A Marsra történő emberes űrmisszió megvalósítása a kezdetektől fogva az űrhajózás egyik hosszú távú célja volt . Kezdetben tudományos-fantasztikus téma , és néhány ember számára az ember 1969. évi Holdra szállását követően az űr meghódításának következő lépése lett . Ennek a projektnek a sikere azonban még sokkal nagyobb pénzügyi forrásokat igényel, mint az Apollo programé , amelyet maga a körülmények különösen kedvező kombinációjának ( hidegháború , gazdasági fellendülés) indított el . Az emberrel történő Mars-repülés szintén technikai és emberi kihívás, minden arányban a holdi expedícióval: az edények mérete, zárt körzetben hosszú ideig (900 napig) működő életmentő rendszer , a nem javítható berendezések megbízhatósága. vagy akiknek az elbocsátása nem szisztematikusan biztosítható, a legénység zárt térben, különösképpen stresszes körülmények között elforduló pszichológiai problémái, élettani problémák, amelyek a gravitáció hosszabb ideig tartó hiányából fakadnak, valamint a sugárzás szervezetre gyakorolt hatása.
Az 1960-as évek eleje óta különféle tanulmányokat végeztek a témában, amelyek forgatókönyveket és technikai megoldásokat tártak fel. Különösen számos kérdés vitatja meg: a pálya ellentétben vagy együttesen, a nukleáris meghajtás használata, a személyzet mérete, aerokopter használata a fékezéshez a Marsra érkezéskor, a Marsra való leszállás módja , a visszaút üzemanyag-előállítása in situ , szám és az űrhajók űrtartalma kilövésre kerül. A legsikeresebb előprojektek a NASA részéről származnak , erős az úttörő és a legjobban felruházott polgári űrügynökség szerepében, amely egy nehéz megoldást finomít ( Mars Design Reference Architecture ), amely 850 és 1250 tonna közötti földi pályára helyezést igényel. . via tíz bevezetések, hanem a csoportok a rajongók csoportosítva szervezetek, mint például a Mars Society , melyek azt egy kevésbé költséges megoldás, „Mars Direct”, vagy „Mars Semi-Direct” igénylő csak két, három vagy négy elindul függően változat . Mindezek a forgatókönyvek megkövetelik a kulcsfontosságú technológiák kifejlesztését és tesztelését, ideértve az aerokaptúrát, a nagy tömegek lerakódását a marsi talajon és az erőforrások kinyerését a marsi légkörből vagy talajból.
A projektnek óriási pénzügyi forrásokat kell mozgósítania, és jelentős kockázatokat rejt magában, mivel a Marsra irányuló robotküldések sikere bizonyítja a bolygó felfedezésének e megközelítés érvényességét. Ezeknek köszönhetően az ember felfedezte, hogy a Mars nem kínál különösebben barátságos környezetet. Az in situ vizsgálata a geológia a bolygó az űrhajósok és a mítosz a határ , nagyon is életben van az Egyesült Államokban, nem meggyőzni a döntéshozókat, hogy fejest ugrik. A NASA és a SpaceX olyan eszközöket fejleszt, mint az SLS nehézindító és az Orion bolygóközi űrhajó , amelyek hozzájárulhatnak egy marsi misszióhoz. Ám 2019-ben az űrügynökségeken belül , a Constellation program elhagyása óta , még hosszú távon sem léteznek olyan koherens projektek, amelyek egy emberes Mars-misszióhoz kapcsolódnának, és amelyek a megvalósítás kezdetét kapták volna.
Az űrkutatás terén a Mars különleges helyet foglal el a Naprendszer bolygói között . Bár távolabb van a Naptól, mint a Föld (kétszer annyi napsütés) és sokkal kisebb, mint a Föld (az átmérő fele), a Mars a legközelebb eső tulajdonságokkal rendelkező bolygó. Az ottani jelenlegi vagy múltbeli életformák felfedezésének valószínűsége a legnagyobb. A Mars ma hideg, száraz bolygó, szinte nincs atmoszférája, de a távoli múltban meleg volt, és víz folyt a felszínén. A Vénusznál távolabb van a Földtől, mégis olyan távolságban helyezkedik el, amely lehetővé teszi, hogy az űrhajó 6 és 9 hónap között elérje azt a pályát követve, amely megtakarítja a hajtóanyagok fogyasztását. A víz már nem folyik a felszínre, de rengeteg van a sarki sapkákban és a még nagyon alacsony szélességi fokokon elhelyezkedő kráterek árnyékos területein. A telep létrehozásához szükséges fő kémiai elemek ( oxigén , nitrogén , hidrogén , szén ) a bolygó légkörében vagy talajában vannak.
Az űrügynökségek rendszeresen automatizált űrhajókat indítanak a Mars tudományos tanulmányozásához. Az 1960-as évek eleje óta több mint negyven űrszondát , pályát , landolót és rovert küldtek a Marsra. Közel 15 éves szünet után, 1996 óta legalább egy új űrszonda indult minden alkalommal, amikor az ablakot nyitják a Marsra, azaz 26 havonta. Az egyre kifinomultabb és adaptálhatóbb tudományos eszközökkel felszerelt gépek ez a beáramlása lehetővé tette sok adat összegyűjtését és számos felfedezést. Az ezen robotberendezések által használt elektronika és számítástechnika terén elért eredmények ellenére a legénység marsi talajra küldésének számos fontos előnye van:
A tudományos célkitűzések elősegítik az űrhajósok marsi talajra történő küldését. E célok kijelölése a legénység számára biztosított eszközöktől függ: az űrséták száma és időtartama, a járművek kapacitása, a helyszínen rendelkezésre álló elemző berendezések, mérőeszközök (időjárási állomások stb.), A fúrógép kapacitása, a rendelkezésre álló energia , robotroverek bevonása stb. Elsőbbséget élveznek azok a kutatások, amelyeket a robotok nem végezhetnek. Három tudományos területről van szó:
Hosszú távon, állandó bázisok keretein belül, minden tudományos terület érintett, különös tekintettel a biológiára.
Figyelembe véve a marsi misszió hatalmas költségeit, nagyon valószínű, hogy a politikai és társadalmi motivációk a tudományos céloknál is fontosabb szerepet játszanak a projekt elindításáról szóló döntés során. Az egyetlen ilyen nagyságrendű űrprogram, az Apollo-program a két ország közötti hidegháború közepette az Egyesült Államokban űrkutatásban uralkodó Szovjetunió befolyásának ellensúlyozására indult . A nem tudományos motivációk közül megemlíthetjük:
A legénység más égi tárgyak felszínére küldése olyan bravúrnak számít, amelyet jól szemléltet az Apollo-program bonyolultsága és költségei (körülbelül 170 milliárd dollár), amely továbbra is az egyetlen kísérlet ezen a területen. Azóta az űr területén a technikai fejlődés viszonylag korlátozott maradt, kivéve az elektronikát. Különösen nem sikerült döntő áttörést elérni az űrhajtás területén, amint azt az 1960-as években kifejlesztett motorok legújabb indítóin történő bevezetése is szemlélteti. A férfiak Marsra küldése azonban sokkal összetettebb célkitűzés, mint a legénység leszállása a hold.
A küldetés jellemzője | Apolló misszió | Marsi misszió | Hatás |
---|---|---|---|
A küldetés időtartama | 12 nap | 640 nap vagy 910 nap (ellenzéki vagy együttes forgatókönyv) |
- Nagy lakótér szükségessége - Sugárzás elleni védelem - A súlytalanság hatásainak kezelése - A fogyóeszközök tömege (víz, oxigén, étel) - A bezárás hatása |
A Földre való visszatéréshez szükséges idő | 3 nap | legalább 6 hónap és legfeljebb 2 év | - Megbízhatóság a halálos anyaghiba elkerülése érdekében a Földtől ekkora távolságon - Az orvosi vészhelyzetet a személyzetnek kell kezelnie |
Hold vagy Mars leszállás / felszállás | Nincs alacsony légkör / gravitáció | Vékony és sekély légkör / viszonylag erős gravitáció jelenléte | - Bevált technikákat, hogy csak egy-két tonna lehet landolt marsi talaj - Felszállás Marsról felhasználását igényli nagy rakétaindító in situ |
Távközlés | Útvonalidő kb. 1 másodperc, állandó kapcsolat | Szállítási idő 3 - 20 perc, folyamatos kapcsolat | - Az elszigeteltség érzése - Nincs valós idejű segítség a Földtől |
Az alacsony Föld-pályára helyezett / a földre helyezett Hold / Mars tömeg |
118 tonna / 7 t . |
400–1000 tonna / 60–80 tonna | - Költség - Komplexitás (többszörös indítás) |
A Marsra történő emberes küldetés folyamata a következő lépéseket tartalmazza (azáltal, hogy nem veszi figyelembe a hajók előzetes elhelyezését biztosító forgatókönyvek finomítását):
A NASA legutóbbi, 2009-es részletes forgatókönyvében egy marsi misszióhoz négy űrhajó fejlesztésére van szükség, amelyek összeállnak a pályára és három különálló repüléssel indulnak a Mars felé:
Számos paraméter meghatározó hatást gyakorol a misszióra, különösen a marsi talajon való tartózkodás hossza (együttállás vagy ellenzéki forgatókönyv), a repülések időzítése (bevetés előtti vagy egyidejű indítás, a bolygóközi hajtómű (kémiai, ...), a marsi pályára történő behelyezés típusa ( aerokaptár vagy hajtóműves fékezés), a marsi talajon történő leszállás módszerei, az űrhajósok száma, jellemzően 3 és 6 között, végül a helyi erőforrások működtetése, vagy sem hajtóanyagok előállítása, amely lehetővé teszi a marsi pályára való visszatérést.
