XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Марсианская орбитальная станция
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Полеты на Марс сегодня достаточно заманчивы и не всегда успешны. Сверхдержавы пытаются решить проблему освоения космоса. Об исследовательской экспедиции к Марсу мечтал и Сергей Королёв. Главный конструктор космических аппаратов, ещё в зародыше космической эры человечества, уже мечтал о покорении Марса. Желая поскорее запустить мечту в жизнь, он даже построил прототип модуля марсианского корабля. Согласно разработанной в РКК «Энергия концепции развития российской пилотируемой космонавтики на 2006-2030 годы, предусматривается поэтапное создание промышленной транспортной космической системы, освоение околоземного пространства, Луны и полёты на Марс. Марс рассматривается как запасная база, как сырьевая база, исследовательская база. Марс интересен всем.
Марсианская орбитальная станция представляет собой модульную конструкцию и включает спускаемый аппарат, который позволит совершать миссии на поверхность Красной планеты длительностью до нескольких недель. Основная цель — изучение атмосферы Марса, состава, динамики, свойств. Эти данные помогут ученым понять, как изменялась атмосфера Марса в прошлом, и каково ее будущее.
В последнее время взгляды человечества вновь устремились к звёздам. Россия, Китай и США разрабатывают программы пилотируемого полёта на Марс с целью его исследования и дальнейшего освоения. Согласно разработанной в РКК «Энергия концепции развития российской пилотируемой космонавтики на 2006-2030 годы, предусматривается поэтапное создание промышленной транспортной космической системы, освоение околоземного пространства, Луны и полёты на Марс.
Марс рассматривается как запасная база, как сырьевая база, исследовательская база. Марс интересен всем.
В качестве целей колонизации Марса называются следующие:
Главный вопрос «Как же добраться до Красной планеты?» давно заменяется на вопрос «Как замарситься?». Меня очень заинтересовал данный вопрос, я попробую разобраться в проблеме в своей работе.
Цель: создать макет марсианской орбитальной станции (МОС), который сможет остаться на орбите и осуществлять полеты на Марс и осуществлять различные исследовательские разведывательные операции.
Задачи:
Проанализировать и обобщить информацию по теме «Экспедиция на Марс»
Определить требования к МОС для сообщения между Марсом и Землёй.
Разработать основные системы МОС.
Выполнить чертёж марсианской орбитальной станции.
Сделать макет МОС.
Выполнить электронную презентацию
Проектный продукт: макет марсианской орбитальной станции, выполненный по разработанному чертежу; электронная презентация
Методы исследования: анализ литературных источников, просмотр фильмов, изучение чертежей и рисунков.
Теоретическая часть
Общие положения
Орби́та (от лат. orbita «колея, дорога, путь») — траектория движения материальной точки в наперёд заданной системе пространственных координат для заданной в этих координатах конфигурации поля сил, которые на неё действуют. Термин был введён Иоганном Кеплером в книге «Новая астрономия» (1609)[1].
Орбитальная станция (ОС) — космический аппарат, предназначенный для долговременного пребывания людей на околопланетной орбите с целью проведения научных исследований в условиях космического пространства, разведки, наблюдений за поверхностью и атмосферой планеты, астрономических наблюдений и т. п. Марсианская орбитальная станция представляет собой модульную конструкцию и включает спускаемый аппарат, который позволит совершать миссии на поверхность Красной планеты длительностью до нескольких недель.
