Giriş: Mars Ascent Tools'un İnsan Keşfetinde Rolü

Mars'ın yüzeyinden gelen astronotları Dünya'nın en çok uzay araştırmalarında en çok dikkat çekici mühendislik zorluklarından biri haline getiriyor.Odadaki ağır maaşları atmak ve Kızıl Gezegende çalışan mürettebatları sürdürmek için çok fazla dikkat edin, gerçek zamanlı insan gözetimine başlamalı araç - bu makale, insan misyonları için kendi temel mühendislik zorlukları sunar ve Mart yüzeyinde aylarca veya yıllar sonra yapılması gereken teknik yenilikleri keşfetmeli.

Uygulama için, NASA'nın “Dörtüncü Dünya’ya” yönelik olarak, Mars’ın uzay aracının (Düzücü) ve SpaceX'in “Düzücük” programı[Dönetici 3) – her alt sistemden taşımaya yetecek kadar ışıkken – her bir işletmeye destek vermek için – güçlü, kırmızı, özgürleşmek ve Mars’tan astronotları iyi bir şekilde kaldırmak için yeterince güçlü olmalıdır.

Mars'ta Çevresel Meydanlar

Mars Ay veya düşük Dünya yörüngesinden daha düşman bir ortam sunuyor. Gezegenin ince atmosferi (Dünya deniz seviyesindeki basıncının% 1'inden az) öncelikle karbon dioksitden oluşuyor, bu da uygun olmayan bir aerodinamik asansör sunar, ancak MAV'de her materyali ve sıvıyı etkiler.

Propulsion üzerinde atmosfer etkisi

Düşük atmosferik basınç, roket motoru tasarımı için önemli bir meydan okuma oluşturur. Dünya atmosferi için optimize edilmiş geleneksel bir nozul, Mars'ta performansa ek olarak, akış ayırma ve verimlilik kaybına neden olabilir.

Termal Yönetim ve Toz Fırtınaları

MAV, başlangıçtan önce uzun süredir maruz kalma yüzeyinin hayatta kalması gerekir. Pasif termal kontrol - çok katmanlı yalıtım, faz değiştirme malzemeleri ve radyatörler kullanarak - kabul edilebilir sıcaklıklarda perfilli tanklar tutmak önemlidir. Dust fırtınalar, bu da gezegenleri haftalar boyunca kaplayabilir, ek tehlikeler oluşturabilir: iyi toz parçacıkları 2020 Perfiltre rover[Döntilmiş)

Araç Tasarımında Teknik Zorluklar

MAV inşa etmek, propulsion, yapılar, aviyonlar ve mürettebat sistemleri sınırlı iletişim ile Dünya'dan yüzlerce kilometre uzakta faaliyet göstermelidir. Aşağıdaki alt bölümler en kritik mühendislik engellerini özetliyor.

Propulsion System Architecture

Doğru tahrik döngüsü, performans, basitlik ve güvenilirlik arasında bir dengeleyici harekettir.Proposed MAV tasarımları genellikle üç kategoriden birine girer: sağlam roket motorları, sıvı biyopropellant motorları veya hibrid motorlar.

  • [FONT:0)Solid Rocket Motors[Dönetici: Basit, güvenilir ve en az bakım ile yıllarca mağazaya depolayabilmeleri için düşük özel dürtü (ISP) sunar ve kolayca kırılamaz, bir sürü duman ve katı motorlar da yüksek oranda sigara içmez ve ascentalara müdahale edebilir.
  • [FONT:0]Liquid Bipropellant Motorlar[DÜT:1): Yüksek ISS ve throttle yeteneği, ancak karmaşık turbopular, enjekteatörler ve ISRU ile uyumluluk gerektirir, ancak ultra verimli yalıtım ve aktif soğutma.
  • [FONT=0)Hybrid Motors[Dönetici: Katı bir yakıt kullanın (örneğin, plastik tabanlı) sıvı o oksitleyici (örneğin, nitrous oksit) ile daha güvenli, daha ucuz ve sertleştirilebilir, ancak sıvılardan daha düşük ve teknik olarak daha az olgunlaşır.

NASA'nın Mars Ascent aracı için mevcut çalışmalar, ISRU ile sinerjinin bir parçası olarak ortaya çıkıyor, ancak uzun süredir gerekli termal yönetim önemli bir engel olarak kaldı.

