Ядерная программа термодвижения продемонстрировала топливные элементы в 1960-х годах (NERVA), но современные реакторы должны быть более компактными, безопасными для запуска и устойчивыми к длительной эксплуатации. Ключевые препятствия включают разработку высокотемпературных материалов, которые выдерживают эрозию водорода и обеспечивают реактор остается холодным и инертным во время аварии на стартовой площадке. NTP также предлагает возможность генерации электроэнергии для космического корабля через цикл Брэйтона, интегрируя двигательные и энергетические системы.

Электрический импульс — долгая игра

Ионные двигатели и двигатели с эффектом Холла используют электрические поля для ускорения ионов до очень высоких скоростей, предлагая конкретные импульсы в десять раз выше, чем химические ракеты. Двигатель NASA X3 Hall и ионный двигатель NEXT были протестированы в течение тысяч часов. В то время как их низкая тяга делает их непригодными для запуска или посадки, они превосходят их для грузового предварительного развертывания или транзитов экипажа, которые принимают более медленное ускорение. PSYCHOPATH? Ошибка, требует ядерной электроэнергии в классе мегаватт, потребуется для достижения полезных уровней тяги. Задача заключается в создании легкого, мощного реактора и радиаторов, которые могут отбрасывать отработанное тепло в вакууме космоса. Ядерная электрическая двигательная установка класса Megawatt (NEP) остается будущей целью, но достижения в реакторах тепловых труб и углеродных радиаторов постепенно делают ее осуществимой.

Вход, спуск и посадка: самая опасная фаза

Марс имеет атмосферу толщиной около 1% от земной — слишком тонкую, чтобы полагаться исключительно на аэротормоз, но достаточно толстую, чтобы генерировать огромный трениевой нагрев. Каждый посадочный модуль на Марсе прибывает с десятками тысяч километров в час орбитальной скорости и должен замедляться до нуля всего за несколько минут. Инженерная задача сурова: 20-30% всех миссий на Марс (орбитальный и посадочный аппарат) потерпели неудачу , и многие сбои произошли во время EDL.

Аэродинамическое снижение и теплозащита

На первой стадии ЭДЛ используется тепловой экран для замедления от межпланетной скорости до сверхзвуковых скоростей. Для полезных нагрузок человеческого масштаба (20–40 тонн) тепловой экран должен быть намного больше - 15-20 метров в диаметре - чем любой летающий ранее. Гиперзвуковые надувные аэродинамические замедлители (HIAD) или развертываемые жесткие щиты тестируются для достижения необходимой области сопротивления без превышения ограничений обтекания ракеты-носителя. Материальные варианты включают фенольные пропитанные углеродные абляторы (PICA) или более новые композиты на основе пробки, которые могут выдерживать температуры выше 2000 ° C, оставаясь легкими.

Парашюты и сверхзвуковое ретропульсирование

На Махе 2-3 сверхзвуковой парашют разворачивается, чтобы замедлить космический корабль дальше. Парашют Марс 2020 года установил рекорд сопротивления сверхзвуковым аэродинамическим нагрузкам, но человеческий посадочный модуль может быть в пять-десять раз тяжелее. Текущие конструкции парашюта не могут масштабироваться; таким образом суперзвуковая ретропульсия (SRP) становится критической. Несколько ракетных двигателей стреляют в встречный поток, чтобы замедлить транспортное средство, метод, впервые продемонстрированный восстановлением Falcon 9 SpaceX и теперь адаптированный для Марса. Взаимодействие шлейфов двигателя и атмосферы создает сложную аэродинамику — модели CFD нуждаются в проверке с помощью испытаний на Земле и, в конечном итоге, в субмасштабных полетах на Марс. Точность управления дроссельной заслоной и надежность зажигания двигателя делают-или-ломаются.

Заключительный тачдаун и предотвращение препятствий

В течение последних секунд посадочный модуль должен идентифицировать безопасное место, избегать скал и склонов и устанавливаться с минимальной вертикальной и горизонтальной скоростью. Относительная навигация по дорогам (TRN) с использованием бортовых камер и лидарных карт зоны посадки в режиме реального времени, как это продемонстрировано системой безопасной посадки Марса 2020 года. Для пилотируемых миссий важна система активного предотвращения опасности с автономной способностью отклоняться. Жизнь экипажа зависит от нее. Разрушимые алюминиевые сотовые стойки доказали свою эффективность, но запас ошибки уменьшается с увеличением массы транспортного средства, подталкивая инженеров к активному шасси , который может влажной вибрации и самоуровня в последние миллисекунды.