«Мир» — советско-российская пилотируемая научно-исследовательская орбитальная станция, функционировавшая в околоземном космическом пространстве с 20 февраля 1986 года по 23 марта 2001 года[1]. Базовый блок был выведен на орбиту ракетой-носителем Протон[2]. Первая многомодульная обитаемая орбитальная станция[3]. Спроектирована «НПО Энергия». В состав станции входили следующие модули: Базовый блок, «Квант-1», «Квант-2», «Кристалл», «Спектр», Стыковочный модуль, «Природа», Основой для модулей послужили станции серии «Салют» и космические корабли «ТКС». Станция была обитаема с 13 марта 1986 года по 16 июня 2000 года. Обслуживалась кораблями серий «Союз» и «Прогресс». Провела 5511 суток на орбите Земли, из них 4594 дня была обитаема, совершив 86 331 оборот вокруг планеты.[6] За время существования станции на ней было проведено более 23000 экспериментов, поставлены два рекорда продолжительности пребывания в космосе Валерием Поляковым и Шеннон Лусид. На станции побывали 104 космонавта из 12 стран в составе 28 экспедиций. В открытый космос вышли 29 космонавтов и 6 астронавтов. Были произведены первые эксперименты над растениями.[5]
Орбитальная станция «Мир» была затоплена на «ККК» в Тихом океане 23 марта 2001 года по причине устаревания оборудования и недостатка финансовых средств на её поддержание.[4] Станция появляется в ряде фантастических фильмов и мультфильмов, таких как кинофильм «Вирус», «Армагеддон», «Железное небо» и телевизионный мультипликационный сериал «Южный парк». 9 мая 2001 года в честь станции «Мир» астероиду, открытому 20 августа 1990 года бельгийским астрономом Эриком Вальтером Эльстом в Европейской южной обсерватории, присвоено наименование 11881 Mirstation[4].
Ракетно-космическая корпорация (РКК) "Энергия" разработала проект пилотируемого полета на Марс. Возможен и промежуточный, более подходящий для нынешних экономических условий России вариант - экспедиция к Марсу, которую можно осуществить уже в ближайшие десять лет. Назовем его условно МАРПОСТ (Марсианская пилотируемая орбитальная станция). МАРПОСТ, общей массой около 400 тонн, будет состоять из нескольких основных элементов - обитаемого отсека, двигательной установки, солнечных батарей и спускаемого автоматического аппарата. Последний доставит на борт станции, находящейся на орбите Марса, образцы марсианской почвы. Все эти элементы будут выведены на околоземную орбиту четырьмя тяжелыми ракетами-носителями типа "Энергия", которая была успешно испытана конце 1980-х годов. Длительность полета МАРПОСТ (два с лишним года с учетом времени на орбите Красной планеты) и удаленность комплекса от Земли предполагают максимальную надежность его двигательной установки, прототип которой уже разработан в России и успешно используется на спутниках связи. Это так называемый электрореактивный двигатель, который развивает тягу за счет выбрасывания из своего сопла частиц газа (ксенона), заряженных в электростатическом поле. МАРПОСТ будет использовать несколько сотен таких относительно небольших, связанных в соты, двигателей, что еще больше повысит надежность комплекса.
Орбитальная станция MAVEN заняла свою позицию на орбите Красной Планеты совсем недавно. Полет станции к Марсу и выход на орбиту широко освещался в различных СМИ, но вот работа аппарата особо не освещалась. А после того, как MAVEN вышел на расчетную орбиту, СМИ так и вовсе забыли об этой станции.
Чем же занимается устройство сейчас, каковы его цели и задачи? Данные, пересылаемые устройством на Землю, дополняют данными, которые присылает Curiosity. В то время, как марсоход, изучая горные породы, может определить время, когда происходили те либо иные изменения в атмосфере, MAVEN помогает выяснить, какие процессы привели к таким изменениям. В настоящее время MAVEN находится в ионосфере Марса, анализируя свойства заряженных частиц во внешнем слое атмосферы Красной планеты. Данные, присланные орбитальной станцией на землю, уже помогли ученым понять, что заряженные частицы не нейтрализуются атмосферой. Часто потоки частиц проникают в атмосферу, достигая нижних слоев. Высокоэнергетические частицы, «солнечный ветер», проникая в нижние слои атмосферы Марса, взаимодействуют с частицами атмосферы, способствуя тому, что эти частицы уходят за пределы Марса, в космос.
Информация уже подтверждена инструментом Solar Wind Ion Analyzer (SWIA). Всего на MAVEN восемь научных инструментов, и все они загружены работой. SWIA и STATIC позволяют определить характеристики вещества, проникающего в атмосферу Марса, а также определить, какие элементы покидают атмосферу Марса. STATIC определяет, сколько вещества уходит за пределы планеты. Скорее всего, именно потоки «солнечного ветра» являются основной (хотя и не единственной) причиной утраты Марсом своей атмосферы. Еще одна причина — это отсутствие магнитного поля у Марса. Поэтому высокоэнергетическим частицам намного легче проникать в атмосферу планеты — препятствий практически нет. Ну, и меньший, чем у Земли, размер Марса способствует уходу атмосферы планеты в космос. Размер Красной Планеты — еще один из важных факторов таких значительных потерь. MAVEN продолжает изучать процесс изменения атмосферы Марса, с тем, чтобы спрогнозировать дальнейшую динамику.
