Пилотируемый полёт на Марс

Размещено на http://allbest.ru/

Пилотируемый полёт на Марс -- запланированный полёт человека на Марс с помощью пилотируемого космического корабля. Роскосмос, NASA и ESA объявили полёт на Марс своей целью в отдалённой перспективе. Первые планы полёта на Марс появились в преддверии программы «Аполлон» США. После высадки на Луну в 1969 году и конца программы «Аполлон» США не перестали преследовать эту цель дальше. Запуск советского космического корабля планировался на начало 70-х годов, однако сперва приоритет был отдан программе высадки на Луну, позже проект был закрыт.

Планы различных стран и организаций

В прошлом отдельные страны и организации много раз делали заявление о намерении осуществить пилотируемую марсианскую миссию. Для США эта миссия является объявленной целью в отдалённой перспективе. Планы России и европейцев в настоящее время предусматривают сотрудничество. Китай до сих пор не имеет таких планов. Некоторые космические специалисты в США видят себя уже в гонке прогрессирующей космической державой, но их планы были нацелены до этого времени только на Луну.

Европа

Европейское космическое агентство составило программу «Аврора», целью которой в том числе является планирование лунной и марсианской миссий. Высадка космонавтов на Марс произойдёт до 2033 года. Так как финансовые возможности ESA сравнительно малы, то только при международном сотрудничестве планы могли бы осуществиться.

СССР

В СССР рассматривались разные варианты космических кораблей для пилотируемого полёта на Марс. Сначала был разработан проект марсианского пилотируемого комплекса (МПК) со стартовой массой в 1630 тонн. Собрать его предполагалось на низкой околоземной орбите за 20-25 пусков ракеты-носителя Н-1. Возвращаемая часть МПК имела массу 15 тонн. Продолжительность экспедиции должна была быть 2,5 года.

Затем последовала разработка тяжёлого межпланетного корабля (ТМК) в ОКБ-1 в отделе под руководством Михаила Тихонравова. Проектом занимались две группы инженеров: одной руководил Глеб Максимов, а второй -- Константин Феоктистов.

ТМК Максимова являлся трёхместным космическим кораблём, который можно было вывести на околоземную орбиту за один пуск Н-1 с корректировкой траектории полёта к Марсу с помощью разгонного блока на топливной паре керосин-кислород. Этот корабль содержал жилой, рабочий (со шлюзом для выхода в открытый космос), биологический, агрегатный отсеки, спускаемый аппарат и корректирующую двигательную установку (КДУ). После корректировки траектории полёта на Марс раскрывались солнечные концентраторы для оранжереи, солнечные батареи для питания корабля, антенны для связи с Землёй. Проект Максимова не предусматривал высадки экипажа на поверхность Марса.

ТМК Феоктистова предполагал сборку на орбите и разгон корабля во время полёта к Марсу. Выбор двигателей для корабля пал на электрореактивные двигатели, отличающиеся большой экономичностью, и благодаря которым возможно было уменьшить стартовую массу, либо увеличить полётную. В 1960 году на корабль предполагалась установка реактора мощностью в 7 МВт, но в 1969 году произошла переработка проекта, в ходе которой мощность реактора была увеличена до 15 МВт, а также пришлось сократить количество спускаемых аппаратов с 5 до 1 и количество людей в экипаже с 6 до 4. Для надёжности разработчики хотели поставить не один, а три реактора. В 1988 году в проекте реакторы заменили на солнечные батареи благодаря большому прогрессу в создании пленочных фотопреобразователей и в разработке трансформируемых ферменных конструкций.

Плюсом ТМК Феоктистова была малая стартовая масса по сравнению с ТМК Максимова -- 75 т и полётная -- 30 т, что позволяло разместить на корабле необходимое количество приборов и систем. Недостаток был во времени разгона: ЭРД имел тягу в 7,5 кг, по этой причине разгон должен был производиться по спирали в течение нескольких месяцев.

23 июня 1960 года ЦК КПСС был назначен день старта на 8 июня 1971 года с возвращением на Землю 10 июня 1974 года, но затем последовала «лунная гонка», во время которой закрыли проект полёта на Марс.

