Экспедиция на Марс

Базз Олдрин недавно повторил в Сенате США, что НАСА должно отправить людей на Марс, но также предупредил, что США могут обогнать другие страны в гонке за Красную планету. Но он сказал сенаторам нечто большее.

Предлагаемые проекты марсианских миссий

Дас Марспроект — Первый проект Вернера фон Брауна в 1952 году, экипаж из 70 человек на борту десяти гигантских кораблей, должен был совершить трехлетнее путешествие на Марс.

МПК — Первый советский проект, 1956-1957 гг.

Марсианская экспедиция — Модификация конструкции фон Брауна от 1956 года. Два корабля вмещают всего двенадцать человек, а вес кораблей уменьшен вдвое.

Марс Директ — Проект описан в книге «The Case For Mars». Новаторской идеей было использование установки для производства топлива из марсианских ресурсов.

Полупрямой Марс — Модифицированная НАСА версия проекта Mars Direct. Проект включает в себя отправку в первую очередь корабля для возвращения на Землю (ERV) и орбитального аппарата. ERV приземлится в подготовленном месте на Марсе и начнет производить топливо из имеющихся на поверхности веществ. Через несколько месяцев для следующих экспедиций будет запущено правильное судно с экипажем и второй ERV с орбитальным аппаратом.

Спускаемый аппарат приземлится рядом с первым ERV, а экипажу предстоит провести исследования и заложить фундамент для строительства будущей базы. Через некоторое время рядом с базой должен приземлиться и второй ERV.

На обратном пути первый ERV выйдет на орбиту орбитального аппарата и начнет полет к Земле. Через соответствующие промежутки времени будет отправлено больше спускаемых аппаратов, которые астронавты объединят в жилой и производственный комплекс.

Эталонная миссия дизайна — Очередные версии, созданные НАСА на основе проекта Mars Direct в конце 90-х. Было три версии, отмеченные символами 1.0 (1994 г.), 3.0 (1997 г.) и 4.0 (1998 г.).

Эталонная архитектура проекта 5.0 — В другой концепции пилотируемой миссии на Марс, раскрытой NASA в 2007 году, предлагалось использовать шесть ракет Ares V и одну ракету Ares I. Первая ракета летит с обитаемым модулем (жилым модулем), вторая ракета летит с Модуль EDS (Earth Departure Stage) и топливо, необходимые для отправки первого на Марс. Обе ракеты объединяются на низкой околоземной орбите.

Третья ракета летит с посадочным модулем, который служит только для перемещения экипажа с марсианской орбиты на поверхность планеты и обратно. Четвертая ракета содержит модуль ЭДС и топливо для отправки третьей на орбиту вокруг Марарса. Затем следует 26-месячный перерыв.

Затем летит пятая ракета с Mars Transfer Vehicle (MTV), а шестая с модулем EDS и топливом для отправки пятой на Марс. Наконец, летит седьмая, последняя ракета, с экипажем — «Арес I». Они соединяются на низкой орбите вокруг Земли и около 200 дней летят в сторону Красной планеты.

На марарсианской орбите экипаж пересаживается на посадочный модуль, который там ждет и уходит на орбиту MTV, приземляясь возле Хабитат. Экипаж остается на поверхности около 500 дней, после чего тот же посадочный модуль вылетает на орбиту, где пересаживается на МТВ, который снова возвращается на Землю через 200 дней пути.

1. Сценарий проекта освоения космоса, нацеленного на полет на Марс

А именно, что Америка должна смириться с тем, что ее посланники из такой миссии могут не вернуться, что означало бы создание там постоянной земной колонии.

В 2004 году президент США Джордж Буш-младший после многолетнего перерыва вновь активизировал план освоения человеком космоса.

Предполагала повторную отправку людей на Луну и предполагала возможность пересылки в далеком будущем. человек на Марс. В 2010 году другой президент, Барак Обама, изложил новое видение.

Согласно ему, однако, Америка должна была отказаться от полета на Луну в пользу полета на астероид, затем на орбиту Марса и, наконец, на Красную планету, возможно, примерно в 2040 году.

При этом Европейское космическое агентство (ЕКА) планирует отправить человека на Марс примерно в 2030 году. В свою очередь, в 2010 году в России стартовал проект МАРС-500, имитирующий условия длительной изоляции и работы экипажа на Земле. .

Для него были отобраны шесть добровольцев, которые провели в изоляции 520 дней. Все вместе звучит просто путь на Марс в течение следующих двух-трех десятилетий. Однако в июне 2014 года совет Национального исследовательского совета США в своем отчете о возможностях НАСА пришел к выводу, что при нынешних политических и финансовых ограничениях достичь Марса одной стране будет сложно.