Компания Lockheed Martin представила проект марсианской орбитальной станции Mars Base Camp, о чем представители фирмы рассказали в рамках мероприятия IAC2017 (International Astronautical Congress). В качестве топлива для спускаемого аппарата планируется использовать водород и кислород, добываемые на поверхности Марса путем электролиза воды. Lockheed Martin является одним из основных партнеров NASA в рамках проекта строительства лунной орбитальной станции и лунно-марсианского корабля Orion.
В отличие от плана SpaceX, компания Lockheed Martin представляет базовый лагерь как орбитальную станцию с постоянным присутствием человека. Именно отсюда астронавты будут проводить научные исследования, временами спускаясь на поверхность планеты с исследовательскими целями.
Что такое марсианская орбитальная станция? Марсианская орбитальная станция – это станция, которая будет находиться на орбите Марса.
Следующий вопрос, который навязывается сам – это зачем нам надо именно на орбиту Марс, а не на сам Марс? Если лететь на саму планету Марс то если даже приземление произойдёт благополучно, то с взлётом будет тяжело. Но если быть на орбите, то будет гораздо легче взлететь.
Основная цель — изучение атмосферы Марса, состава, динамики, свойств. Эти данные помогут ученым понять, как изменялась атмосфера Марса в прошлом, и каково ее будущее.
Что такое марсианская орбитальная станция? Марсианская орбитальная станция – это станция, которая будет находиться на орбите Марса.
Следующий вопрос, который навязывается сам – это зачем нам надо именно на орбиту Марс, а не на сам Марс? Если лететь на саму планету Марс то если даже приземление произойдёт благополучно, то с взлётом будет тяжело. Но если быть на орбите, то будет гораздо легче взлететь.
Основная цель — изучение атмосферы Марса, состава, динамики, свойств. Эти данные помогут ученым понять, как изменялась атмосфера Марса в прошлом, и каково ее будущее.
Рис.1 Проект Mars One МОС
Почему я выбрал Марс? Марс самая близкая планета пригодная для жизни.
Полёт должен быть быстрым, управляемым, полезным и удобным.
Быстрый полёт позволяет уменьшить запасы пищи, воды и кислорода на борту, либо увеличить продолжительность работы на Марсе при тех же запасах. Также снижаются требования к условиям обитания экипажа во время полёта.
Управляемый полёт позволит исправить траекторию в случае отклонения от цели или вернуться при отказе от полёта.
Полезность полёта определяется количеством перевезённого груза. Строительство и обслуживание базы на начальном этапе потребует много материалов. В дальнейшем освоение планет должно сопровождаться взаимовыгодным товарообменом с Землёй. Поэтому грузоподъёмность космического корабля является важным показателем.
Удобство экипажа и пассажиров определяется объёмом корабля – чем больше объём, тем удобнее.
На современных космических кораблях выполнить такой полёт не представляется возможным. Химические двигатели расходуют огромное количество топлива, которое занимает место груза. Отказаться от управляемости нельзя, так как это приводит к неотвратимой гибели экспедиции. Таким образом, увеличивается продолжительность полёта с уменьшением запаса топлива или снижается полезная нагрузка. Условия обитания, приемлемые для длительного полёта удалось обеспечить только на орбитальных станциях (Салют, Мир, МКС, Скайлэб, Тяньгун), которые по своим размерам больше, чем существующие транспортные корабли.
Следовательно, для полёта к Марсу нам потребуется совершенно новый корабль. Попробуем построить!
1.2. Требования к марсиальной орбитальной станции
Я буду опираться на следующую свою мысль: космические путешествия вследствие своей продолжительности более похожи на плавание в океане, чем на полёты. Поэтому космические корабли должны быть более похожи на морские суда, чем на самолёты.