Yapısal malzemeler ve hafifleştirici

Her bir MAV kütlesi Mars'a teslim edilmelidir, ya da önceden çalıştırılmalıdır. Yüksek güçlü vibrojen kompozitler, alüminyum-lithium alaşımları ve titanyumlar da kütleyi azaltmak için kullanılır, ancak MAV, ağlamak ve iniş (EDL) yüklerine de dayanabilir.

Rehberlik, navigasyon ve Kontrol (GNC)

Ascent sırasında, MAV, yörünge uzay aracı veya Mars'a bağlı bir transit aracı ile yeniden bir araya gelmek için kesin bir yörünge takip etmelidir. İletişim gecikmesi (en az 22 dakika boyunca bir tane yol) önkürücü kontrol (zaman zemin kontrolü; araç tamamen bağımsız olmalıdır. GNC sistemleri, sabit ölçüm birimlerinden, yıldız takip edenlere ve muhtemelen yüzeysel kamera kameraları kullanarak güvenilir olmalıdır.

Güç ve Avionik

Prestart işlemleri için güç (örneğin, pervantaj, iletişim, ısıtıcılar) muhtemelen güneş dizilerinden veya küçük bir radyootomi enerji sisteminden gelir. Ascent sırasında, bataryalar pompalar ve kendi kendine özgü mimariler için yüksek bir güç sağlamalıdır. Tüm elektronikler, misyonun tek bir noktasından daha düşük bir radyasyona (en yüksek) ve manyetik olarak yoksun bir ortamdan daha düşük) ihtiyaç duymamalıdır.

Yakıt ve Propulsion Challenges

Pervanant ve Mars'ta üretim yöntemi kritik maliyet ve risk-davırdır. Dünya'dan gelen Hauling perorbitantly pahalıdır; bu nedenle, in-situ kaynak kullanımı (ISRU) insan görevleri için bir zorunluluk olarak kabul edilir.

In-Situ Resource Utilization (ISRU)

Bir MAV için ISRU genellikle Martian toprağı veya atmosferinden su almak, onu elektroliz aracılığıyla hidrojene ve oksijene bölmek ve CO2 atmosferine (Satier reaksiyonu) sahip hidrojeni (Gerekli reaksiyon) birleştirerek, bu methane ve oksijeni üretmek için gereklidir.Bu işlem başarıyla bir ekip için gerekli olan MAVIE cihazı ile çok güvenilir bir şekilde yapılır.

Anahtar konular şunlardır:

  • [FONT:0]Kaynak kullanılabilirliği[DÜT:1]: Su buzu orta seviyede yoğunlaşabilir; sondaj ve ısıtma gerektirir, enerji tüketmektedir.
  • [FONT:0)Process güvenilirlik[[DÜT:1]: Sabatier reaktör ve elektroliz yığını, genişletilmiş dönemler için özerk bir şekilde çalıştırılmalıdır, toz, sıcaklık hızları ve katalizör deaktivasyonu.
  • [FONT:0)Crygen sıvı yönetimi[Dönetici: Katı maküla (-162 °C) ve sıvı oksijen (-183 °C) minimum kaybolarak yüzeyde gelişmiş yalıtım, aktif soğutma (örneğin, kriocoolers) ve sıfır-boiloff teknolojileri.
  • [FONT:0]Contamination[[[Dönetici: 1): Savaş tozu ve topraktaki perchlorates kimyasal süreçlere müdahale edebilir; filtrasyon ve saflaştırma sistemleri sağlam olmalıdır.

Alternatif pervanantlar CO2'den üretilen sadece oksijeni kullanıyor (Dünyadan gelen bir yakıtla, hidrojen gibi), ancak hidrojenin düşük yoğunluk ve kaybolarak zorluklar daha az çekici hale getiriyor. Bazı çalışmalar karbon monoksit ve oksijen kullanılarak incelendi ( CO2 elektrolizden), ancak ISS daha düşük.

Perellant Transfer ve Depolama

Başlangıçta, pervanant, ISRU tesisinden MAV tanklarına aktarılmalıdır. Bu, düşük yerçekimi ve tozlu bir ortamdaki kriyojenik sıvı transferini içerir ve bu da baskıyı korumak için aktif olarak soğutulmalıdır.