Россия

Россия до 2015 года собирается произвести непилотируемый полёт к спутнику

Марса -- Фобосу: Фобос-грунт. Пилотируемый полёт на Марс Роскосмос планирует осуществить в первой половине 21-го века. В рамках национальной космической программы до 2015 года на Земле будет проводиться имитация марсианского полёта под названием «Марс-500».

США

Американский президент Джордж Г. У. Буш в 1992 году представил планы пилотируемого полёта к Марсу и поручил NASA вычислить затраты на миссию. С учётом проектных затрат от 400 миллиардов долларов США проект был отвергнут. Его сын, бывший президент США Джордж Уокер Буш, в начале 2004 года представил для NASA новый долгосрочный план, основной задачей которого были пилотируемые миссии на Луну и Марс. Новый при этом являлся сметой затрат, которая предполагала финансирование развития с выходом из Шаттл- и МКС-программы в течение свыше 30 лет.

Пересмотр целей положил начало программе «Созвездие». В рамках этой программы первым шагом должно было стать до 2010 года создание космического корабля «Орион», на котором космонавты могли бы полететь сначала на Луну, а потом на Марс. Далее с 2024 года по планам NASA должна появиться постоянно обитаемая лунная база, которая стала бы подготовкой для полёта на Марс. Согласно проекту, непилотируемые полёты подготовили бы людей к высадке на Марсе; здесь американская и европейская программы едины. Возможное путешествие к Марсу могло бы состояться по оценкам NASA в 2037 году.

2 февраля 2010 года стало известно, что лунный пилотируемый полёт США из-за сокращения бюджета не состоится. Так как вследствие этого разработка необходимого космического корабля остановилась, то это затронуло и марсианскую пилотируемую миссию. Эти программы были не отложены, а полностью вычеркнуты без замены.

15 апреля 2010 года президент США Барак Обама выступил с речью в Космическом центре имени Кеннеди во Флориде:

"Мы ожидаем, что к 2025 году будут готовы новые космические корабли для дальних полетов, которые позволят нам осуществить первые пилотируемые полеты за пределы Луны, в открытый космос, -- заявил американский президент. -- Мы начнем с того, что впервые в истории запустим астронавтов на астероид. Уверен, что к середине 2030-х мы сможем послать астронавтов на марсианскую орбиту, а затем осуществить и посадку на Марс." Барак Обама

Индия

Индийский президент Абдул Калам выступил 26 июня 2004 года с заявлением, в котором он предложил США до 2050 года отправить на Марс американо-индийский экипаж. Это предложение было представлено незадолго до этого согласованным тесным сотрудничеством в области космонавтики. Калам уже ранее отвечал за развитие индийской ракетной программы.

Цели будущего полёта

Кроме основной цели полёта на Марс -- высадки нескольких людей на поверхность Марса с возвращением на Землю, также относится к целям миссии и поиск ресурсов вне пределов Земли.

Многие учёные высказывают мнения, что одних непилотируемых исследований автоматическими межпланетными станциями или посадочными модулями недостаточно. Отослать лишь одного космонавта в путешествие кажется нереальным, в том числе и из-за сложности организации такого проекта и космической медицины. Некоторые сторонники колонизации Марса хотят отправить людей на планету, которые остаток своей жизни должны провести там для подготовки осуществления колонизации. В течение долгого времени предполагается заселять Марс насколько это возможно с или без терраформирования.

Воздействие на космонавтов

Физиология. Космические лучи и солнечная радиация разрушают ткани, в особенности ДНК живого организма. Часть повреждений необратима и может приводить к клеточным мутациям. Защита снижает поглощённую дозу, но до сих пор не было опыта с долговременным пребыванием человека в межпланетном космическом пространстве вне защищающего магнитного поля Земли. Исследование Джорджтаунского университета подтверждает эти угрозы; исходя из этого риск развития рака велик прежде всего у прямой кишки[6]. При спокойном Солнце минимальную дозу облучения, которую получат космонавты в течение 15-месячного полёта на Марс и обратно, оценивается в 1 Зв, при сильной вспышке на Солнце -- на порядок выше.