В NRC даже предложили для реализации марсианской миссии не конкурировать с Китаем, а наладить с ними сотрудничество. НАСА совместно с ЕКА и рядом стран-лидеров космических технологий готовит международные глобальные стратегии освоения космоса. Вместе они образуют Международную координационную группу космических исследований (ISECG).

Однако само НАСА разработало множество вариантов и идей для марсианские миссии. Сценарий, разработанный ISECG (1), поэтому следует рассматривать как рамочный — на практике, в случае его реализации, пилотируемая экспедиция на Красную планету может отличаться от отдельных пунктов.

2. Экспедиция на Марс — видение

Хроническая нехватка денег

С сентября 2010 года НАСА реализует программу «Гибкий путь», цель которой — достичь поверхности Марса. Эта программа была создана «на руинах» программы «Созвездие», реализованной в 2004-2010 годах, отмененной из-за технических и финансовых проблем (НАСА так и не получило предполагаемых средств).

Согласно плану «Гибкий путь», человек должен высадиться на Красной планете примерно в 2040 году. До этого будет серия все более сложных пилотируемых миссий, которые позволят создать технологический потенциал для марсианской экспедиции.

Гибкий путь работает уже почти четыре года. Однако он сталкивается с финансовыми трудностями, и многие из его конкретных целей четко не определены. В настоящее время известны только общие цели программы. Однако первые конкретные исследования, связанные с подготовкой к комплектованию, проводятся экспедиции на Марс.

Например, прибор для измерения уровня радиации на поверхности планеты разместили на борту беспилотной миссии «Марсианская научная лаборатория». Чтобы путешествие на Марс стало реальностью, нужно завершить множество других проектов.

Головоломка состоит из различных, иногда не связанных напрямую Марсианская миссияпредметы (2). К ним относится, например, продление пребывания Международной космической станции (МКС) на орбите как минимум до 2024 года (а считается еще четыре года).

Следующие блоки в этой головоломке — испытания капсулы беспилотного экипажа «Орион». Первый уже состоялся в декабре 2014 года. Второй намечен на конец 2017 года (он же станет первым испытанием новой ракеты SLS).

3. Одно из видений захвата астероида

Первая пилотируемая миссия «Ориона» за пределы низкой околоземной орбиты должна состояться до 2021 года. НАСА постулирует, что ее целью должен стать астероид (Asteroid Redirect Mission — ARM), который беспилотная экспедиция ранее должна была доставить на Луну (3).

Не все с энтузиазмом относятся к элементам гибкого пути. Основные претензии — необходимость построить дорогую ракету SLS и дороговизна проекта.

НАСА получает один и тот же бюджет каждый год. В его рамках сложно осуществить такое амбициозное начинание, как экспедиция на другую планету.

Вышеупомянутый Национальный исследовательский совет также сравнил возможности поддержки исследований NASA с помощью ракет SLS и Falcon Heavy от SpaceX. Оба были оценены как способные поддерживать разведку и возможные для строительства с использованием современных технологий. Финансовые соображения против SLS.

Следует, однако, признать, что Falcon Heavy имеет меньшую грузоподъемность, что означает необходимость выполнения большего количества взлетов и «разделения» поднимаемого оборудования на более мелкие элементы, а это вносит риск задержек взлетов и весь график полетов.

Сначала астероид и припасы

Эллен Стофан, глава исследовательской группы НАСА, несколько месяцев назад в интервью NewScientist признала, что полет на Марс пока неосуществим, но станет возможен в 30-х годах. Ключом к успеху такого проекта станет другой проект NASA — вышеупомянутая Asteroid Redirect Mission, хотя не для всех она имеет очевидную связь с пилотируемой экспедицией на Красную планету.

американцы всерьез твердят, что сложно представить астероид без перехвата и вывода его на лунную орбиту полет людей на марс. Благодаря перехвату космической скалы будет испытана двигательная технология, основанная на получении электроэнергии от солнечных элементов (СЭП).

Энергия, полученная от солнечных батарей, должна использоваться для создания сильных электромагнитных полей в ионном двигателе. Такое решение позволяет существенно сэкономить, ведь в случае с более традиционными твердотопливными ракетными двигателями кораблю пришлось бы брать с собой большой запас топлива.

Это метод, обеспечивающий меньшую скорость, чем у мощных ракет, но гораздо более эффективный. Идея состоит в том, чтобы проверить это на действительно тяжелой полезной нагрузке, которая может быть просто небольшим астероидом.

К концу 2014 года НАСА должно было решить, захочет ли оно использовать систему, которая «накроет» астероид выдвижным листом, или, скорее, прикрепит его роботизированной рукой к судну-буксировщику (в последнем случае, объект гораздо большего размера может быть вытянут).