Başka bir yaklaşım, Dünya'da zaten yakıtlanan bir MAV'yi önceden kullanmak, ancak bu dramatik olarak kitlesel ve maliyetle aktif olarak artış gösteriyor. Örneğin, tamamen yakıtlı MAV kullanarak değiştirilebilir hipergolic pervanantlar inşa edilebilir, ancak toksisite ve daha düşük performans aynı ücret yükü için daha fazla kütle gerektirecektir.

Güvenlik ve Reddancy

Astronot güvenlik, herhangi bir mürettebattan farklı MAV için en yüksek önceliktir, Dünya'nın aksine, mürettebattan kaçış kuleleri veya abort iniş bölgeleri için altyapı yoktur; Mars'ta bir sürü felaket, araç yeterli pervanant ile güvenli bir şekilde geri dönemeyecek kadar büyük olasılıkla felaket olurdu.

Red dışı Sistemler ve Yanlış Hoşgörü

MAV, kritik alt sistemler için en az bir “fail-işlevsel” mimariye sahip olmalıdır: herhangi bir tek başarısızlık, mürettebatın yörüngeye ulaşmasını engellememelidir.Bu, genellikle yeterince sert veya hibrit motorlarda başarısız olabilecek iki motor içerir, bu daha zor; çift-kırmızı enerji kaynakları ile tek bir motor daha basit ama daha az hatalı olur.

Abort Cap yükümlülükleri

Dünya'da, abort sistemleri (örneğin, Apollo LES veya Orion'un LAS) mürettebatın başarısız bir roketten uzak durmasını sağlamak için çok ince bir hava aracı ve yerçekimi daha düşük, bu yüzden bir roket destekli abort motoru gerektirir. Bazı tasarımları, mürettebatın kapsülü başarısız bir roket kullanarak bir şekilde "birkaç saniye boyunca ateş edebilecekleri bir sonraki aşamaya kadar entegre edebilir" bir şekilde entegre edebilir.

Özerk Sağlık İzleme ve Yanıt

Bir iletişim gecikmesi ile, MAV hata tespit etmeli ve zemin komutlarını beklemeden doğrulayıcı bir eylem almalı.Bu, sağlam bir sensör okuma sistemi için çağrılar (sıcaklar, baskılar, vibrasyon) modellere karşı, makine öğrenme tekniklerinin doğrulayıcı bir şekilde kullanılmasını sağlamak gerekir, ancak ilk insan görevleri için, daha basit bir kural tabanlı hata tespiti ve izolasyon (FDI) büyük olasılıkla kullanılabilir.

Dünya Çevrelerinde Test ve Doğrulama

Bir mürettebatlı MAV Dünya üzerinde kapsamlı bir test gerektirir, ancak Mars'ın düşük yerçekimi, ince atmosfer ve yüzey koşulları son derece zordur.

ZeroG Ascent Simülasyon

Test etmek için en zorlu yön, Mars yerçekimi altındaki gerçek ascent profili (0.38 g) Dünya'da bir test standı kullanarak sadece deniz seviyesindeki basıncı doğrulayabilir, ancak motor Mars atmosferi aracılığıyla yukarı doğru büyük bir basınç görecek.A vakum odası, yüksek vakum makinesi ile kolayca simülasyona ihtiyaç duyulabilir, ancak içine bir roketli bir motorla ateşle bir araya getirilemez.

Operasyonel Okuma

Dünyadaki uzun vadeli depolama testleri - Mars sıcaklıklarını ve toz döngülerini simüle etmek için MAV donanımını açığa çıkartın - yapılar, yalıtım ve elektronik güvenilirliği onaylayabilir. Örneğin, Mars Bilim Laboratuvarının seyir aşaması güç elektronikleri Mars gibi koşullarda test edildi. Ancak, elektrikli su, kriyojeniklerin kombinasyonu ve toz mühendisleri genellikle davranışı tahmin etmek için zor.

Dünya Orbitı'nda Uçuş Testi

Bir alternatif, Dünya yörüngesindeki MAV prototiplerini test etmek, simdi bir Martian yerçekiminden (örneğin, bir altorbital yörüngedeki motorla) test etmek için gerekli olan bir testtir.Astro örneği kampanyasının Ay'da tekrar açılması ve iniş yapmayı planlamaktadır, ancak MAV'nin özel bir test açıklaması açıklandı.