Сразу после попадания человека в невесомость его организм начинает перестраиваться. Кровь приливает к верхней половине тела, и сердцу приходится прилагать больше усилий для перекачки крови. Организм «думает», что жидкости в организме много, и начинает выделять гормоны, отвечающие за водно-солевой обмен, в результате чего человек теряет много жидкости. Обычно космонавту во время такой перестройки требуется не менее 3 литров воды в день. Этот эффект довольно быстро проходит.

Продолжительная невесомость в течение всего космического полёта считается наибольшей медицинской проблемой. Мышцы, кости и система кровообращения из-за отсутствующей силы притяжения становятся слабыми, если их не тренировать. Больше всего потерь кальция и калия происходит в костях ног и таза, в рёбрах и костях рук потери меньше, в костях черепа даже увеличивается содержание этих химических элементов. Примерно после 8 месяцев пребывания в невесомости требуется от 2 лет и больше для восстановления на Земле, так как процесс разрушения костей некоторое время происходит и при земной силе тяготения. Чтобы снизить влияние невесомости к минимуму, можно подбирать экипаж с генетической устойчивостью к остеопорозу и использовать облучение ультрафиолетом, как на станции «Мир», для выработки витамина D. Мышцы же при действии гравитации восстанавливаются быстрее, хоть они и могут при длительном полёте потерять до 25 % от своей первоначальной массы. Больше всего ослабевают мышцы ног и спины, мышцы рук почти не теряют своей массы благодаря увеличению нагрузки на них в космосе.

Несмотря на то, что марсианская сила притяжения составляет 38 % от земной, к ней всё равно необходимо адаптироваться заблаговременно. Так можно было бы за 2 месяца до высадки экипажа на поверхность Марса создать искусственную силу тяжести вращением центрифуги, однако из-за небольших размеров центрифуги возникают силы Кориолиса, которые отрицательно сказываются на здоровье человека.

Магнитное поле Марса слабее земного в 1000 раз. Этот фактор тоже является проблемой, так как отсутствие магнитного поля отрицательно влияет на вегетативную нервную систему. Вполне возможно, придётся создавать искусственное магнитное поле на корабле и марсианской базе для решения этой проблемы.

Психология. Кроме физиологических воздействий долгого полёта, также идёт изучение психологических аспектов. Тесное помещение и ограниченность социальных контактов становятся ощутимыми для космонавтов. Поэтому отбор космонавтов, как теперь уже отбираются экипажи МКС, будет осуществляться не только по технической и научной квалификации, но и по психической стабильности и устойчивости к психологическим нагрузкам.

Чаще всего отмечается агрессия, которая приводит к конфликтам, когда люди длительно находятся в замкнутом пространстве. Минимизировать этот эффект можно, если набирать стрессоустойчивых людей в межпланетный экипаж. Следует учитывать разные культуры, религии, образы жизни и философии, в случае если экипаж будет международным. Для уменьшения чувства оторванности от Земли рассматривается вариант создания иллюзии смены времен года, пения птиц или привычных для землян запахов на корабле.

3 июня 2010 года был начат эксперимент «Марс-500», в котором будет имитироваться полёт на Марс.

Технические возможности. Угрозы, Поломки техники, Радиация

марсианский пилотируемый космонавт полет

При нынешнем развитии техники космическому кораблю понадобилось бы 6 месяцев при оптимальных условиях, чтобы совершить полёт только в одну сторону, и столько же обратно. И это рассчитано с учётом около года пребывания на красной планете, чтобы Марс опять приблизился к Земле на минимальное расстояние. Благодаря продолжительности полёта в 2 года статистически вырастает вероятность поломок жизненно важных систем, например, из-за попадания микрометеоритов.

Особую опасность представляет выход из строя ракетного двигателя. По этой причине необходимо использовать резервирование. Так для межпланетного комплекса массой 1000 тонн можно использовать около 400 электроракетных двигателей тягой около 0,8 Н. Суммарная тяга составит 320 Н. Вследствие большой продолжительности перелёта этой тяги будет достаточно, чтобы космический корабль набрал необходимую скорость. У каждого двигателя есть свои баки с рабочим телом, своя система управления, своя секция солнечных батарей. Если учесть, что электроракетные двигатели обладают большой надёжностью, то выход из строя нескольких двигателей сильно не скажется на длительности полёта.

