|
Полет на Марс может занять всего три месяца
|
|
|
|
За последние несколько десятилетий Марс привлек к себе значительное внимание благодаря многочисленным роботизированным миссиям, которые исследуют его, чтобы узнать больше о его прошлом. НАСА и Китай планируют отправить туда астронавтов/тайконавтов в ближайшие десятилетия, а коммерческие космические компании, такие как SpaceX, надеются отправить туда пассажиров раньше. Это сопряжено с рядом серьезных проблем, одной из самых серьезных из которых является длительное время полета. При использовании обычных двигателей и траекторий с низким энергопотреблением космическому аппарату с экипажем требуется от шести до девяти месяцев, чтобы достичь Марса.
|
|
|
|
Такая продолжительность полета усложняет конструкцию и технологические требования миссии и вызывает опасения по поводу здоровья и безопасности, поскольку экипажи будут длительное время находиться в условиях микрогравитации и повышенного воздействия космической радиации. Традиционно разработчики миссий рекомендовали использовать ядерно-электрическую или ядерно-тепловую двигательную установку (NEP/NTP), которая могла бы сократить время полета всего до 3 месяцев. В недавнем исследовании физик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе определил две траектории, которые могли бы сократить время полета на Марс с помощью космического корабля до 90-104 дней.
|
|
|
|
|
|
|
Автором исследования был Джек Кингдон, аспирант-исследователь физического факультета Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB). Он также является членом UCSB Weld Lab, экспериментальной группы по ультрахолодной атомной физике, которая использует квантово-вырожденные газы для изучения квантово-механических явлений. Статья, описывающая его работу, была опубликована в журнале Scientific Reports 22 мая 2025 года.
|
|
|
|
Ядерный двигатель
|
|
|
|
Согласно архитектуре миссии НАСА "Луна -Марс", потребность в более безопасной и быстрой транспортировке имеет первостепенное значение. Было выдвинуто множество предложений по использованию ядерных двигателей для сокращения времени полета на Марс до 90 дней. К ним относятся концепция НАСА времен холодной войны, ядерный двигатель для ракетных транспортных средств (NERVA), а также современные концепции, такие как демонстрационная ракета для маневренных окололунных полетов (DRACO), разрабатываемая НАСА и DARPA, и предложенная мощная электроплазменная магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом (VASIMR). от Ad Astra.
|
|
|
|
С момента своего зарождения исследования в области ядерных двигателей, как правило, делились на два лагеря: ядерно-тепловые и ядерно-электрические (NTP/NEP). Первый использует ядерный реактор для нагрева водородного топлива, превращая его в горячую плазму, которая направляется для создания тяги, в то время как второй использует ядерный реактор для приведения в действие двигателя на эффекте Холла. Эти концепции обеспечивают высокое ускорение (delta-v) и устойчивый удельный импульс (Isp) соответственно, а их совместное использование в виде бимодального движителя сочетает в себе преимущества обоих.
|
|
|
|
Многие исследователи считают эту технологию единственным средством сократить время полета до такой степени, что миссия будет соответствовать установленному НАСА пределу радиации в ~600 миллизивертов (мЗв). Исследование Кингдона опровергает это распространенное предположение и выдвигает теорию о том, что 90-дневный переход может быть осуществлен с использованием обычных двигателей. Такая архитектура полета может быть реализована, пока космические агентства и коммерческие космические организации ожидают разработки более совершенных концепций. Как сообщил Кингдон в интервью Universe Today по электронной почте:
|
|
|
|
"Главное преимущество этого предложения в том, что в нем используются только те технологии, которые существуют или близки к существующим. VASIMIR и NEP очень далеки от существующих (для реальных космических полетов), в первую очередь потому, что все они требуют гигантских космических ядерных реакторов, разработка которых будет сложной с технической и политической точек зрения. NTP почти наверняка дороже химического, даже несмотря на то, что такая технология существует, и она не дает существенных преимуществ".
|
|
|
|
Краткое описание миссии
|
|
|
|
Как указано на веб-сайте, в презентациях на конференции и руководстве пользователя, архитектура миссии SpaceX состоит из шести космических кораблей, отправляющихся на Марс. Четыре из этих космических аппаратов будут перевозить 400 метрических тонн (440 тонн в США) груза, а два - по 200 пассажиров. Основываясь на конструкции Block 2, которая имеет емкость топлива в 1500 метрических тонн (1650 тонн в США), звездолетам с экипажами потребуется 15 танкеров для полной дозаправки на низкой околоземной орбите (НОО). Грузовых кораблей потребовалось бы всего четыре, поскольку они были бы отправлены по более длинным траекториям с низким потреблением энергии.
