Table of Contents

Уникальные требования марсианского движения

Проектирование двигателей для работы в атмосферных условиях Марса представляет собой набор уникальных задач для инженеров и ученых, которые принципиально отличаются от всего, что встречается на Земле. В отличие от нашей планеты, Марс имеет тонкую атмосферу, состоящую в основном из углекислого газа, с менее чем 1% атмосферного давления Земли. Это существенно влияет на то, как двигатели, особенно двигательные системы, функционируют в этой среде. В отличие от Земли, где мы можем полагаться на обильный атмосферный кислород для сгорания, конструкции марсианских двигателей должны учитывать дефицит окислителя, экстремальные колебания температуры, абразивную пыль и гравитацию, которая составляет около 38% Земли. Эти ограничения раздвигают границы материаловедения, термодинамики и двигательной техники. Поскольку человечество стремится отправить большие полезные нагрузки, установить постоянные базы и в конечном итоге осуществить пилотируемые миссии на Красную планету, способность разрабатывать надежные, эффективные двигатели, которые могут работать в атмосфере Марса, от посадки до восхождения, становится критическим путеводителем для межпланетных исследований.

Ключевые проблемы в проектировании двигателей для Марса

Низкое атмосферное давление и состав

Марсианская атмосфера имеет поверхностное давление в среднем около 6 миллибар (0,087 пси), по сравнению с 1013 миллибарами Земли на уровне моря. Это чрезвычайно низкое давление означает, что традиционные реактивные двигатели или любой воздуходувной двигатель, предназначенный для Земли, не может функционировать. На Земле реактивный двигатель сжимает поступающий воздух, смешивает его с топливом и воспламеняет его для получения тяги. На Марсе просто недостаточно плотности воздуха для поддержания сгорания или генерации достаточной тяги. Кроме того, атмосфера на 95% состоит из углекислого газа, с только следовым количеством кислорода (около 0,13%). Это делает невозможным для обычных двигателей внутреннего сгорания работать без переноса собственного окислителя. Все двигательные системы для Марса должны поэтому либо приносить свой собственный окислитель (например, жидкий кислород) или использовать методы негорения, такие как электрические двигатели или ядерная тепловая тяга. Низкое давление также влияет на теплообмен — конвективное охлаждение минимально, поэтому двигатели должны полагаться на радиационное охлаждение

Последствия для горения

Даже если двигатель несет свой собственный кислород, низкое давление окружающей среды изменяет динамику сгорания. Стабильность пламени становится труднее поддерживать, а поведение расширения выхлопных газов отличается, потому что обратное давление окружающей среды почти равно нулю. Это может повлиять на конструкцию сопла и специфический импульс. Инженеры должны моделировать камеры сгорания для вакуумоподобных условий, что требует различных подходов к вычислительной динамике жидкости (CFD), чем для испытаний уровня моря на Земле. Снижение давления также может вызвать проблемы с впрыском топлива и атомизацией, поскольку низкая плотность окружающего газа изменяет механизмы распада капель.

Источник: NASA Mars Atmosphere Resource

NASA Mars Atmosphere Fact Sheet предоставляет подробные данные о составе и изменениях давления по всей поверхности Марса.

Температурные крайности

Марс испытывает экстремальные колебания температуры, от минимумов -195 ° C (-319 ° F) на полюсах в зимний период до максимумов около 20 ° C (68 ° F) около экватора в дневное время. Даже в течение одного марсианского дня (соли) температура поверхности может колебаться от +20 ° C до -80 ° C. Эти колебания могут влиять на материалы двигателя и производительность несколькими способами:

  • Тепловое расширение и сокращение компонентов двигателя, приводящее к усталости, смещению и потенциальному отказу уплотнений и соединений.
  • Хрупкость материалов при криогенных температурах — металлы, такие как сталь, могут стать хрупкими, особенно если проблема заключается в хрупкости водорода.
  • Хранение топлива и окислителя — жидкий кислород (LOX) должен поддерживаться ниже -183 °C, но если температура окружающей среды намного ниже, изоляция становится критической для предотвращения замерзания других жидкостей (например, метана, который замерзает при -182,5 °C).
  • Системы терморегулирования должны быть спроектированы таким образом, чтобы критически важные компоненты находились в рабочих температурных диапазонах, часто требующих активного нагрева или охлаждения, материалов с фазовым изменением или тепловых труб.