Дополнительной проблемой представляются возникающие солнечные вспышки, которые за несколько дней приносят с собой сильно повышенную дозу облучения экипажу. Тогда космонавты должны уйти в защищённое от радиации помещение. Нарушениям, в особенности компьютерной техники и коммуникаций, в течение этого времени надо больше уделять внимания.

Наиболее опасен солнечный ветер высокоэнергетическими частицами, которые имеют энергию 10-100 МэВ (в отдельных случаях до 1010 эВ). 90 % из них -- протоны, 9 % альфа-частиц, остальное -- электроны и ядра тяжёлых элементов. Плотность потока частиц очень мала, но скорость лежит в диапазоне от 300 до 1200 км/с (кратковременно). Частицы на такой скорости при попадании в человека повреждают клетки и ДНК. Попасть в «окно» как при полёте на Луну в программе «Аполлон», когда поток солнечного ветра минимален и не представил бы опасности, нельзя из-за большой продолжительности полёта на Марс. Увеличивание защиты от радиации наращиванием экрана слишком сильно повлияет на массу корабля, величина которой для межпланетного перелёта является критичной.

В 1960-е года появилась идея использовать для защиты от радиации искусственное магнитное поле, но расчёты показали, что диаметр магнитного поля должен быть более 100 км для эффективного отклонения ядер тяжёлых элементов от космического корабля. Размеры и масса такого электромагнита были бы настолько большими, что проще было нарастить классическую защиту экранированием.

Но как показывают исследования международной группы учёных из лаборатории Резерфорда и Эплтона, мощность магнитного поля для эффективной защиты корабля может оказаться ниже, чем предполагалось ранее. Они разработали проект «Мини-магнитосферы», полагая, что магнитное поле образует плазменный барьер из самих же частиц солнечной радиации. Новые частицы, влетая в магнитный пузырь, должны взаимодействовать с частицами, которые уже находятся в нём, и с магнитным полем Солнца, повышая эффективность защиты. Результат эксперимента подтвердил эту теорию и компьютерное моделирование, сделанное теми же учёными в 2007 году, что для защиты экипажа достаточно магнитного поля размером в сотни метров. Следует отметить, что такой установке необязательно работать во время всего полёта, её достаточно включать при сильных солнечных вспышках.

Пыль. На красной планете отчасти представляют опасность даже песчаные бури, механизмы возникновения которых ещё точно не понятны. Ввиду отсутствия метеорологического спутника предупреждение о бурях было бы сравнительно коротким. Наконец другие погодные явления, как и свойства грунта планеты, полностью не изучены.

Марсианская пыль хоть и менее абразивна, чем лунная, но всё равно может отрицательно сказаться на здоровье космонавтов при попадании в лёгкие. Из-за очень малого размера частиц от неё очень трудно изолироваться. Так космонавты программы «Аполлон» на следующий же день замечали присутствие пыли в спускаемом аппарате. Кроме того, марсианская пыль содержит 0,2 % хрома. Многие соединения хрома не опасны, но есть вероятность присутствия солей хромовой кислоты, которые являются сильными канцерогенами.

Для электроники же опасность заключается, ввиду электростатических свойств марсианской пыли. Разряд, например, проскочивший между скафандром космонавта и кораблём способен повредить электронику первого. Предполагается, что электростатический заряд накапливается из-за постоянного трения с пылью. Здесь вносят свой вклад и песчанные бури. Так как на Марсе нет воды в жидком виде, то заземление не поможет, но уже некоторые учёные предлагают способы решения этой проблемы.

Палеонтолог Ларри Тэйлор университета Теннеси провёл опыт с лунным грунтом. Он облучил грунт микроволновым излучением в течение 30 секунд при мощности в 250 Вт и выяснил, что этого достаточно, чтобы пыль спеклась, образовав похожую на стекло плёнку. Это происходит из-за содержания частиц железа размерами в нанометры, которые мгновенно реагируют на излучение. На основе этого принципа можно было бы сделать специальную тележку, которая ехала бы впереди космонавтов, «убирая» пыль.