|
|
|
|
Как только флотилия прибудет на Марс, звездолеты будут заправлены топливом, созданным на месте из местного углекислого газа и водяного льда. Когда приблизится время возврата, один из кораблей с экипажем и 3-4 грузовых корабля заправятся топливом, а затем отправятся на низкую орбиту Марса (LMO). Затем грузовые корабли перегрузят большую часть топлива на корабль с экипажем и вернутся на поверхность Марса. Затем корабль с экипажем отправлялся на Землю, и этот процесс можно было повторить для другого корабля с экипажем.
|
|
|
|
Кингдон рассчитал множество траекторий с помощью решателя Ламберта, который создает кратчайшую эллиптическую дугу в уравнениях задачи двух тел (известной как задача Ламберта). Первый из них отправится с Земли 30 апреля 2033 года, воспользовавшись 26-месячным периодическим выравниванием между Землей и Марсом. Полет продлится 90 дней, а экипаж вернется на Землю после еще одного 90-дневного перехода ко 2 июля 2035 года. Вторая отправится с Земли 15 июля 2035 года и вернется на Землю после 104-дневного транзита 5 декабря 2037 года.
|
|
|
|
Как объяснил Кингдон, первая траектория наиболее вероятна для успеха:
|
|
|
|
"Оптимальной траекторией является траектория 2033 года — у нее самые низкие затраты топлива и самое быстрое время в пути. Примечание, которое может быть неочевидным для непрофессионала, заключается в том, что Starship может очень легко достичь Марса за ~ 3 месяца — фактически, это возможно в любое время запуска по довольно широкому диапазону траекторий. Однако Starship может слишком быстро войти в атмосферу Марса (хотя мы не знаем, и, вероятно, SpaceX тоже не знает, насколько быстро Starship может войти в атмосферу Марса и выжить). Я уверен, что обсуждаемые траектории позволят Starship выжить".
|
|
Проблемы остаются
|
|
|
|
Это исследование не только предлагает сократить количество полетов на Марс, но и решает ключевую проблему, выявленную в архитектуре миссии SpaceX. Это проблема массового бюджета звездолета, которая была выявлена в предыдущем исследовании группой инженеров из Немецкого аэрокосмического центра (DLR), Бременского университета и кафедры космических систем Технического университета Дрездена. После проведения оптимизации траектории они обнаружили, что текущие планы не дают возможности обратного полета из-за слишком большой массы системы.
|
|
|
|
Короче говоря, они обнаружили, что после дозаправки на поверхности у звездолета не будет достаточной тяги для достижения второй космической скорости и выполнения маневра по сближению с Землей (TEI). Добавление дополнительных танкеров для дозаправки на НОО решает эту проблему, позволяя звездолету пополнить запасы топлива перед отрывом от орбиты Марса. Тем не менее, Кингдон признает, что все еще существуют проблемы, которые необходимо преодолеть, прежде чем станет возможным 90-дневный транзит:
|
|
|
|
"У этой архитектуры есть две основные проблемы, и эти проблемы также присущи текущему плану миссии SpaceX на Марс. "Звездолет" как система должен работать — сбои в рейсах 7, 8 и 9 должны быть устранены, а также должны быть улучшены характеристики транспортного средства, наряду с разработкой систем жизнеобеспечения и дозаправки на орбите, но все это запланировано".
|
|
|
|
Другой серьезной проблемой является перспектива строительства заправочных станций на поверхности Марса. Согласно плану SpaceX, топливо будет производиться с использованием реактора Сабатье, в котором метан и кислород образуются в результате химической реакции между водородом и углекислым газом. Никто никогда не пытался производить криогенное топливо на другой планете, и это сопряжено со множеством неизвестностей.
|
|
|
|
"Это будет непростой задачей, но, опять же, вероятно, менее сложной, чем поймать небоскреб высотой 70 метров с помощью гигантских механических рук", - сказал Кингдон. "Если SpaceX приблизится к намеченным краткосрочным целям по производительности Starship, то эта архитектура будет реализуема".
|
|
|
|
Источник
|