Сначала определимся с требованиями:
Полёт должен быть пилотируемым – при управлении с Земли задержка управления (то есть время от возникновения сигнала на датчике до получения команды исполнительным механизмом) составит от 6 до 20 минут, а все ситуации предусмотреть и запрограммировать в бортовом компьютере невозможно.
Полёт должен производиться с наибольшей скоростью. Лучше всего с постоянным ускорением.
Корабль должен вернуться – иначе теряется смысл полётов.
Корабль должен выдержать много полётов.
Отказ главной энергетической установки не должен приводить к гибели корабля.
Повреждение наружной обшивки не должно приводить к выходу корабля из строя и не должно приводить к разгерметизации обитаемых отсеков.
Гибель корабля не должна приводить к неизбежной гибели экипажа.
Орбитальная станция должна содержать следующие модули: три корабля (один как экспедиционный модуль, второй как центр управления, три как живой модуль), баки с топливом (одновременно служат защитой экипажа от радиации), научная лаборатория, солнечные панели, радиаторы для охлаждения, криогенная двигательная установка (используется для транспорта от Луны до Марса и экспедиций вокруг Деймоса и Фобоса).
1.3. Общие решения
Для МОС планета – это берег для морского. Морские корабли живут в море и на берег обычно не выходят. Поэтому и наш корабль не будет садиться на поверхность планеты.
Отказ от посадки и взлёта с поверхности даёт сразу несколько преимуществ:
позволяет снизить требования к тяге двигателя, так как преодолевать силу тяготения не требуется;
нет необходимости придавать кораблю аэродинамические формы, так как исключаются нагрузки от сопротивления атмосферы; не требуется тепловая защита, которая на «Буране» и «Space Shuttle» составляла около 10% массы;
не нужно шасси или иная конструкция для опоры корабля при нахождении на поверхности планеты.
Сэкономленный вес используем для устройства противорадиационной и противометеоритной защиты.
Поскольку на разработку новых технических устройств требуются значительные материальные, человеческие и временные ресурсы, будем стараться применять уже отработанные решения для работы в космосе.
1.4. Главная энергетическая установка
Двигатель МОС определит его возможности, форму, размеры, размещение устройств. Поэтому начнём нашу работу с выбора двигательной установки. Согласно имеющимся у нас знаниям, в космосе могут быть использованы только реактивные двигатели. В настоящее время наиболее отработанными являются химические и электрореактивные двигатели.
Работа химических двигателей основана на сжигании топлива. Горение – это самоподдерживающаяся реакция двух веществ, сопровождающаяся выделением тепла. Одно вещество называется топливом, а второе – окислителем. На Земле окислителем выступает окружающий воздух. Точнее, кислород, содержащийся в нём. А топливом керосин. Химические двигатели позволяют взлететь с Земли благодаря своей большой тяге. Но из-за низкой скорости истечения газов (3-5 км/с) требуют большого расхода топлива. К тому же в космосе приходится возить с собой ещё и окислитель. Химическая ракета представляет собой огромный топливный бак, на разгон которого и расходуется большая часть топлива. Поскольку большая тяга в космосе не нужна, химический двигатель мы применим только в крайнем случае.
В электрореактивном (ионном) двигателе частицы вещества разгоняются электрическим полем до скорости 30-50 км/с, поэтому такой двигатель гораздо экономичнее химического. Недостатками ионного двигателя являются малая тяга и потребность в источнике электроэнергии. Основным источником электроэнергии в космосе являются солнечные батареи. Их малая мощность ограничивала область применения ионных двигателей коррекцией орбиты спутников. Но применение атомного реактора в качестве источника электроэнергии позволяет использовать такой двигатель в качестве маршевого для космического корабля. Экономичность ионного двигателя позволяет выполнять полёт с работающим двигателем: половину полёта разгоняться, а вторую половину тормозить. Таким образом, увеличивается скорость, а на корабле появляется сила тяжести.
Ещё более перспективным выглядит прямоточный ядерный двигатель, в котором вещество разогревается непосредственно в рабочей зоне атомного реактора. Таким образом, сочетаются тяга химического двигателя и экономичность ионного. Но пока нет ни одного двигателя этого типа.