Радиационная защита: невидимая угроза

За пределами магнитного поля Земли астронавты сталкиваются с двумя основными источниками излучения: галактическими космическими лучами (GCR) и событиями солнечных частиц (SPE). GCR являются высокоэнергетическими, трудно экранируемыми и увеличивают риск развития рака. SPE, хотя и спорадические, могут доставлять острые дозы, способные вызывать острую лучевую болезнь. Космический корабль должен обеспечить безопасное убежище во время SPE в течение нескольких минут - но масса, необходимая для пассивного экранирования (например, вода, полиэтилен или реголит), конкурирует с любой другой системой.

Пассивный и активный щитовой подход

Вода, хранящаяся в панелях вокруг модуля экипажа, служит двойному назначению: радиационное экранирование и жизнеобеспечение. Водное экранирование 30–40 г/см2 снижает дозу GCR примерно на 60%, но такая большая масса является дорогостоящей. Богатые водородом материалы , такие как полиэтилен или гидриды, предлагают лучшее экранирование на единицу массы, но они легковоспламеняющиеся или структурно слабые. Активное экранирование с использованием магнитных полей или электростатических полей может отклонять заряженные частицы — Концепция мини-магнитосферы предлагает генерировать дипольное поле вокруг космического корабля. Однако требования к мощности (несколько киловатт) и вес сверхпроводящих магнитов остаются непомерными с помощью современной технологии. Анализ радиочувствительности экипажа посредством персонализированной дозиметрии и, возможно,

Системы раннего предупреждения и реагирования

Бортовой монитор солнечных частиц в реальном времени может дать несколько десятков минут предупреждения перед пиком SPE. Затем космический корабль должен быстро переместить экипаж в защищенное штормовое убежище (часто центральное, упакованное в груз ядро) и либо отключить несущественные системы, либо перенаправить энергию для поддержания жизнеобеспечения. Укрытие должно быть доступно в течение нескольких секунд и обеспечить достаточно места для всего экипажа, чтобы оставаться до 72 часов. [FLT: 2]] Избыток энергии укрытия, воздуха и воды [FLT: 3] не подлежит обсуждению.

Психологические и физиологические решения для здоровья

Хотя это не чисто инженерная задача, проектирование космического корабля напрямую влияет на здоровье и производительность экипажа. Микрогравитация приводит к потере костной массы, атрофии мышц и сдвигам жидкости, требующим ежедневных упражнений. , контрмеры космического корабля должны вписываться в компактный объем, обеспечивая при этом резистивные и аэробные нагрузки — , используемое на МКС, является ступенькой, но аппараты на Марсе потребуют еще более эффективных конструкций, которые также служат структурными элементами. Искусственная гравитация через вращающийся участок космического корабля изучалась в течение десятилетий, но сложность вращающегося сустава, уплотнений и структурной динамики для транспортного средства, которое уже должно приземлиться на Марсе, добавляет огромную массу и режимы отказа. для кратковременной искусственной гравитации во время полета может смягчить некоторые проблемы, не вращая весь корабль, но они все еще требуют значительной мощности и тщательной балансировки.

Психологическая изоляция и задержки связи (до 20 минут в одну сторону) требуют автономных систем для развлечений, связи с Землей (асинхронная электронная почта, видеообмен сообщениями) и поддержки медицинских решений. Дизайн космического корабля , в котором должны быть частные помещения, искусственное освещение, которое соответствует циркадным ритмам, и шумоподавление. Инженеры сотрудничают с психологами, чтобы гарантировать, что цветовая палитра, расположение пространства и даже модели циркуляции воздуха уменьшают стресс и способствуют совместной работе.

Использование ресурсов in-Situ: жизнь за пределами земли

Для уменьшения массы запуска и обеспечения длительного пребывания миссия должна производить воду, топливо, кислород и, возможно, строительные материалы на Марсе. Разработка систем ISRU является такой же сложной задачей, как и любой другой аспект миссии.

Добыча воды

Вода существует на Марсе в виде подповерхностного льда и гидратированных минералов. Буровые установки должны работать при низкой температуре и давлении, с потенциалом для уплотнения реголита и засорения пыли. Системы бурения типа Родни с использованием тепла для сублимации льда, а затем конденсации пара были протестированы в аналоговых местах. Марсианская установка по извлечению воды (WEP) должна будет производить тысячи литров воды — достаточно для потребления экипажем и электролиза для производства кислорода и метана. Вода, вероятно, будет содержать токсичные перхлораты, требующие очистки через обратный осмос или ионный обмен, добавив другую подсистему.