Специализированные системы управления тепловыми потоками необходимы для обеспечения надежности и безопасности в течение длительного периода миссии на Марс. Например, двигатели Mars Science Laboratory использовали комбинацию нагревателей и изоляции для поддержания двигательных установок при безопасных температурах во время круиза и посадки.

Источник: данные о температуре марсоходов

Погодная станция НАСА Perseverance предоставляет данные о температуре и давлении в режиме реального времени из кратера Джезеро, иллюстрируя ежедневные тепловые крайности.

Пыль и коррозия

Повсеместная марсианская пыль, состоящая из мелких силикатных частиц с высоким содержанием оксидов железа (придавая Марсу его красный цвет), может проникать в компоненты двигателя, вызывая износ и коррозию. Пыль электростатически заряжена, что заставляет ее цепляться за поверхности. Это создает множество проблем:

  • Истирание движущихся частей — турбонасосы, клапаны и инжекторы могут страдать от быстрого износа, если пыль попадает в систему.
  • Коррозия из реактивных соединений — пыль содержит перхлораты (ClO4−), которые сильно окисляются и могут вступать в реакцию с материалами двигателя, особенно в сочетании с влажностью (что происходит временно на Марсе).
  • Деградация тюленей — пыль может компрометировать уплотнения, предназначенные для удержания газов сгорания и загрязняющих веществ.
  • Оптическое и сенсорное загрязнение — пыль может покрывать датчики и камеры, необходимые для навигации и мониторинга двигателя.

Проектирование фильтров и систем уплотнения имеет решающее значение для поддержания целостности двигателя в течение длительных миссий. Вхождение пыли во время запуска двигателя и остановок, когда перепады давления высоки, представляет собой особый риск. Будущим посадочным модулям и транспортным средствам для подъема потребуются надежные стратегии смягчения пыли, такие как лабиринтные уплотнения, вольеры под давлением и регенеративные фильтры. Проблема пыли также затрагивает любой двигатель, который зависит от атмосферного потребления, такой как предлагаемая система «забора окислителя Марса» - пыль должна быть удалена до обработки CO2.

Источник: Mars Dust Properties

Обзор НАСА марсианской пыли объясняет физические и химические свойства, которые делают ее настолько проблематичной для оборудования.

Дополнительные критические вызовы

Нижняя гравитация и ее влияние на дизайн движения

Марс имеет около 38% гравитации Земли. Это влияет на конструкцию двигателя несколькими способами: более низкая гравитация уменьшает силы на структурах, но также изменяет поведение жидкостей в резервуарах и системах подачи топлива. Динамика слоша отличается, и осаждение ракетных двигателей до того, как зажигание двигателя становится более сложным. Нижняя гравитация также означает, что отношение тяги к весу, необходимое для взлета, ниже, чем на Земле, но траектория подъема на орбиту по-прежнему требует, потому что у Марса есть существенная гравитация хорошо (около половины скорости выхода Земли). Кроме того, уменьшенная гравитация влияет на расширение выхлопного шлейфа — шлейф может распространяться шире, потенциально влияя на структуру посадочного модуля или землю, вызывая эрозию и затененную видимость. Посадочные двигатели должны быть тщательно разработаны, чтобы избежать этих проблем.