Более поздняя пилотируемая миссия состыковала бы астероид с помощью уже примыкающего к нему космического корабля ARM и могла бы исследовать поверхность астероида. Однако в декабре агентство отложило решение.

Дизайнер миссия на Марс они предполагают, что сначала на эту планету будут отправлены припасы, а затем как можно быстрее прибудут астронавты. Грузы, доставленные на Марс, будь то для миссии или даже для гипотетических колонистов, должны будут благополучно приземлиться.

У нас пока нет готовой технологии, которая позволила бы безопасно приземлиться на Марс такими большими массами, т.е. как запасов и инфраструктуры, ожидающих марсонавтов на поверхности, так и пилотируемого посадочного модуля.

Атмосфера этой планеты очень тонкая по сравнению с земной, и вам придется тормозить на очень высоких скоростях. Беспилотные спуски на поверхность этой планеты на сегодняшний день доказали, что это чрезвычайно сложная задача.

Созданная НАСА летающая тарелка, полное английское название которой — Low Density Supersonic Decelerator (LDSD), должна замедлять падающую в атмосферу капсулу «всего» до двухкратной скорости звука благодаря XNUMX-метровому парашюту.

Концепция LDSD заключается в обеспечении возможности транспортировки и безопасного сброса на поверхность Марса грузы до 100 тонн. В прошлом году транспортная тарелка была испытана на военно-морской базе в Кауаи, Гавайи (4).

4. Фото с испытаний сверхзвукового замедлителя низкой плотности.

Живите и путешествуйте в среде обитания

Ни одна из предпринятых до сих пор космических миссий не может сравниться с проектом путешествия на Марс. В первую очередь, это не несколько недель, а целых несколько лет в космосе! Не получится быстро отказаться от миссии и вернуться на Землю, если что-то пойдет не так.

По пути придется устранять дефекты, в том числе касающиеся людей, такие как раны и болезни. Даже приступ аппендицита в дороге мог стать смертным приговором. Кроме того, приходится учитывать все психологические нагрузки, связанные с проживанием и работой в замкнутом пространстве, вдали от родной планеты в течение многих лет.

Корабль Орион не может в одиночку лететь на Марс. Он был разработан для миссий продолжительностью до 21 дня. Путешествие на поверхность Луны будет возможно только после постройки соответствующего посадочного модуля. Чтобы отправиться дальше, на встречу с астероидами или на Марс, нужен туристический корабль (среда обитания), в котором астронавты могли бы жить много месяцев.

Поездка на Красную планету в основном потребует использования небольшой космической станции, чтобы обеспечить экипаж всеми необходимыми ресурсами. Есть несколько вариантов решения этой проблемы. Один из них представляет собой складной космический модуль, разработанный Bigelow Aerospace.

Его бы нести в космос в упакованном виде, а потом «прокачивать» уже на орбите, что позволило бы космонавтам иметь действительно просторные помещения для жизни и работы (5). В декабре 2012 года НАСА подписало контракт на 17,8 млн долларов на производство испытательного модуля.

5. Космический корабль с надувным модулем — визуализация

Известный как Bigelow Expandable Activity Module (BEAM), он должен быть подключен к Международной космической станции в этом году и в течение двух лет испытываться на герметичность, устойчивость к радиации и перепадам температуры.

Радиация — главная угроза для астронавтов, отправляющихся на Марс.

В межпланетном пространстве постоянно дует сильный солнечный ветер радиации. Кроме того, до него доходит излучение из-за пределов Солнечной системы.

Его уровень был измерен марсоходом Curiosity во время его путешествие на Марс в 2012 году., что давало представление о том, что люди могут испытать во время возможной поездки.

К сожалению, результаты измерений не оптимистичны. Во время восьмимесячного путешествия к Красной планете марсоход измерил количество столкнувшихся с ней высокоэнергетических частиц. Детектор радиационной оценки (RAD) был включен на протяжении большей части маршрута и измерял интенсивность высокоэнергетических частиц, в основном протонов, попадающих в капсулу с марсоходом.

Каждый день внутрь капсулы проникало 1,84 миллизиверта радиации. Это означает, что космонавты получат дозы радиации, во много раз превышающие норму, при путешествии на Марс, пребывании на этой планете и возвращении.

Они грозили смельчакам раком, слепотой и расстройствами нервной системы. Также есть проблема с микрогравитацией. Наши мышцы начинают терять массу без земной тяги, с которой они постоянно борются.

Позвоночник космонавтов в таких аномальных условиях удлиняется, причиняя боль и вызывая возможность разрыва дисков, когда организмы возвращаются к нормальной гравитации. Такая опасность возникла бы и на Марсе, хотя притяжение там всего на 38 процентов земное.