Производство топлива и окислителей

Наиболее зрелой концепцией ISRU является процесс Sabatier/Electrolysis: CO2 из марсианской атмосферы (который на 96% состоит из CO2) сочетается с водородом (привезенным с Земли или электролизованным из воды) для производства метана (топлива) и воды (переработанной). Эксперимент NASA MOXIE на марсоходе Perseverance успешно продемонстрировал производство кислорода из CO2. Для масштабирования твердооксидного электролиза MOXIE для производства тонн кислорода для топлива для подъема требует высокотемпературного (800°C) реактора, который может работать непрерывно в течение месяцев без ухудшения характеристик. Теплоизоляция и управление мощностью для такой большой установки являются значительными инженерными препятствиями. Предсжатие тонкого марсианского воздуха (около 0,006 бар) до полезного давления требует эффективных, пылеустойчивых насосов. Инженер

Строительные материалы и 3D-печать

Долгосрочные аванпосты могут использовать местный реголит для создания кирпичей, посадочных площадок, дорог или даже мест обитания с использованием аддитивного производства. Проекты NASA по созданию 3D-печатных мест обитания и ESA на основе реголита показывают, что симуляторные материалы могут быть спекнуты или связаны с полимерами, привезенными с Земли. На Марсе 3D-принтер должен работать внутри объема под давлением или с горячей козловой струей, подверженной воздействию суровой окружающей среды. Саморемонтные материалы и радиационно-защитные мешки для реголита могут быть проще, чем печать сложных конструкций. Инженерия надежных строительных роботов с низким уровнем обслуживания - с автономным планированием пути и обработкой материалов - все еще является активным полем.

Многоразовые космические аппараты и архитектура миссий

Многоразовое использование трансформирует экономику миссий на Марс. Starship SpaceX предназначен для полного многоразового использования, запуска на сверхтяжелом ускорителе, а затем дозаправки на орбите. Сам корабль приземляется на Марсе с использованием ретропульсии. Многоразовое использование требует, чтобы транспортное средство выдерживало вход и посадку несколько раз, часто с осмотром и минимальным ремонтом. Это накладывает чрезвычайную долговечность материала: плитки теплового экрана должны выдерживать сотни повторных входов; двигатели должны быть перезагружены после длинных побережий; и топливные баки должны быть в состоянии выдержать криогенную цикличность. В настоящее время срок службы двигателя Raptor измеряется десятками запусков — архитектура миссии должна обеспечить достаточный запас.

Другие архитектуры, такие как Справочная архитектура Mars Design 5.0 NASA, подчеркивают концепции разделения миссий: предразмещение груза, производство топлива до прибытия экипажа и выделенный посадочный модуль Mars, который остается на поверхности. Многоразовое использование не является основной целью, но модульность позволяет повторно использовать компоненты в миссиях. Инженерная задача здесь заключается в сокращении числа уникальных типов транспортных средств для снижения стоимости разработки. Например, общий Транзитный автомобиль (MTV) может использоваться как для экипажа, так и для груза с различными модулями полезной нагрузки. Орбитальная сборка и передача топлива требуют надежных систем стыковки, люков большого диаметра и криогенного хранения с нулевым кипением — все толкающие текущие возможности.

Путь вперед

Инженерные проблемы посадки человека на Марс взаимосвязаны. Улучшение жизнеобеспечения увеличивает массу радиационной защиты; более эффективная двигательная установка сокращает время транзита, но требует новых ядерных или электрических энергетических систем; большие полезные нагрузки требуют новых методов EDL. Ни одна проблема не может быть решена изолированно. Наиболее перспективным подходом является итерационный подход: испытательные подсистемы на Луне, на МКС и на беспилотных миссиях на Марсе, прежде чем совершать полеты экипажем. Программа НАСА Artemis обеспечит испытательную площадку для костюмов следующего поколения, мест обитания и использования ресурсов на месте. частно-государственные партнерства с такими компаниями, как SpaceX, Blue Origin и другие, ускоряют развитие посредством конкуренции и совместного использования затрат.

Избыточность, автономность и надежность остаются лозунгами. От абляционного слоя теплового щита до последнего корректирующего ожога перед посадкой каждый компонент должен быть спроектирован, чтобы пережить многолетнее путешествие, а затем выполнить точную посадку в неумолимом мире. Приз - сделав человечество многопланетным видом - оправдывает огромные технические расходы. Космический корабль, который разрабатывается сегодня, будет кораблями, которые несут первые шаги на марсианскую почву, и работа инженеров теперь определит, будут ли эти шаги предприняты с уверенностью или с риском. Задача сложная, но траектория ясна: мы высадим людей на Марсе, и требуемая инженерия изменит будущее разведки навсегда.

Внешние ресурсы: NASA Mars Exploration Program | Обзор космического корабля SpaceX NASA Nuclear Thermal PropulsionESA Mars ISRU