A választott pálya közvetlen hatással van a küldetés időtartamára, a bolygóközi meghajtórendszerre és a szállított üzemanyag mennyiségére. Ez a választás számos gazdasági és tudományos korlátra reagál:
A választás a röppálya korlátozza a szabályok térbeli mechanika :
Mindezen korlátok figyelembevételével két küldetési forgatókönyv létezik:
Az együttállás forgatókönyv A legénység a legkedvezőbb időpontban szállt fel és 180 napos utazás után landolt a Mars bolygón. 550 napot tölt marsi talajon, amíg a legkedvezőbb indítóablak meg nem nyílik. A visszaút szintén 180 napig tart. A misszió teljes időtartama 910 nap. Az ellenzéki forgatókönyv A kifelé irányuló utazás ugyanolyan feltételek mellett zajlik, mint a másik forgatókönyv. A Marson való tartózkodás időtartama minimálisra csökken, miközben a tudományos célkitűzések elérésével kompatibilis marad, azaz körülbelül 30 nap. Az oda-vissza út zajlik egy sokkal kedvezőtlenebb konfiguráció: tart 430 napig, és megköveteli a javára a gravitációs támogatást a Venus . Ennek a küldetésnek az egyetlen előnye, hogy teljes időtartamát 640 napra csökkenti, ami szerzői fejében korlátozza a sugárterhelés idejét.Az együttállási forgatókönyvet a tudósok széles körben preferálják. Az ellenzéki forgatókönyv, amely csak körülbelül 30 napos tartózkodást engedélyez a marsi talajon, nem teszi lehetővé az egész terület feltárását, amely elérhető a legénység számára elérhető mobilitási rendszerek révén. Ez a forgatókönyv korlátozza annak lehetőségét, hogy a fúróval nagy mélységben vett talajmintákat gyűjtsenek. A tartózkodási idő rövidsége nem teszi lehetővé a kutatások átirányítását a megállapítások szerint, illetve a begyűjtött talaj- és kőzetminták iteratív optimalizálását. Ezzel szemben az egyetlen két hátrány az űrhajósok hosszabb kozmikus sugárzásnak való kitettsége és valamivel magasabb költség.
Az űrben lévő hajó azon képességét, hogy módosítsa a pályáját, a hajtóanyagok tömege szabja meg, amelyet hordoz, és amelyet rakétamotorjai használnak, valahányszor gyorsulni, de lassítani is szükséges. A Marsra irányuló misszióhoz szükséges sebességváltás a Földre visszatérő legénységgel nagyon fontos. Hagyományos kémiai meghajtással azonban a tömeg gyakorlatilag 50% -át fel kell áldozni hajtóanyagok formájában a 2 km / s sebesség módosításához . A Marsra irányuló űrkutatás különféle tanulmányaiban kidolgozott forgatókönyvek különböző meghajtási rendszereket és lehetőségeket kínálnak a szállítandó hajtóanyagok tömegének csökkentésére:
A hajó helyzete | Hajtási fázis | Delta-V szükséges | Hozzászólások |
---|---|---|---|
Alacsony Föld pálya | Injekció a Mars pályáján | , Hogy 3.7 4.1 km / s (1) | Ha a meghajtás kémiai vagy nukleáris termikus, akkor a tolóerő erős és gyors, és a föld vonzásából való kilépés csak néhány napig tart. Másrészt, ha valaki ionos meghajtómotorokat működtet napelemekkel vagy nukleáris reaktorral az áramellátás érdekében, akkor a tolóerő gyenge és hosszú. Ennek következménye a hajtóanyagok tömegének növekedése, de a magas pályára emelkedés és a Föld vonzásából való kilépés időtartamának növekedése (gyakran több hónap), és egy nagyobb Delta V. |
Érkezés a Mars közelében | Behelyezés marsi pályára | , Hogy 0,8 1.8 km / s (1) | Kihasználható a marsi légkör, hogy lelassuljon és pályára álljon. Ezután hőpajzsra van szüksége. Ha a légrögzítést nem használják, fékezzen meghajtórendszerrel. Általános szabály, hogy ha a meghajtórendszer kémiai, akkor az aerokaptúra előnyösebb, mert rengeteg üzemanyagot takarít meg. Az ionhajtásnál ez nem így van, de a beillesztés sokkal hosszabb.
Nagy sebességgel történő megérkezés esetén, az időtartam csökkentése érdekében, természetesen a DeltaV fontosabb és az aerocapture nehezebb. |
A Mars körül alacsony pályán | Marsi talajon ereszkedés | , Hogy 0,6 0,8 km / s | A lassulás nagyrészt a légköri ellenállásnak köszönhető, amely megmagyarázza az alacsony deltaV értéket. A meghajtás szükséges a pontos és zökkenőmentes leszálláshoz, valamint a légkör vékonyságának kompenzálásához. |
A Mars földjén | Behelyezés marsi pályára | kb. 5 km / s | A legtöbb esetben egy kis vízi járművel száll fel a Marsról. A Marsra küldendő hajtóanyagok tömegének csökkentése érdekében a legtöbb tanulmány a marsi légkörből történő előállítást javasolja, különösen az oxigént (ISRU). Ideális esetben az elérendő pálya nagyon hosszú lehet, 1 szol periódussal, ami megkönnyíti a találkozást a pályán maradt visszatérő járművel. |
A Mars körül kering | Beszúrás a Föld felé vezető úton | 1,6 km / s | |
Érkezés a Föld közelébe | Földre ereszkedés | 0 km / s | - |
(1) Az átszállítás dátumától és ütemezett időtartamától függ |
Minden helyzetben a Marsra küldendő küldetéshez több különálló járat szükséges, amely annyi nehézgép szállításához szükséges. Viszonylag szokásos módon két teherjárat (legénység nélkül) szükséges, hogy egyrészt a Mars felszínére kerüljön az élőhely, másrészt az a hajó, amely felelős a legénység visszaszállításáért a pályára a küldetés végén. Egy harmadik járat szállítja a személyzetet a Föld és a Mars között (oda-vissza út) a pályán maradásra szánt élőhelyen. Két forgatókönyv lehetséges e járatok tervezéséhez:
Általában a telepítés előtti forgatókönyvet részesítik előnyben. Például a NASA munkacsoportja, amely kidolgozta az amerikai űrügynökség referencia-forgatókönyvét, a következőket indokolja:
Megjegyzés: Egy teherhajó utazási ideje kevésbé kritikus, mint egy pilóta hajóé. Ezért ebben az esetben előnyös az ionos meghajtás előnyben részesítése, amely sokkal hosszabb utazási időt jelent, de kevesebb hajtóanyagot fogyaszt.
A használt technika a levegő elfog egy alternatíva a motorok, amelyek fogyasztanak értékes üzemanyag: amikor megérkezik közelében Mars, az űrhajó szoknyák bolygó magasságban elég alacsony ahhoz, hogy a sűrűsége a légkör. Marsi fejt aerodinamikai nyomás, amely lassítja eléggé lefelé ahhoz, hogy a bolygó körüli pályára állítsa. Ez egy nagyon kényes technika, amely nagyon pontos navigációt igényel, hogy ne érje az edény túlzott hőhatásának, ami az edény elvesztéséhez vezethet, vagy éppen ellenkezőleg, nem lassul el kellőképpen, ami visszaküldné az edényt. vagy nagyon nagy excentrikus pálya. További megkötés, hogy a lassulást a legénységnek el kell viselnie ( a NASA 5 g- ban határozza meg ).