Из рассмотренных типов двигателей нам наиболее подходит ионный двигатель с ядерным реактором в качестве источника электроэнергии. Ядерная энергодвигательная установка мегаваттного класса (ЯЭДУ) – разрабатывается группой предприятий, входящих в состав «Роскосмоса» и «Росатома» [3]. Она состоит из ядерной энергетической установки диметром около 2 метров и длиной 4 метра и четырёх блоков по 6 ионных двигателей диаметром 500 миллиметров в каждом.
Двигательная установка будет состоять из нескольких поворотных двигателей. В зависимости от взаимного расположения и мощности они играют роль маршевых двигателей или двигателей ориентации. Для защиты экипажа от радиации реактор следует удалить на наибольшее расстояние и применить экраны, поглощающие радиоактивное излучение [7].
1.5. Корпус
Начнём с того, что МОС должен быть достаточно большим для размещения на нём полезной нагрузки: транспортных средств, средств жизнеобеспечения, защиты и спасения экипажа, лабораторных экспозиций, а впоследствии и просто грузов.
Из открытых источников [4] известно, что ориентировочная масса корабля для полёта к Марсу составит 500-600 тонн. Аналогичную массу (около 470 тонн) в настоящее время имеет МКС. Принимаем для нашего МОС массу 500 тонн. МОС не будет пробивать плотную атмосферу планет, поэтому ему не требуется обтекаемая форма. Форма корпуса должна быть близка к цилиндру, так как в этом случае обеспечивается наилучшая поворотливость корабля вокруг собственных осей.
Шар не является наилучшей формой. При постройке сложно подогнать друг к другу криволинейные поверхности, а при заполнении внутреннего объёма остаётся много пустого места. Предпочтительнее будут куб или цилиндр, высота которого равна диаметру.
Кубическая форма самая простая, но для наибольшего удаления реактора и экипажа следует пристроить пирамидальные оконечности. В носовой будет размещён экипаж, а кормовая послужит баком для запасов рабочего тела ионных двигателей и противорадиационным экраном.
Для определения размеров корабля воспользуемся характеристиками наиболее совершенных уже построенных пилотируемых и автоматических кораблей
Наружная поверхность корпуса является секциями холодильников-излучателей. Аналогичное решение применено в конструкции Space Shuttle, внутренняя поверхность крышек грузового отсека которого является радиатором для отвода избыточного тепла.
1.6 Управления, связь и сообщение
Система управления МОС члены экипажа должны нести вахту в течение всего полёта. Это позволит немедленно принять решение при возникновении нештатной ситуации. А также обеспечит занятие экипажа в долгом перелёте.
Для связи будут использоваться уже существующие отработанные и проверенные средства.
Посадку на планету наш корабль выполнять не будет, так же как морские корабли не выходят на берег. Для высадки на поверхность будут использованы специализированные десантные средства, либо средства орбитальной инфраструктуры.
Для сообщения с другими космическими кораблями применяется космическая шлюпка. Шлюпка представляет собой корабль «Союз»
Экипаж корабля должен состоять из 4 человек: командира и трёх вахтенных пилотов. Вахтенные пилоты должны иметь дополнительные специальности бортинженера, врача, штурмана.
Системы жизнеобеспечения и объём комнаты отдыха должны быть рассчитаны на 8 человек – 2 экипажа. Экипаж размещается в носовой части корабля. Здесь расположены ходовая рубка, помещения для приёма пищи, отдыха и занятий спортом. Тут же находятся запасы пищи, воды, воздуха и системы регенерации. Поскольку экипаж проводит большую часть времени именно здесь, обитаемый отсек имеет повышенную защиту от космической радиации. Комната отдыха является убежищем на время солнечной бури.
Системы регенерации воздуха и воды те же, что и на МКС, так как они освоены производством, показали свою надёжность, космонавты умеют с ними обращаться.