Отсутствие оксидаторов и топлива in-Situ

В отличие от Земли, где кислород свободно доступен в атмосфере, Марс предлагает только углекислый газ. Для двигателей на основе сгорания топливо и окислитель должны транспортироваться с Земли или производиться in situ с помощью таких процессов, как эксперимент Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization (ISRU) под названием MOXIE на марсианском ровере Perseverance. MOXIE продемонстрировала способность производить кислород из марсианской атмосферы с использованием электролиза твердого оксида. При расширении такие системы могут обеспечить окислитель для подъема транспортных средств и для жизнеобеспечения, резко уменьшая массу, которую необходимо запустить с Земли. Однако это добавляет сложности двигательной системе: двигатель должен быть совместим с производимым кислородом (который может содержать примеси), а сама установка ISRU требует мощности и технического обслуживания. Будущие миссии могут использовать углекислый газ непосредственно в качестве топлива в системах электрических двигателей, или комбинировать его с водородом для производства метана (реакция Сабатье) для использования в метано-кислородных двигателях.

Производство электроэнергии для двигателей, не работающих на горючем

Электрические двигательные установки, такие как ионные двигатели или двигатели эффекта Холла, являются перспективными для применения на Марсе, потому что они не требуют атмосферного кислорода. Однако им нужна значительная электрическая энергия, как правило, от солнечных панелей или ядерного источника. На Марсе солнечная энергия менее интенсивна (около 43% от Земли из-за расстояния) и может быть прервана пыльными бурями, которые длятся в течение нескольких недель. Разрабатываются ядерные источники энергии, такие как реакторы Kilopower, но они добавляют массу и требуют тщательного экранирования. Для автомобиля с подъемом на Марс, требования к мощности для высокопроходного электрического двигателя чрезвычайно высоки, что делает химическую тягу все еще наиболее практичной для краткосрочных посадочных аппаратов. Для более длительного транзита или космического движения, ядерная тепловая тяга (NTP) предлагает высокий удельный импульс и может использовать водородное топливо, которое может быть изготовлено из марсианского водяного льда.

Коммуникация и контроль задерживаются

При круглосуточной задержке светового времени от 8 до 40 минут дистанционное управление двигателями с Земли в реальном времени невозможно. Двигатели должны быть высокоавтономными, с бортовыми системами управления, способными обрабатывать неисправности и регулировать параметры в реальном времени. Это предъявляет строгие требования к датчикам, приводам и надежности программного обеспечения. Любая последовательность запуска двигателя, регулировка дроссельной заслонки или выключение должны быть предварительно запрограммированы и выполнены без вмешательства человека. Испытание таких автономных систем чрезвычайно сложно на Земле, потому что сочетание низкого давления, низкой гравитации и пыли Марса трудно воспроизвести одновременно.

Инновационные решения и будущие направления

Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи и космические агентства изучают широкий спектр инновационных решений. В ближайшие десятилетия, вероятно, будет применена комбинация технологий в зависимости от фазы миссии - круиз, посадка, наземные операции и подъем.

Двигатели для использования ресурсов в Сиднее (ISRU)

Наиболее трансформационный подход заключается в производстве топлива на самом Марсе. Эксперимент NASA MOXIE, как уже упоминалось, произвел кислород из CO2. Увеличенная версия может заполнить резервуар кислородом для подъемного транспортного средства. Аналогично, метан может быть получен путем объединения водорода (извлеченного из водяного льда) с углекислым газом. Комбинация метана и кислорода уже используется в таких двигателях, как Raptor SpaceX, который предназначен для глубокого дросселирования и может работать в вакууме, а также при низком давлении. Восходящий автомобиль на основе ISRU может быть заправлен на поверхности, резко уменьшая массу, которая должна быть доставлена с Земли.

Концепт: Mars Ascent Vehicle (MAV)

MAV, ключевая часть кампании NASA Mars Sample Return, представляет собой небольшую ракету, которая будет поднимать образцы с марсианской поверхности на орбиту. Она сталкивается со всеми обсуждаемыми проблемами: низким давлением, пылью, экстремальными температурами и необходимостью автономной работы. Текущие конструкции используют двухступенчатую твердую или гибридную ракету, но будущие MAV могут использовать жидкие метано-кислородные двигатели, которые могут быть заправлены от ISRU. Обзор JPL Mars Sample Return описывает концепцию MAV.