A légfékezés közbenső lehetőség az, hogy magasabbra lép a Mars légkörében, ami hosszú pálya kimenethez vezet, és további meghajtó fékezést és sok más járatot igényel a kívánt végső pálya eléréséhez.
A NASA legújabb, a Mars Társasághoz hasonló forgatókönyve magában foglalja a fogyóeszközök előállítását a Marson rendelkezésre álló forrásokból. Az in situ erőforrások használata (angolul ISRU) jelentősen csökkentheti a Marson lerakódó tömeget. Az előállított termékek egyrészt az űrhajósok által elfogyasztott víz és oxigén részét képezik, másrészt a Mars felszínéről alacsony pályára való feljutáshoz használt üzemanyagot. R. Zubrin szerint a Sabatier reakció (CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O), majd az elektrolízis (2H 2 O → 2H 2 + O 2 ) felhasználása lehetővé tenné 6 tonna hidrogén felhasználását site szén-dioxidot a légkörből a Mars, hogy hozzon létre egy 10 hónapon akár 112 tonna keveréke metán és oxigén használható hajtógázok a rakéta motor. Az ezeket a fogyóeszközöket előállító berendezéseket néhány hónappal a személyzet érkezése előtt előre elhelyeznék mind a megfelelő működésük biztosítása, mind a szükséges fogyóeszközök előállítása érdekében.
A pszichológiai tényező fontos kockázatot jelent egy marsi misszióban:
A személyzet tagjait nagyon gondosan kell kiválasztani mind a problémák megoldására való képességük alapján, mind a kritikus vagy konfliktusos helyzetekben való helyes viselkedésük alapján. Az űrállomásokon végzett hosszú távú küldetések tapasztalatai azt mutatták, hogy annak ellenére, hogy az űrhajósok kiválasztására pszichológiai kritériumokat alkalmaznak, konfliktusok merülhetnek fel. A marsi misszió kiválasztási kritériumait továbbra is nehéz meghatározni. Vita folyik arról is, hogy szükség van-e vegyes és multikulturális legénység (például orosz / amerikai) kiválasztására.
A lehetséges orvosi problémák alapos szűrését a genetikai vizsgálatig végzik, mert a küldetés hossza miatt a betegség kialakulásának kockázata magas.
Az ismert vizsgálatokból származó forgatókönyvektől függően a legénység 3-6 főből áll (4 a Zubrin, 6 a NASA referencia-forgatókönyv szerint). A felső határt a további csapattagok által megkövetelt további tömeg határozza meg. A minimális szám a kockázatkezelésből (kettős redundancia), az elvégzendő feladatok és az elsajátítandó specialitások összegéből adódik. Tekintettel a küldetésparaméterek számára, amelyek jelenleg nincsenek meghatározva, ezek az adatok pusztán tájékoztató jellegűek. A NASA szerint a következő specialitásokat legalább egy embernek el kell sajátítania, és mások számára másodlagos specializációt kell jelentenie: sebész / orvos , geológus , biológus , szerelő, villanyszerelő / elektronika , parancsnokság. Zubrin két mechanikus személyzetet javasol (a küldetés túlélése a személyzet képességeitől függ a kudarcok leküzdésén), geológust és biogeokémikust. Zubrin figyelmen kívül hagyja azokat a szakembereket, akik kizárólag orvostechnikával foglalkoznak, pilótáznak vagy kizárólag az expedíció parancsnokságának vannak szentelve.
Az emberrel ellátott marsi küldetés összetettsége miatt nagyszámú rendszer fejlesztése, tesztelése és minősítése több tíz, sőt százmilliárd euróba kerül. Miután ezeket a rendszereket minősítették, a Marsra hozott kilogrammonkénti költség továbbra is viszonylag magas lesz. A forgatókönyv és a NASA által megadott adatok szerint a Marson elhelyezendő hasznos tömeg 80 tonna (leszámítva azt az ereszkedési fázist, amely már nem hasznos a marsi talajon), 2 modul között elosztva:
A NASA forgatókönyve, amely számos futurisztikus technikai megoldáson alapszik az orbitális pályára állítandó tömeg optimalizálására, 25 000 tonna felszabadítását tervezi a földről (hét Ares V hordozórakéta és egy Ares I hordozórakéta hozzávetőleges tömege, amelynek bizonytalansága van a Ares V hordozórakéta ), 1024 tonna alacsony föld körüli pályán áll és 80 tonnát eredményez a Marson. A jelenlegi hordozórakéták esetében azonban a tonna alacsony földi pályára történő indítás 10 és 20 millió dollár közé kerül. E tarifa szerint csak a marsi expedíció elindítása 10 és 20 milliárd dollár közé kerül (az árnak alacsonyabbnak kell lennie Ares V-vel ). Ezen túlmenően, ha egy tonnával többet akarunk leszállni a Marson, további 12 tonnát kell alacsony pályára dobni a NASA által alkalmazott arány alkalmazásával.
Ennek eredményeként a legtöbb ember által kiképzett missziós forgatókönyv a Mars számára abszolút minimumra korlátozza a tömeg leszállását a Marson, és megkísérli javítani az alacsony földi pályára indított és a Marson kialakult tömeg arányát.
A Föld és a Mars közötti (oda-vissza út) 360 napos (összekapcsolási forgatókönyv) és 610 nap (ellenzéki forgatókönyv) közötti utazás során a legénység 3 olyan jelenségnek van kitéve, amelyek befolyásolhatják egészségüket: napkitörések , kozmikus sugarak és súlytalanság .
NapkitörésekA napkitörések a Nap aktivitási csúcsai, akik nagy protonokat terveznek. A Nap aktivitása olyan 11-12 éves ciklusokat ismer, amelyek során a nap aktivitása növekszik, majd csökken. A magas aktivitás fázisaiban a napkitörések száma mind nagyobb, és nagyobb protonáramot küld. A védtelen személyzet által kapott dózisok néhány évvel később jelentősen növelik a rák kialakulásának kockázatát . A tanulmányozható legerőszakosabb napkitörések 38 rem dózist jelentettek . Robert Zubrin amerikai repülőgép-mérnök szerint , ha figyelmeztetik a személyzetet (a napkitörések olyan megfigyelések tárgyát képezik, amelyek bizonyos várakozást tesznek lehetővé), akkor a be- és visszatérő átszállítás során átlagosan 5,5 remre korlátozhatják a menedéket. a hajó olyan területe, amelyet kívülről elhelyezett berendezések védenek. A magas hidrogéntartalmú anyagok, például a víz, sűrűségükhöz képest kiváló védelmet nyújtanak. Ha az asztronautát csak egyetlen fal védi, a kapott dózis háromszoros nagyságrendű.
Kozmikus sugarakA kozmikus sugarak nagy energiájú részecskék, a legveszélyesebbek a csillagok és az intergalaktikus tér nehézionjai (például ionizált vas). Az áramlás folyamatos, jelentős csúcs nélkül. Ezen az energiaszinten a néhány centiméter vastag hagyományos páncél nem jelent hatékony akadályt, a választott anyagtól függetlenül. Szerint Robert Zubrin , a mennyiséget kapott a legénység során oda- tranzit 32 REMS . A sejtek ilyen részecskék általi bombázásának következményei nem jól ismertek, mert a jelenséget nehéz megismételni a Földön anélkül, hogy ez befolyásolná az emberek biztonságát. Az egyetlen létező kísérlet azoknak az asztronautáknak a kísérlete, akik a Holdra mentek és átlépték a Van Allen öveket, amelyek megvédik az alacsony pályát és a föld felszínét a kozmikus sugaraktól.
A Curiosity rover fedélzetére szerelt RAD műszer 2012/2013-ban mérte azt a kozmikus sugárzást, amelyet a Föld és a Mars közötti tranzit, valamint a Mars-tartózkodás alatt tapasztaltak körülbelül 300 napig. A RAD megmérte az ionizáló sugárzás két forrását : a napenergia eredetűet, amely egy 11 éves ciklus szerint ingadozik erőszakos napkitörésekkel , a galaktikus eredetű pedig sokkal energikusabbakkal. A mérések időtartama megfelel a naptevékenység 11 éves ciklusának csúcsának . Ennek a ciklusnak a csúcsa (24. ciklus) azonban különösen gyenge.