Future Path and International Cooperation

Tek bir ajans veya şirket, tüm MAV zorluklarını tek başına çözemez. Ortaklıklar farklı uzmanlıklardan yararlanmak için yoldadır.

NASA'nın Mars Mimarisi ve MAV Çalışmaları

NASA'nın ilk aşama ve sıvı-o oksiter-solid-yakıtlı hibriti kullanarak, bu tasarım, örnekleme görevi için gerekli performansı elde ederken en az iki aşamalı bir araç üzerinde yoğunlaşmıştır.For humanaka/LOX motorları kullanan daha büyük bir araç, Mars kampanyasının altında incelenir:2İnsan Keşifleri, ikinci aşama için genetik olarak tasarlanmış bir temel kilometrelik bir araç.

SpaceX'in Yıldızı MAV olarak mı?

Elon Musk’ın SpaceX, Starship’in kendisini Mars’ın en büyük aracı olarak kullanmayı teklif etti. Yıldız gemisi büyük (120 tane kuru kütle) ve Mars'ta Dünya'ya geri dönmek için geri çekilmek için yeniden yakıta ihtiyaç duyuyordu. Bu, güçlü bir ISRU bitkisi yüzlerce tonluk ve oksijen üretmesini gerektiriyordu - şu anki kapasitenin ötesinde, ancak bir insan versiyonu büyük ölçüde geniş bir hacim ve mürettebat güvenliği sağlayabilir.

ESA ve Uluslararası Katkılar

Avrupa Uzay Ajansı (ESA), NASA ve ESA arasındaki su çıkarılması gibi, Dünya Return Orbiter (ERO) ile birlikte, arsa örneklerinde de bağımsız çalışmalar yapabilecek şekilde, ISRU teknolojilerinin yanı sıra, NASA ve ESA arasında ortak çalışmalar başlatılmış ve iniş için ortak kavramlar üretmiştir.

Gelişen Teknolojiler

Birkaç gelişmekte olan teknoloji MAV zorluklarını hafifletebilir:

  • [FONT:0)Eksitif üretim[[DDD][D][D][B][/TRNT=0)) {0}|Ekser üretim[D][D baskı motor bileşenleri (örneğin, enjekteatörler, yanma odaları) Mars'ta parça sayılabilir ve en-situ onarımları için baskılı bakır alaşımları test edebilir.
  • [FONT:0) İleri termal koruma[[Dönetici:0)[[Dönetici:0) İleride termal koruma[[Dönetici:0)[Dönetici: Esnek aeroshells (e.g., Hypersonicidge Decelerator) MAV'yi ascent'dan önce yavaşlatmak için kullanılabilir, ancak karmaşıklık ekler.
  • [FONT:0) yörünge yükseltilmeye yönelik elektrik tahriki[Dönetici: Encent için uygun olmasa da, elektrikli itkiler, yörüngeye ulaştıktan sonra MAV'nin ikinci aşaması için kullanılabilirdi, ancak mürettebat için yüksek itme ihtiyacı vardı.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

İnsan misyonları için Mars Ascent aracı, çok boyutlu bir meydan okumadır, bu da propulsion, malzeme, özerklik ve gezegensel operasyonlar yoluyla baskı yapmak için çok yönlü bir araçtır. Güvenlik sistemleri, küresel ısınma, toz fırtınaları ve düşük yerçekimi için çok boyutlu bir meydan okumadır - motor tasarımı, termal kontrol ve ISRU aracılığıyla yakıt üretimine yardımcı olmak için yenilikçi çözümlere ihtiyaç duyar.

Yol sürekli olarak, artımlı ilerlemelerde yatıyor: ISRU teknolojileri, Mars ile ilgili koşullarda prototip motorlar inşa etmek ve test etmek ve araç performansını ispatlamak için geri dönüş görevleri yürütmek.Uluslararası işbirliği ve ticari ortaklıklar bu sefer hızlandırılabilirken, diğer dünyadan insanları başlatmak için bir başka dünyadan gelen zorluklar güçlü bir yenilik sürücüsüdür - sonuçta Mars'ta sürdürülebilir bir insan varlığını sağlayacak.