1.7 Обеспечение живучести и средства спасения
Живучесть МОС обеспечивается: 7,8
резервированием энергоустановки;
делением корпуса на отсеки;
устройством двойного борта;
Солнечные батареи должны обеспечивать работу средств жизнеобеспечения, связи, двигательной установки в режиме ориентации без ограничения времени. Батареи устанавливаются в сложенном виде на боковых стенках носовой оконечности. Раскладываются в случае прекращения работы реактора. Во время раскладывания и выхода на рабочий режим солнечных батарей питание бортовой сети производится от аккумулятора.
В случае пробоины или пожара герметичные переборки и автоматические клапаны в системе вентиляции изолируют повреждённый отсек.
При столкновении с микрометеоритом внутренний борт сохранит герметичность внутреннего объёма. Пространство между наружным и внутренним бортами заполняется рабочим телом двигателей. Падение давления в отсеке двойного борта сигнализирует о повреждении и необходимости ремонта.
Средствами спасения экипажа являются:
спасательная капсула;
шлюпка;
личные скафандры.
Обитаемый отсек представляет собой спасательную капсулу, которая при невозможности продолжения борьбы за живучесть и угрозе жизни экипажа может быть отстрелена от корпуса. В дальнейшем капсула управляется с помощью химических двигателей аналогично современным космическим аппаратам. Запаса топлива должно хватить для перехода на околосолнечную орбиту с установившимся радиусом в любой точке полёта.
Также часть экипажа может покинуть корабль на шлюпке
При нахождении в отсеке, не имеющего двойного борта (рубка, трюм, шлюпочный отсек) члены экипажа должны быть одеты в лёгкие скафандры, позволяющие выбраться из повреждённого отсека.
1.8. Как построить марсианскую орбитальную станцию
Размеры космических станций и модулей МКС близки между собой и определяются размерами обтекателя последней ступени ракеты-носителя. В настоящее время ракеты позволяют выводить на низкую околоземную орбиту нагрузки до 100 тонн весом, 4 метра в диаметре и 20 метров длиной.
При выводе на околоземную орбиту МОС испытает те же перегрузки, что и ракета-носитель, то есть около 3 g. Это значит, его несущие конструкции должны быть рассчитаны на эти усилия. Но ведь в дальнейшей эксплуатации ускорение, испытываемое кораблём, не будет превосходить 0,1 g, то есть в 30 раз меньше.
Значит, МОС должен иметь достаточную прочность. Например, стальная балка гораздо прочнее фермы, сваренной из нескольких балок. А ферма, уложенная плашмя на землю, выдержит большие нагрузки, чем эта же ферма, установленная на два конца.
Это решение позволит уменьшить толщину несущих конструкций и уменьшить их массу. Таким образом, мы получим экономию топлива или большее ускорение при том же его расходе.
2. Практическая часть
Макет МОС изготовлен из подручных материалов (пластик, картон, ватман и др.) в масштабе 1:200.
Макет состоит из блоков управления, солнечных батарей, переработки и обеспечения кислорода и др.
Заключение
Макет, который был сформулирован, не только удовлетворяет заявленным требованиям. но и может быть построен в ближайшем будущем, потому как перспективные альтернативные проекты существует сегодня в науке. Мой вариант является альтернативным.
В процессе работы я узнал ка работают разные виды двигателей, какой металл лучше использовать, какие проекты орбитальных станции имели место быть в истории развития космоса.
Также я изготовил макет марсианской орбитальной станции.
Список литературы
Астрономия. Для тех, кто все успеть / авт.-сост. Н. Сердцева. – Москва: Эксмо, 2015. – 167 с.
Денн Б., ОБрайен Э. Космос / Пер. с англ. Е.Дорониной. – М.: РОСМЭН, 2014. – 48 с.
Как построить дом на Марсе. - Популярная механика. – 2015, Сентябрь // Электронный ресурс https://www.popmech.ru/design/212971-kak-postroit-dom-na-marse/
Кто полетит колонизировать Марс Электронный ресурс // URL: https://pikabu.ru/story/kto_poletit_kolonizirovat_mars_4674756?dv=1
Родригес М. НАСА дает мало шансов спроектировать дома на Марсе // Fortune. – Август. – 2018.
ozeloffice.com
Охотников В.А. Космический катер. – М., 2017. – 20 с.
Сайт НАСА Электронный ресурс // nasa.gov