A bolygó felülete sokkal kevésbé védett a kozmikus sugárzástól, mint a Földé, mert a Marsnak nincs mágneses tere az ionizáló részecskék taszításához. Ezenkívül jóval vékonyabb légköre a Föld atmoszférájának kevesebb, mint 1% -át képviseli. A galaktikus eredetű sugárzás részecskékből (ionok, elektronok) áll, amelyek energiája 10 megaelektronvolt és több mint 10 gigaelektronvolt között van, és amelyek több métert is be tudnak hatolni a marsi talajban, míg a 150 MeV- nél kisebb energiájú napenergia eredetű részecskéket általában blokkolja a légkör és a felszín. Egy heves napsütéses epizód kivételével a napsugárzás elveszíti energiájának nagy részét, amikor áthalad a marsi légkörön, amely 20 g / cm 2 gázoszlopot jelent . Az elvégzett mérések a Mars felszínén egy galaktikus eredetű sugárzási dózist 210 ± 40 mikroszürke naponta mutatnak, az évszakból és a nappali / éjszakai ciklusból adódó eltérésekkel. Az űrben, a Föld és a Mars közötti tranzit során a sugárzás sokkal intenzívebb (480 ± 8 mikrográfia), mert az űrhajót sem a bolygó talaja, amely a részecskék több mint 50% -át elzárja, sem a légkör nem védi. A csúcsaktivitás során a felszínen mért napsugárzás körülbelül 50 mikrográf. Ezen adatok szerint a NASA referencia-forgatókönyvét (180 napos átutazás és 500 napos tartózkodás) betöltött, Marsra küldött misszió űrhajósai ekvivalens dózist kapnak (a részecskék energiája szerint súlyozva), összesen körülbelül 1,01 sievert , ebből 320 millisievert a marsi tartózkodásuk alatt, kétszer pedig 331 millisievert a ki- és visszaút során. Összehasonlításképpen: a Föld felszínén befogadott természetes sugárzás átlagos éves dózisa 2,5 millisievert, amelyet egy űrhajós kapott a Nemzetközi Űrállomáson szokásos 6 hónapos tartózkodása alatt 75 millisievert.
Súlytalanságnak való kitettségA Föld-Mars oda-vissza út során a gravitáció alapértelmezés szerint nulla a személyzetet szállító hajóban. A hosszú ideig tartó súlytalanság olyan meszesedést okoz, amely rideggé teszi a csontokat, és sorvadja az izmokat, beleértve a szívét is. Az űrhajósok űrállomásokon töltött hosszabb tartózkodása során szerzett tapasztalatok szerint nem térnek vissza azonnal a Földre való visszatérésük után. Ez a jelenség mesterséges gravitáció létrehozásával kiküszöbölhető .
Ennek elkészítéséhez a legegyszerűbb megoldás egy rövid karú kis centrifuga felvétele (az ESA és a CNES által ajánlott megoldás) és az űrhajósok rendszeres működésre kötelezése.
Egy másik megoldás az edény elforgatása a fő tengelye körül (az oldalfalak ezután padlóvá válnak). Ennek a megoldásnak az a hátránya, hogy az állomás kis átmérője nagyon zavaró hatásokat vált ki: a fej és a lábak közötti gravitációs különbség (gravitációs gradiens), a Coriolis-erő megnehezíti a mozgást. Robert Zubrin többek között azt javasolja a Mars Direct-ben, hogy húzza meg a kábelt egy üres rakétaszakasz és az élőhely között, és lassan forgassa az egészet, és mesterséges gravitációt hozzon létre az űrhajóban a létrehozott centrifugális erő segítségével.
A mesterséges gravitáció létrehozása fokozza a Föld és a Mars közötti közlekedési rendszer bonyolultságát, amint egy nem zavaró gravitációs mezőt akar létrehozni. Az űrállomásoknak köszönhetően felhalmozott tapasztalatok azt mutatják, hogy a férfi hosszú ideig viseli a gravitáció hiányát, még akkor is, ha ez helyrehozhatatlan kárt okoz. A NASA a Föld-Mars tranzit viszonylagos rövidsége miatt nem tervezte mesterséges gravitációs mező létrehozását.
Mark Strauss, a National Geographic munkatársa rámutat, hogy „azok a különleges régiók, ahol a földi élet játszódhat le, egyúttal azok a területek is, ahol valószínűleg megtalálható az őslakos marsi élet. Ez azt jelenti - hacsak nem vagyunk nagyon-nagyon óvatosak -, hogy tönkretehetjük a földönkívüli organizmusok felfedezésének esélyét, csupán azzal, hogy megkeressük őket ” . Még akkor is, ha ez sok úgynevezett "biocid" tényező , például sugárzás vagy földi toxin miatt valószínűtlennek tűnik , a Marson az űrhajókhoz kapcsolt szárazföldi organizmusok fejlődése nem zárható ki, tekintettel a szervezetek megfigyelésére. környezetek. E kockázatok korlátozására vonatkozó szabályokat az Űrkutatási Bizottság (COSPAR) adta ki ; NASA vette a további óvintézkedés „hogy kizárják a speciális területeket a listát a lehetséges leszállási helyek, beleértve azokat a területeket a Mars, amelyek a jég a felszín közelében . ” A Bill Nye által vezetett Bolygó Társaság támogatja a Mars pályájára korlátozott megközelítést, mielőtt a marsi életet alaposan megkeresik, annak érdekében, hogy elkerüljék a bolygó visszafordíthatatlan szennyeződését és veszélyeztessék a Mars életének keresését . Egyes kritikusok úgy vélik, hogy a bolygóvédelem pazarló és költséges erőfeszítés, amely lelassítja a feltárási kísérleteket, és úgy vélik, hogy a Mars már szennyezett volt.
A Föld és a Mars közötti tranzit sok üzemanyagot fogyaszt az expedícióhoz szükséges hajók felgyorsításához és lassításához, valamint a visszatérő hajó földi pályára juttatásához. A hatékonyabb meghajtás keresése több száz tonna megtakarítást eredményezhet az alacsony földi pályára kerülő tömegben. A tervezett technológiák közül a termikus maghajtás elméletileg jelentős nyereséget tesz lehetővé, miközben viszonylag reális. Ezt a technológiát alkalmazzák a NASA referencia-forgatókönyvében ("DRA 5.0"). Az ilyen típusú meghajtás fajlagos impulzusa (900 másodperc) a duplája a manapság alkalmazott legjobb kémiai meghajtási rendszereknek (hidrogén / oxigén pár), ami azt jelenti, hogy ha az üres tömeg megegyezik a 2 hajtás típusával, akkor felét kell felvenned az üzemanyag ugyanazon tolóerő előállításához. Kísérleteket végeztek az 1960-1970-es években a NERVA motor körül , ami bizonyítja a megvalósíthatóságot, de vannak azonban jelentős hátrányai: a motor tömege büntet , a nagyon vaskos hidrogéntartályok megnehezítik az esetleges légrögzítést , a sugárvédelmet növelni kell, és végül biztonsági okokból nagyobb magasságban kell elindítani az atomreaktort. Más ígéretes technikákat vizsgálnak, mint például a VASIMR thruster , de ezek nagy szakaszokban történő megvalósítása csak nagyon hosszú távon képzelhető el.
Az űrhajó a legénység föld és Mars közötti átszállításához használtAz űrhajónak, amelyet a legénység a Föld és a Mars közötti átszállításhoz használ (az MTH modul vagy a Mars Transit Habitat a NASA számára), lehetővé kell tennie annak túlélését hosszú időn keresztül (akár 900 napig is, ha a levegőben van probléma). megérkezés a marsi pályára bizonyos esetekben) teljes autonómiában. Két architektúra tekinthető:
Az első lehetőség, amelyet a Mars Direct és a Mars direkt direkt szcenáriók tartanak fenn , lehetővé teszi egy nagy űrhajó összeszerelésének elkerülését a Föld körüli pályán, előnyben részesítve a marsi felszínen való találkozást másodlagos élőhellyel, és esetleg találkozást a marsi a félig közvetlen visszatérő Mars-járművel kering. Kis hajók esetében az aerokaptúra megvalósítását megvalósíthatónak tartják, ami jelentős üzemanyag-megtakarítást tesz lehetővé. A Mars Direct esetében a visszatéréshez használt élőhelyet a marsi talajról felszálló rakéta indítja el. Megjegyezhetõ, hogy ezt a lehetõséget a NASA nem vizsgálta. Referencia-forgatókönyvében a NASA valóban kínál egy speciális élőhelyet, amely biztosítja a Föld-Mars transzfer oda-vissza útját. Az 1000 napig tartó, 6 fős személyzettel rendelkező misszió fő jellemzői a következők lennének:
Különböző utakat vizsgálnak a tömeg csökkentése érdekében: az élettér csökkentése 25-ről 23 m 3- re fejenként, az űrséták kiküszöbölése (kockázatos, kivéve, ha nagyon kifinomult robotok vannak, amelyek technikáját még fejleszteni kell), a meghajtás kiszervezése modul, fogyóeszközök ...