Электрическое и плазменное движение

Двигатели с электрическим приводом, не требующие атмосферного кислорода, привлекательны для длительных космических буксиров или грузовых миссий на Марс. Ионные двигатели используют электрические поля для ускорения ионов, достигая высокой удельной импульсной (тысячи секунд), но очень низкой тяги. Двигатели с эффектом Холла предлагают среднюю землю. Хотя они не подходят для взлета с марсианской поверхности из-за их низкого соотношения тяги к весу, они отлично подходят для межпланетного транзита и орбитального маневрирования. Будущие концепции включают «Марсовский магнитоплазмадинамический двигатель», который может использовать марсианский CO2 в качестве топлива, хотя это все еще экспериментально.

Ядерное тепловое движение

Ядерная тепловая двигательная установка (NTP) использует ядерный реактор для нагрева водородного топлива, которое затем расширяется через сопло для получения тяги. NTP предлагает примерно в два раза больше удельного импульса химических ракет и может использоваться как для транзита на Марс, так и потенциально для подъема, если реактор достаточно компактен. Основными проблемами являются масса реактора и экранирование, а также обращение с водородом (который трудно хранить из-за его низкой точки кипения и небольшого молекулярного размера). Программа NASA и DARPA DRACO разрабатывает ядерную тепловую ракету для испытаний на орбите, которая позже может быть адаптирована для миссий на Марс.

Продвинутые материалы, устойчивые к экстремальным температурам и пыли

Новые материалы имеют решающее значение для долговечности двигателя. Примеры включают керамические матричные композиты (CMC) для высокотемпературных лопастей турбин, суперсплавы с окислительно-устойчивыми покрытиями и самозаживляющиеся уплотнения. Для смягчения пыли исследователи рассматривают гидрофобные покрытия, которые предотвращают адгезию частиц, активное удаление пыли через электростатические поля и системы фильтрации впускных отверстий, которые легко очищаются. Аддитивное производство (3D-печать) позволяет использовать сложные геометрии для инжекторов и сопл, которые могут быть оптимизированы для сжигания под низким давлением и пылестойкости.

Гибридные двигательные системы

Например, посадочный модуль может использовать гибридную ракету (твердое топливо с жидким окислителем), которая проста и может храниться в течение длительного времени. Или комбинацию электрического двигателя для вставки на орбиту и химического двигателя для посадки. Научная лаборатория Марса использовала ступень спуска с небесной крана с гидрозиновыми двигателями - проверенное, но не масштабируемое решение. Будущие крупные посадочные аппараты могут использовать метан-кислородные двигатели с возможностью глубокого дросселирования, полученные из Raptor SpaceX или BE-4 Blue Origin, адаптированные для условий Марса.

Оригинальное название: The Path Forward

По мере развития технологий разработка надежных двигателей, способных эффективно работать в уникальной среде Марса, будет иметь жизненно важное значение для будущих исследований и возможных усилий по колонизации. Преодоление этих проблем откроет новые границы для присутствия человечества за пределами Земли. Работа, которая в настоящее время ведется над ISRU, ядерным двигателем, электрическими двигателями и передовыми материалами, не просто академическая - она интегрируется в концепции миссии, которые могут быть запущены в течение следующего десятилетия. Каждая проблема - низкое атмосферное давление, экстремальные температуры, пыль, гравитационные различия и автономия - решается с помощью инженерных инноваций. Марсианский двигатель будущего, вероятно, будет гибридом химических и электрических систем, питаемых топливом местного производства и построенных из материалов, которые могут выдерживать суровую среду Красной планеты в течение многих лет. Это будет двигатель, который приведет нас от первых следов до постоянных поселений на Марсе.