Астронавт Андреас Могенсен, который будет отправлен Европейским космическим агентством (ЕКА) на МКС в этом году, будет одет в облегающий костюм, который, как надеются эксперты, предотвратит некоторые эффекты микрогравитации.

Если идея сработает, решение может помочь астронавтам добраться до Марса в лучшей форме, чтобы они могли сразу приступить к запланированной работе, не проходя там реабилитацию.

НАСА тоже решило подготовить участников Марсианская миссия компании в виде человекоподобных роботов, способных собирать кровь, проводить сердечно-легочную реанимацию и даже операции.

Ведутся работы по совершенствованию конструкции человекоподобного робота Robonaut 2. Его первоначальный вариант был первым человекоподобным роботом в космосе — в 2011 году вместе с миссией STS-133 он находился на Международной космической станции.

НАСА также принимало участие в исследованиях управляется SpaceWorks Enterprises в состоянии, известном как оцепенение. Это состояние контролируемого снижения температуры тела у теплокровных животных. Затем работа организма замедляется.

Оцепенение включает, среди прочего, летучие мыши и маленькие птицы. Обычно она длится от нескольких часов до нескольких дней. Для него характерна более низкая степень замедления обмена веществ, чем для гибернации. Американцы хотят проверить, можно ли безопасно вводить людей в оцепенение продолжительностью более 180 дней.

Основы техники известны. Врачи могут делать пациентам гипотермию в терапевтических целях. Используемые в этом процессе специализированные устройства могут ввести человека в оцепенение на несколько часов — это удавалось делать максимум на неделю.

Вам все равно придется следить за спящими космонавтами. Поэтому необходимо разработать метод мониторинга в режиме реального времени с возможностью корректировки оцепенения и пробуждения космонавта при необходимости.

С современными технологиями путешествие на Красную планету займет не менее полугода. За это время астронавтов нужно будет обеспечить едой, водой, развлечениями и энергией для систем выживания внутри космического корабля.

Если бы, однако, путешественников можно было погрузить в состояние глубокого сна, они не нуждались бы в развлечениях, а их потребности в воде и пище значительно сократились бы. Вы также можете уменьшить количество энергии, которую они используют.

6. Видение марсианской базы

Шпинат для Марса

Технология 3D-печати — еще одно решение, которое может пригодиться во время пилотируемого полета на Марс. Первые испытания устройства XNUMXD-печати Made in Space уже прошли на борту МКС. Созданные астронавтами инструменты и запасные части возвращены на Землю для проверки.

НАСА поддерживает технологию 3D-печати еще и потому, что она позволяет построить базу на другой планете с помощью запрограммированных роботов. В настоящее время НАСА финансирует Университет Южной Калифорнии, который разрабатывает метод под названием Contour Crafting.

7. Марсианская мини-теплица – визуализация

Предполагается, что дома будут построены в течение 24 часов. Разработанная система будет отлично работать. Подвижная рука должна быть оснащена дозатором строительного материала, то есть бетона или, например, грунта с поверхности Марса.

Техника заключается в наслоении строительного материала, из которого должны формироваться стены здания, по заранее определенному проекту.

Выходит, вы тоже думаете об использовании энергетического потенциала всего, что… остается после метаболизма человека. Ученые предлагают использовать экскременты для производства ракетного топлива.

В специализированном журнале Advances in Space Research ученые из Университета Флориды сообщают, что им удалось разработать метод преобразования биогаза в топливо для ракетных двигателей. НАСА предоставило им нужное количество отходов (химически синтезированных), которые могут образоваться при более длительном пребывании в космосе астронавтов.

Были также пищевые отходы, грязное белье и т. д. Ученые Абхишек Дхобле и Пратап Пулламманаппаллил исследовали, сколько из него можно получить метана. Этот газ некоторое время рассматривался как альтернатива водороду в ракетных двигателях — ракетный двигатель SpaceX Raptor должен использовать метан и жидкий кислород.

Процесс анаэробного сбраживания, разработанный обоими учеными, позволял получать в среднем 290 литров метана на члена экипажа в неделю. Кроме того, их система производит 750 литров воды, хотя и не питьевой, но которую можно разложить электролизом на водород и кислород — оба газа наверняка пригодятся в космических путешествиях.

Биогаз можно использовать, например, для обогрева каркасов, в которых будет расти еда. марсонавтов — жители базы на этой планете (6) или возможные колонисты. Таких, как мини-теплица (7), победившая в международном конкурсе проектов «космического приложения», организованном НАСА.

Система, разработанная группой студентов, называется «Попай на Марсе» (Popeye on Mars). Его задача — выращивать небольшие урожаи шпината, которые съели бы первые колонисты. Попай, кроме пищи, должен производить — очевидно, учитывая природу фотосинтеза — еще и кислород для марсонавтов.