A legtöbb esetben a személyzetet vagy rakományt szállító hajó nem közvetlenül a Marson landol, hanem először a bolygó körüli alacsony pályán landol:
Ahhoz, hogy alacsony pályára álljon, az űrhajónak minimum 2,4 km / s sebességre kell csökkentenie a sebességet (több, ha az átszállítás időtartama kevesebb, mint 260 nap, ami magasabb érkezési sebességet jelent a Mars külvárosában).
A behelyezés Mars körüli pályára lehet tenni szerint 3 opció: levegő elkülönítését , féklap vagy hajtási fékezés. Ez a küldetés strukturáló paramétere, mert a választott választás a hordozandó hajtóanyagok mennyiségének nem csekély csökkenéséhez vezethet, tehát az edények méretéhez és a földi pályán történő esetleges összeállítás bonyolultságához.
Számítások készültek egy 100 tonnás űrhajóra, amely 15 méter átmérőjű pajzsot helyezett el az első vezetékére annak megállapítására, hogy a bejáratnak néhány fokos szélességű folyosón kell lennie, ha az űrhajó a Föld legkisebb átviteli sebességével navigál. a folyosó szélessége 1 ° alá esik (ez az eddig kiküldött marsi szondáknál elért pontosság határa), ha a hajó 9 km / s sebességgel érkezik . A problémát a marsi légkör sűrűségének eltérései bonyolítják: mind az évszakok, mind a porviharok befolyásolják. Ezek 10-gyel megsokszorozhatják az edényre gyakorolt aerodinamikai nyomást kis magasságban történő áthaladása során. Ma a jelenséget rosszul modellezik, és ezért nehéz megjósolni.
Általában a légrögzítés az előnyben részesített lehetőség, feltéve, hogy az érkező hajó nem túl nagy, túl bonyolult alakú vagy túl gyors.
A Marson való leszállás (belépés, leszállás és leszállás EDL) döntő szakasz. A megvalósítható technikai megoldások jelentősen visszahatnak a marsi misszió képességeire és költségeire. A forgatókönyvtől függetlenül olyan hajókat kell leszállítani, amelyek tömege 30 és 100 tonna között van (20-50-szerese az eddigi legnagyobb Marson landolt robot tömegének), a NASA forgatókönyve szerint néhány tízes pontossággal. méter (pontossága több százszor nagyobb, mint az eddig elért).
A földre ereszkedéshez a hajó vízszintes sebességének 0-ra kell esni. Érkezéskor a Marson (amikor az űrhajó bement alacsony pályára), ez a sebesség kb 4,1 km / s ( 1,6 km / s az a Hold és a 8 km / s a Föld). Ha törölni ezt a sebességet, két módszer van: használja a súrlódási erők, mint a levegő elfog, vagyis a súrlódás a légkör. Ezt teszik a pilóta nélküli űrhajók, amikor kissé lelassulva térnek vissza a Földre, ami a pálya csökkenését okozza a folyamat megkezdéséhez. Ezután a légkör teljes munkát végez, és az egyetlen súlybüntetés a hővédő pajzs tömege, amely megvédi a hajót a fékezési fázis alatt bekövetkező nagyon erős hőmérséklet-emelkedéstől (ennek a pajzsnak a tömege mégis jelentős lehet). Amikor egy bolygónak nincs olyan atmoszférája, mint a Holdon, a sebességet rakétahajtómű-tolóerő alkalmazásával törlik. De ez a megoldás rendkívül drága, mert megköveteli, hogy az edény tömegének nagy részét a felhasznált üzemanyagra fordítsák. Az feláldozandó tömeg arányos a bolygó gravitációjával: az Apollo modul Holdra helyezése így a hajó súlyának felét feláldozza az üzemanyag javára, amelynek sebessége háromszor alacsonyabb, mint a Marson.
A Mars légkörének nagyon alacsony sűrűsége (a Föld atmoszférájának 1% -a) a süllyedési forgatókönyv számára egy közbenső helyzetbe hozza a Föld és a Hold között. A Mars Tudományos Laboratórium robotja , amely 2012-ben landolt a Marson, 1500 méteres magasságból kényszerült motorokkal fékezni magát. A probléma még élesebbé válik, mivel a terhelés nehéz, vagy a NASA referencia-forgatókönyvében szereplő marsi hajók tömege 45 és 65 tonna között van. A Mars által okozott légköri ellenállás gyengesége által felvetett második probléma az, hogy a sebesség csak akkor csökken kevesebb, mint 1 Mach, ha a hajó nagyon közel van a földhöz: a hajónak és a legénységnek nagyon kevés ideje van a leszállás helyének módosítására, ha a pálya a hajó akadályokkal teli területre viszi, vagy túl nagy távolságot vesz el a célhelytől. Ezen túlmenően ez a korlátozás tiltja a leszállást olyan területeken, amelyek túl magas magasságban helyezkednek el (a Mars felületének közel 50% -a).
Kutatásokat végeznek a NASA-nál, hogy javítsák a fékezés hatékonyságát kis sűrűségű légkörben. Különböző technikákat tanulmányoznak:
Az utolsó szakaszban egy daru szakaszban, mint például a Mars Science Laboratory robot használható leszálláskor majdnem nulla függőleges sebesség elérésére.
Ha a repülés jelentős részében rakétamotorok felhasználásának drága módszerét alkalmazzuk (0,9 és 1,4 km / s közötti lassulás elérése érdekében, az edény tömegének 20–30% -át feláldozzuk az üzemanyag javára a tanulmány szerint Braun és Manning), megvalósítása nehéz, mert hiperszonikus sebességnél a motorokból történő gázkibocsátás megzavarja az aerodinamikai áramlást.
A helyszínt geológiai érdekeinek megfelelően választják meg, miközben lehetővé teszi a könnyű leszállást.
Életkörülmények a MarsonA legénységnek alkalmazkodnia kell az emberekkel szemben ellenséges természeti körülményekhez:
A Mars gravitációja megegyezik a Föld súlyának 37,5% -ával, ami lehetővé teszi a viszonylag hatalmas terhek emelését , de meg kell könnyíteni a meglévő űrruhákat, amelyek a Holdon ~ 1/6 e – g gravitációval egyenlőek voltak. .
FelszerelésekA marson való tartózkodásukhoz a legénység többféle felszerelést használ: egy olyan élőhelyet, amelyben élnek, amikor nem végeznek űrsétákat, túlnyomásos vagy nyomás nélküli rovereket, hogy lehetővé tegyék számukra egy nagyobb, jobb termelékenységű régió felfedezését, egy erőművet energiatermelés céljából opcionálisan tudományos eszközök (meteorológiai állomás, laboratórium), felszerelések az in situ erőforrások felhasználásának lehetővé tételéhez (oxigén vagy víz előállítása a légkörből), fúrógép a magok földről történő kihozásához, távirányítású robotgépek ...
6 Lander személyzete 40 t kapacitással . |
4 Lander személyzete 20 tonna űrtartalommal . |
|||
---|---|---|---|---|
Felszerelés | Szám | Egységtömeg | Szám | Egységtömeg |
Fogyóeszközök | - | 7 940 kg | - | 7 940 kg |
Tudományos anyag | - | 1200 kg | - | 1200 kg |
Robotok | 2 | 200 kg | 2 | 200 kg |
Fúrógép | 1 | 250 kg | 1 | 250 kg |
Rover nyomás nélkül | 1 | 200 kg | 1 | 200 kg |
Nyomásos roverek | 2 | 7500 kg | 2 | 7500 kg |
Üzemanyag-átviteli rendszer | - | - | 2 | 400 kg |
Élőhely | 1 | 24 560 kg | 1 | 19 870 kg |
Erőmű | 2 | 7800 kg | 2 | 7800 kg |
ISRU | 1 | 1230 kg | 2 | 1230 kg |
Az indító / kapszula visszatér a pályára (üres) | 1 | 9–12 t . | 1 | 9–12 t . |
Ergols | - | 8-10 t . | - | 8–10 t . |
Az élőhely tartalmaz egy légzárat a marsi talajon lévő kijáratokhoz. Bizonyos esetekben, így a NASA esetében is, egy felfújható pályázat (ezért könnyű szállítani) lehetővé teszi a rendelkezésre álló mennyiség növelését. Az élőhelynek rendelkeznie kell a szükséges ellátással, vízzel és oxigénnel az 500 napos tartózkodáshoz. Ebben a szakaszban nem lehet gyümölcsöt vagy zöldséget termelni a helyszínen. A NASA jelentése azt javasolja, hogy a legénység minden tagjának rendelkezzen egy személyes területtel, amely az ágyán kívül tartalmaz egy személyre szabható helyet, egy asztalt, egy számítógépet, valamint egy tárolószekrényt a személyes holmik számára. A teret nemcsak úgy kell elrendezni, hogy pihenjen, hanem pihenjen és személyes tevékenységeket is végezhessen. Annak érdekében, hogy minden űrhajósnak legyen szabad helye, miközben korlátozza az elszigeteltségre való hajlam kockázatát, a jelentés 2 fő részére javasolja a helyiségeket eltávolítható válaszfalakkal, amelyek lehetővé teszik a helyiség igény szerinti kivágását. 2. A Mars hatásáról keveset tudni. csökkent gravitáció (0,38 g ) hosszú ideig, és ezen a területen folytatni kell a kutatást. Az biztos, hogy az élőhelynek fizikai edzőeszközökkel kell ellátnia a legénységet az alacsony gravitáció hatásainak leküzdésére. Az űrállomás létesítményeinek tanulságait levonva a NASA azt javasolja, hogy ezek a berendezések tartalmazzanak egy játékos oldalt, hogy ne okozzanak fáradtságot, és hogy jól szellőző helyiségben, az élőhely fő közlekedési útvonalaitól távol helyezzék el őket.