Для нейтрализации электростатического заряда есть способ, который уже используется на марсоходах. Суть заключается в установке на объекте, с которого необходимо снять заряд, тонких игл размером около 0,02 миллиметра. По ним заряд убегает в марсианскую атмосферу.

Физик Джефри Лэндис из NASA предлагает другой более эффективный способ отвода электростатического заряда. Можно использовать небольшой радиоактивный источник, который крепился бы к модулю базы или скафандру. Благодаря альфа-частицам низкой энергии, атмосфера вокруг этого прибора будет ионизироваться и станет электропроводящей.

Сценарии полёта

«Mars Direct» -- это план, который подготовил в 1990 году Роберт Зубрин. Для осуществления этого проекта необходимо иметь ракету-носитель мощностью американской ракеты-носителя «Сатурн-5». До того, как люди будут отправлены к Марсу, стартует автоматический космический корабль, который вмещает возвращаемый космический аппарат, от Земли и приземляется на Марс. Он имеет маленький ядерный реактор мощностью 100 кВт электроэнергии. Из 6 тонн водорода, принесённого с Земли, диоксида углерода из атмосферы Марса и электроэнергии ядерного реактора производится метан и вода (Реакция Сабатье). Вода будет разлагаться электричеством, полученный водород снова будет пускаться для производства метана и воды. Так из 6 тонн водорода и углекислого газа из марсианской атмосферы получатся 24 тонны метана и 48 тонн кислорода, которые можно хранить при низкой температуре в жидком виде. Дополнительные 36 тонн кислорода должны получиться электролизом углекислого газа. Из 108 тонн изготовленного топлива и окислителя 96 тонн понадобятся для возвращения на Землю, остаток будет использован для транспортного средства на поверхности Марса.

В следующее стартовое окно, спустя 26 месяцев после автоматического полёта, произойдёт запуск пилотируемого космического корабля. Чтобы в течение шестимесячного путешествия на Марс не было невесомости (адаптация к марсианской силе тяжести займёт дополнительное время), последняя ступень ракеты-носителя будет связана тросом с пилотируемым космическим кораблём. Эта система будет приведена во вращение, которое сымитирует марсианскую гравитацию. Незадолго до приземления, в окрестностях ранее запущенного 26 месяцев назад автоматического корабля, отделится тросовое соединение. Космический корабль несет с собой модуль для проживания космонавтов, в котором они будут жить на поверхности Марса. В случае, если приземление пилотируемого корабля произойдет по ошибке вдали от точки приземления автоматического корабля, космонавты должны будут ехать на транспортном средстве до 1000 км к ней. Примерно после 1,5 земных лет на Марсе космонавты должны быть готовы покинуть Марс и вернуться на Землю.

Практически в одно время со стартом пилотируемой миссии должен произойти следующий автоматический полёт для повторения вышеописанной процедуры, чтобы исследовать следующий регион поверхности Марса.

Стоимость 3-х таких миссий оценивается приблизительно в 50 миллиардов долларов США, что существенно меньше, чем 400 миллиардов долларов США, в которые оценивался пилотируемый полёт на Марс после 1989 года по инициативе Джорджа Г. У. Буша.

Выгода от полёта

Благодаря высоким требованиям в областях двигателестроения, техники безопасности, систем жизнеобеспечения и экзобиологического исследования, необходимо развитие новых технологий. Многие ожидают отсюда иновационного толчка, аналогичного возникшему в 60-х годах (во время высадки человека на Луну). В целом это предвещает экономическое оживление, которое компенсирует большие затраты. Наряду с этим полёт окажется значимым и для человеческой цивилизации, если человек сделает первый шаг на другую планету, чтобы позднее колонизировать её.

Кроме того, колонизация Марса может сыграть большую роль в спасении человечества в случае какой-нибудь глобальной катастрофы на Земле, например столкновения с астероидом. Несмотря на то, что вероятность такой катастрофы невелика, необходимо об этом думать, так как последствия глобальной катастрофы могут быть фатальны для человеческой цивилизации. Из-за большой длительности процесса колонизации других планет лучше начинать её как можно раньше и с Марса.

Размещено на Allbest.ru