Két marsi élőhely (forrás: NASA)
Áramtermelés nukleáris generátorral (forrás: NASA)
Példa nyomás alatt álló roverre (NASA V5 forrás)
A motoros járművek marsi talajon történő használata több okból is indokolt. A kedvező leszállási és ezért lapos hely keresése veszélyeztetheti a telepítést olyan helyektől, amelyek messze vannak a tudományos érdeklődésre számot tartó helyektől, de leggyakrabban domborművek vagy meredekségek jellemzik. Másrészt egy 18 hónapos tartózkodás során valószínű, hogy az összes gyalogosan elérhető helyet feltárják, még akkor is, ha az űrséták száma korlátozott marad. Végül egy jármű lehetővé teszi a helyszínre utazással töltött idő csökkentését, ezáltal javítva a tudományos munka termelékenységét és csökkentve a felhasznált fogyóeszközöket az űrhajósokra nehezedő fizikai erőfeszítések korlátozásával. Az Apollo program részeként azt mérték, hogy a rover használata jelentős nyereséget eredményezett 100 méteres távolságból.
A forgatókönyvtől függően a legénységnek van egy vagy több járműve, amelyek növelhetik felfedezési sugarukat. Nyomás nélküli és könnyű lehet, mint a holdjáró, vagy nagyobb önállósággal nyomás alatt lehet. A nyomás nélküli jármű személyzete űrruhájával együtt használta. Ennek a járműtípusnak lehetnek tartályai, amelyek lehetővé teszik a fogyóeszközök (energia, víz, oxigén) újratöltését. A jármű navigációs és távközlési rendszerrel rendelkezik; lehetővé teszi szerszámok és minták szállítását. A fúróeszközök speciális pótkocsiban szállíthatók. A nyomás alatt álló jármű jelentősen megnöveli az akciók hatótávolságát és az expedíciók időtartamát. Két azonos típusú rover ajánlott a NASA forgatókönyveiben, hogy lehetővé tegye a jármű javítását az ikerjárművel.
A rover üzemeltetéséhez szükséges energiamennyiség jelentős korlátot jelent a túlnyomásos roverek számára, amelyeket akkumulátorral működő villanymotorokkal működtetnének. A NASA szerint tehát egy közepes méretű (7 x 4 m ) rover , amely két embert képes szállítani egy héten át tartó kutatások során, miközben 100 km- t teljes önállósággal (7,5 tonna súlyú) megtett, 2, 5 tonna akkumulátorral és 400 m-rel kell rendelkeznie. 2 napelem (álló helyzetben telepítve), ha átlagosan 3 km / h sebességgel halad . A haladási sebesség 0,5 km / h- ra történő csökkentésével és ezen felül radioizotóp-generátorok alkalmazásával a napelemek felületét 40 m 2 -re, az elemek tömegét pedig 300 kg- ra lehet csökkenteni .
EnergiatermelésAz energiatermelő rendszer központi szerepet játszik a marsi misszióban. ISRU típusú berendezések üzemeltetésére használják, amelyek előállítják a rakéta által felhasznált üzemanyagot, így az űrhajósok ismét felszállhatnak, melegíthetik és működtethetik az élőhelyet, megrakhatják a különféle berendezéseket (fúró, rover). A szükséges elektromos teljesítmény becsült értéke az ISRU esetében 92 kW , a napi használat esetén pedig körülbelül 15 kW , amikor a személyzet a földön tartózkodik. Két energiaforrást terveznek: egy kis atomerőművet vagy napelemek használatát.
Számos tényező jelentősen befolyásolja a napelemek által szolgáltatott elektromos energiát. A Mars napsütése a bolygó Naptól való távolsága miatt kétszer olyan alacsony, mint a Földön. A napsugárzást folyamatosan szűri a marsi légkörben található por is, amely a hosszú viharok idején sűrűbbé válik. Ez a por a marsi talajon tartózkodásuk során a napelemekre települ, csökkentve hatékonyságukat. Végül a leszállóhely szélessége jelentősen befolyásolja a panelek teljesítményét.
Tevékenységek marsi talajonA leszállás után a legénység, ha a Föld és a Mars közötti átszállításuk során hosszú ideig súlytalanságot szenvedett, több napig, ha nem több hétig, nem lesz elérhető kritikus feladatokhoz.
Három feltárási stratégiaA NASA három stratégiát tanulmányozott a Mars felfedezésére egy emberes misszió révén, amelyek különböznek mind a feltárt terület nagysága, mind pedig a legénység által végzett űrséták fontossága szerint:
Azokat az élőhelyeket, amelyek a leszállási szakaszban korlátozott belső energiatartalékaikat súly okokból használták fel, gyorsan össze kell kötni egy külső energiaforrással: napelemekkel (telepítendő) vagy nukleáris generátorral. A hőelvezetési rendszer, valamint a Földdel nagy sebességű kommunikációt lehetővé tevő telekommunikációs antennák, valamint a Marson elhelyezkedő modulok, járművek és műholdak működnek. A zárt hurkú életfenntartó rendszert végül újraindítják vagy más módon ellenőrzik. Amint megvan a kapacitása, a legénységnek űrsétákat kell végrehajtania az első kísérletek kivitelezésére az élőhely közelében, a szállított járművek üzemképessé tételéhez, a felszerelés eltávolításához a hajótérből. Ha felfújható élőhely létezik, akkor telepítik és összekapcsolják az élőhely többi részével.
FelfedezésAz első tevékenység a terepi geológia : a szem és az emberi szintézis képesség lehetővé teszi olyan nyomok felismerését, amelyeket egy robot nem talál. Az ember gyorsan kiválaszthatja a felfedezés módját a látottak szerint, és megvalósíthatja a megfelelő eszközöket. A feltárás egy részét robotokra lehet bízni, amelyeket az űrhajósok távvezérléssel irányítanak, például a feltárt terület kiterjesztésére a biztonsági szabályok által előírt határokon túlra, vagy egy első helyszínre. A begyűjtött mintákat egy helyszíni laboratóriumban lehet kezdeti elemzésnek vetni, különösen a kőzet típusának, textúrájának, összetevőinek és az élet jeleinek ( kövületek , szerkezetek) jelenlétének azonosítására . A laboratórium lehetővé teszi a minták illékony vagy átmeneti jellemzőinek tanulmányozását, amelyek a Földre való visszatérés végén nem figyelhetők meg.
A férfiak jelenléte a helyszínen geofizikai és meteorológiai méréseket is lehetővé tesz : porviharok részletes megfigyelése, szeizmikus és radarhangok a földalatti építmények tanulmányozásához, különösen a víz jelenlétének felkutatásához. Az ember jelenléte lehetővé teszi a mérőműszerek pontos elhelyezését és kalibrálását. Mély földalatti szondázás végezhető az egyensúlyi állapotú vizet tartalmazó rétegekhez való hozzáféréshez, az üledékes lerakódási magok felkutatásához a földön kívüli élet vagy különleges jellemzők, például a hidrotermális lerakódások után. Hangulatos rakéták és lufik indíthatók a légkör tanulmányozására.
Végül kísérletekkel lehet kipróbálni a Mars ember általi használatát az ültetvények megvalósításakor a marsi talajon. Az űrhajósokról orvosi tanulmányokat végeznek, hogy elemezzék az ember alkalmazkodását a marsi környezethez, mind az egészsége, mind pedig képességei szempontjából.
Az expedíció tudományos sikerének előfeltétele az élőhely körüli nagy sugarú körben több helyszín feltárása. A NASA referencia-forgatókönyve szerint 100 km-es körzetben végez feltárásokat : a tervek szerint ezen expedíciók során 100 méteres mélységig fúrnak. A távolsági expedíciók felkészültek a helyszínen töltött idő optimalizálására: műholdas leolvasások tanulmányozása, távvezérelt robotok küldése a legjobb hozzáférési útvonal megtalálásához és a helyszín által felkeltett érdeklődés kezdeti értékeléséhez. A járművek rendelkezésre állása elengedhetetlen, csakúgy, mint egy navigációs rendszer, amely lehetővé teszi az űrhajós számára a tájékozódást. Az űrruhának elegendő mozgásszabadságot kell biztosítania az űrhajós számára, hogy feladatait könnyedén elvégezhesse. A legénység cselekvési körét a bevetett járművek határozza meg, de az is, hogy mekkora kapacitás és rendelkezésre áll-e egy mentőjármű, amelynek képesnek kell lennie a nehézségekkel teli expedíció helyreállítására, megbénítva annak felszerelése meghibásodása vagy baleset következtében. Ha nincs vészhelyzeti jármű, az utazási korlátot az űrhajósok azon képessége szabja meg, hogy gyalog térjenek vissza az élőhelyre. Az expedíciókban mindig legalább 2 űrhajós és a csapat tagjai állnak rendelkezésre az élőhelyen, hogy biztosítsák az állandó rádiófigyelést és részt vegyenek egy mentőexpedícióban. Az expedíciókat az évszakoknak megfelelően kell megtervezni. Nem ajánlott éjszaka kimenni vagy porvihar idején. A szerszámokat (különösen a fúrószerszámokat), a járműveket és az űrruhákat a helyszínen meg kell tudni javítani, ha a meghibásodás nem túl összetett. Az expedíciók hatókörének növelése érdekében egy előőrs telepíthető egy felfedezendő terület szívébe, amely lehetővé teszi az űrhajósok számára, hogy eltávolítsák űrruhájukat, ott pihenhessenek, és feltölthessék fogyóeszközeiket. Ez az előőrs lehet nyomás alatt álló rover vagy felfújható élőhely.
Laboratóriumi munka Élet az élőhelyen Berendezések karbantartása és javítása Visszatérési előkészületekA Földre való visszatéréshez a legénységnek el kell szakadnia a marsi gravitációtól, majd be kell injektálnia egy utat a bolygónk felé. Több forgatókönyv lehetséges. Az úgynevezett "közvetlen" forgatókönyv szerint a Mars felszínéről felszálló űrhajót a Földre való visszatéréshez is használják. Ehhez egyrészt olyan hajó szükséges, amely lehetővé teszi a legénység számára, hogy a visszatérő út 6 hónapja alatt tartózkodhasson, és képes légköri visszatérésre nagy sebességgel a Föld légkörébe, másrészt kellően erős hordozórakétára. hajó megmenekülésével a Mars húzásából. Ez a forgatókönyv a Mars Directé, de a realizmus hiánya miatt (a tömeg az indításhoz túl fontos volt) általában a Mars Semi-direct forgatókönyv mellett részesült. Ebben, amelyet a NASA is ajánl, a Mars felszínéről indított űrhajó csak taxiként működik, és kikötve a Mars körüli pályán elhelyezett űrhajóhoz, amelynek feladata a legénység visszahozása a Földre. A NASA referencia-forgatókönyve szerint ez egy olyan hajó, amely megtette a kifelé irányuló utat, míg a félig közvetlen forgatókönyv szerint ez egy olyan hajó, amelyet csak a legénység visszatérésének biztosítása céljából indítottak. A két hajó találkozása a misszió egyik legveszélyesebb szakaszát jelenti.
A fent említett két forgatókönyv szerint a Marsról felszálló rakéta olyan hajtóanyagokat használ, amelyek részben a helyszínen termelődnek, köszönhetően annak a kis vegyi üzemnek, amely oxigént nyer a marsi légkörből, mióta az űrhajó leszállt a Marsra, vagyis majdnem 4 évig. A NASA számos architektúrát tanulmányozott:
A Marsra küldött missziók számos tanulmány tárgyát képezték. A NASA 2001-es dokumentuma közel 1000 többé-kevésbé részletes projektet sorolt fel, amelyeket 1950 óta készítettek az amerikai űrügynökségen vagy más intézményekben.
Két, a Marsra küldött misszió forgatókönyve technikai szinten eddig különösen részletezett: azóta rendszeresen finomították a NASA tervezési referencia küldetésének forgatókönyvét , amelynek első változata az 1990-es évek végére nyúlik vissza. A jelenlegi verzió (5.0) egy nehéz misszió, amely megköveteli az alacsony földi pályán való elhelyezést 850 és 1250 tonna közötti hasznos teherrel, köszönhetően tíz SLS rakéta felbocsátásának. A rajongókat tömörítő Mars Society egyesület forgatókönyve, Robert Zubrin űrprofil készítette a „Mars Direct” forgatókönyvet, amelynek célja a költségek jelentős csökkentése azáltal, hogy az indítások számát kettőre vagy háromra korlátozza (Mars Semi-Direct). különösen a többcélú modulok használatára, a személyzet méretének csökkentésére és az elrendezések pontosabb kiszámítására.
Jellegzetes | NASA forgatókönyv | Mars Direct forgatókönyv |
---|---|---|
Legénység mérete | 6. | 4 |
A küldetés időtartama | 900 nap, beleértve az 540-et a Marson (együttes forgatókönyv) | |
Indítások száma | Körülbelül tíz | 2 |
Alacsony földi pálya-gyűlés | Igen | Nem |
Tömeg alacsony föld körüli pályán | körülbelül 1000 tonna | kb. 240 tonna |
Szentmise a marsi talajon | körülbelül 80 tonna | |
A személyzet áthelyezésére használt földi pálya | Orion | HAB |
A Föld-Mars tranzithoz használt élőhely | MTV | HAB |
Marsi talajon használt élőhely | HAB | HAB |
Az emelkedőhöz használt rakéta | ÉN V | VRE |
A Mars-Föld tranzithoz használt élőhely | MTV | VRE |
A legénység visszatérésére használt hajó a Földre | Orion | VRE |
A Föld-Mars meghajtás típusa | Termikus atom (NTR szakasz) | Kémiai |
Mesterséges gravitáció a szállítás során | Nem | Igen |
A Mars körüli pályára állított technika | Aerokaptúra / meghajtás | Aerocapture |
Energiatermelés a Marson | Nukleáris reaktor | Nukleáris reaktor |
Rover | legfeljebb 5 rover, köztük 2 robot és 2 nyomás alatt | Egy kis nyomású rover |
A Mars talaján történő leszálláshoz használt technika | A tanulmányban | Nem meghatározott |
Helyi erőforrások felhasználása a Marsról indított rakéta hajtóanyagai számára | Igen | Igen |
2015-ben a NASA jelentést tett közzé a 2030-as években a marsi talajon végzett emberes misszió megvalósításának tervezett stratégiájáról. Ez a dokumentum, amely nem túl pontos a marsi missziók számára alkalmazott technikai eszközökről, részletesen ismerteti a fokozatosan teljesítendő célokat és az előzetes küldetések, amelyek körkörös repüléseket tartalmaznak, egy aszteroida elfogását és leszállást a marsi Phobos műholdon . A 2015-ben fejlesztés alatt álló SLS nehéz hordozórakéta és az Orion bolygóközi űrhajó központi szerepet játszik.
2016-ban Elon Musk egy mexikói konferencián mutatta be a Marshoz vezetett küldetését.
2010- ben úgy tűnik, hogy a Constellation program költségvetési okokból történő leállítása , amelynek célja az ember visszatérése a hold talajára, az amerikai emberes űrprogram alacsony földi pályára történő visszavonását jelzi. Ugyanakkor ugyanebben az évben a NASA úgy döntött, hogy folytatja egy nehéz SLS- hordozórakéta és az Orion bolygóközi űrhajó fejlesztését . Ezeket az űrhajókat egyre bonyolultabb bolygóközi küldetések végrehajtására kell felhasználni, amelynek végső célja az emberek Marsra helyezése. Az így meghatározott stratégia, az úgynevezett "Rugalmas út" sokkal progresszívebb, mint amit a korábbi marsi projektek előirányoztak. Mielőtt az embert a Marsra helyeznék, a Hold körüli, a közeli aszteroidákon, majd a marsi Phobos holdon küldetéseket terveznek anyagfejlesztés és tapasztalatszerzés céljából. Az első SLS és Orion cislunáris űrbejáratokat a következő években fokozatosan határozták meg. A marsi rendszer feltárásának stratégiája azonban továbbra is homályos.
Közbenső küldetések: a legénység leszállása egy aszteroida és Phobos felszínénA marsi misszióra való felkészülésnek két típusú misszióját tervezik a rugalmas út keretein belül :
Ban ben 2015. október, A NASA jelentést tesz közzé "A NASA útja a Marsig, úttörő következő lépések az űrkutatásban" címmel, amely meghatározza a fő célokat és a tervezett missziókoncepciókat, amelyek eredményeként a legénység elküldődhet a marsi talajra. A dokumentum fokozatos megközelítést vet fel, amely integrálja a már eldöntött küldetéseket és a nehéz SLS- hordozórakéta és a bolygóközi Orion űrhajó körül tett építészeti döntéseket . Nem részletezi a Mars felszínének eléréséhez és a felszínen maradáshoz alkalmazott eszközöket, és nem foglalkozik a marsi program finanszírozásának kérdésével. Három fázist különböztetünk meg:
A marsi küldetés megvalósítása érdekében a NASA jelentésében meghatározta a meghozandó döntések sorát, beleértve a már meghozottakat is:
Határidő | Meghozott / meghozandó határozat |
---|---|
Meghozott határozatok | Hosszabbítsa a Nemzetközi Űrállomás üzemidejét 2024-ig |
Fejlessze ki az SLS hordozórakéta erőteljesebb verzióit: az "Exploration Upper Stage", majd az erősebb nyomásnövelő hajtóműveket | |
Állítson be egy forgatókönyvet egy aszteroida elfogási küldetéséhez | |
A teherhajók és az infrastruktúra kiépítés előtti forgatókönyvének megválasztása | |
A következő években meghozandó döntések | Készítsen űrruhát az űrsétákhoz az Orion űrhajóból |
Határozza meg a bolygóközi térben használt élőhely kapacitását | |
Válassza ki a bolygóközi térben történő utazáshoz használt meghajtórendszert | |
Határozza meg a marsi robotmissziókat, amelyek 2020 márciusa után indulnak, hogy felkészüljenek egy legénységgel folytatott misszióra marsi földön | |
Határozza meg a cislunáris térben elképzelhető jövőbeni küldetéseket | |
A következő évtizedben hozandó döntések | Határozza meg a 3. fázis küldetéseit (Phobos, Mars ...) |
Szerepének meghatározása ISRU technológiák a logisztikai marsi missziók | |
A Mars felszínén lerakódott élőhelyek megtervezése | |
Fejlessze ki a Mars felszínén használt energiatermelő rendszert |
Az SLS nehézindító kulcsszerepet játszik a marsi program megvalósításában. Végtermék-jelentés részeként2015. július(„Evolvable Mars Campaign: Status Update to SLS Evolvability TIM”), a NASA bemutatja az egymást követő hordozórakéták ütemtervét, amely betekintést nyújt abba, hogy az űrügynökség hogyan tervezi folytatni a leszálló személyzet elérését a marsi talajon. Az SLS hordozórakéta három, növekvő teljesítményű változatát kell használni: I. blokk (kapacitás: 70 tonna alacsony földi pályán), IB blokk (105 t .) És II. Blokk (130 t .).
Keltezett | Küldési kód | Indító | Hasznos teher | Célkitűzés | A küldetés (ek) további leírása |
---|---|---|---|---|---|
2018 | EM-1 | SLS I. blokk | Orion | Az SLS Orion első kísérleti repülése alacsony pályán túl tesztelt |
Küldetés cislunáris térbe legénység nélkül |
2020 | ARRM | SLS I. blokk | Orion, SEP modul és aszteroida befogó rendszer | A SEP (elektromos meghajtó modul) első tesztje | Pilóta nélküli kisbolygó befogása. |
2021 | EM-2 | SLS IB blokk | Orion | Az első SLS IB változatú járat Első legénységgel rendelkező Orion járat |
Cislunar misszió a legénységgel |
2022 | EM-3 | SLS IB blokk | Orion és bolygóközi élőhely modul | A bolygóközi élőhely modul első tesztje | Cislunar misszió a legénységgel |
2023 | EM-4 | SLS IB blokk | Orion és bolygóközi élőhely modul | Cislunar misszió a legénységgel | |
2024 | EM-5 | SLS IB blokk | Orion és bolygóközi élőhely modul | Cislunar misszió a legénységgel | |
2025 | EM-6 / ARM | SLS IB blokk | Orion, SEP és aszteroida befogó rendszer | Csavart aszteroida elfogása | |
2027-2028 | EM-7 és 8 | SLS II blokk | Orion és bolygóközi élőhely modul | Cislunar misszió a legénységgel | |
2028 | x | SLS II blokk | Marsi származási modul prototípusa | Érkezési technikák validálása marsi talajon | Pilóta nélküli nehéz modul leszállása a Marson |
2028-2033 | x | SLS II blokk | Különféle | A marsi hold, Phobos helyszíni vizsgálata a személyzet által A Mars-küldetéshez szükséges 16 fő alkotóelem közül 7 fejlesztése. |
10 SLS-járat (ebből 2 személyzettel) |
2034-2039 | x | SLS II blokk | Különféle | A legénység első küldetése a Mars földjén | 12 SLS járat |
2038-2043 | x | SLS II blokk | Különféle | A legénység második küldetése a Mars földjén | 10 SLS járat |
1988 (NASA esettanulmányok ) és 2009 között a NASA finomított egy emberre küldött forgatókönyvet a Marsra, az alacsony földi pályára szerelt, majd a Mars felé irányított különféle űrhajók alacsony földi pályára indításakor. A forgatókönyv 5. verzióját rendszeresen frissítik, és 2014-ben kiegészítést készítettek.
A 2009. évi V5 referenciaesetA legújabb verziót a 2009. február(Mars Design Reference Architecture 5.0). A forgatókönyv felhasználja a Constellation program részeként fejlesztés alatt álló két hordozórakétát - az Ares I-t, amelyet pilóta hajók indítására terveztem, és az Ares V-t, amely képes 188 tonna hasznos teher alacsony pályára juttatására -, valamint az Orion űrhajót .
Építészeti választásokA tanulmány legstrukturálóbb ajánlásai a következők:
Indulás dátuma |
Hasznos teher | Használt összetevők meghajtáshoz |
Teljes tömeg alacsony földi pályán |
Különálló SLS
indítások száma |
---|---|---|---|---|
t-28 hónap |
![]() |
|||
( 3 ) Élőhely | ( 1 ) Nukleáris meghajtás szakasza ( 2 ) Rögzített hidrogéntartály |
246,2 t . | 2.5 | |
t-28 hónap |
![]() |
|||
( 3 ) Emelési fokozatú ISRU atomerőmű |
( 1 ) Nukleáris meghajtás szakasza ( 2 ) Rögzített hidrogéntartály |
246,2 t . | 2.5 | |
t |
![]() |
|||
( 4 ) A Föld és a Mars közötti tranzithoz használt élőhely ( 5 ) Orion hajó ( 6 ) Távközlési rendszer, hűtőhűtők és napelemek ( 7 ) A Marsról felszálló hajó kikötője |
( 1 ) Nukleáris meghajtás szakasza ( 2 ) Rögzített hidrogéntartály ( 3 ) Kihúzható hidrogéntartály |
356,4 t . | 4 |
A forgatókönyv főbb jellemzői a következők (szemközti ábra):
A NASA referencia-forgatókönyve számos technikai újításon alapul, amelyek kidolgozása jelentős költségekkel, kockázatokkal és késésekkel jár. A rendelkezésre álló technológiák sokkal nagyobb mértékű újrafelhasználását választó változatot javasolják 2009-ben. A forgatókönyv fő jellemzői a következők:
Az Egyesült Államok elnökének megkeresésére a NASA tanulmányt készített a Hold és a Mars által a Nemzetközi Űrállomástól átvett emberfeltáró projektekről . A létrejött jelentés, amelyet 90 napos tanulmánynak hívtak , hosszú távú tervet javasolt a nemzetközi űrállomás befejezéséhez, amelyet alapvető lépésnek tekintenek, majd visszatérnek a Holdra, hogy állandó bázist hozzanak létre, és végül embereket küldjenek a Marsra. Ezt a jelentést széles körben bírálták, mivel túl ambiciózus és túl drága, és a kongresszus csökkentette az összes, a Föld keringési pályáján kívüli emberi kutatásra szánt forrást.
A NASA tervezési referenciája (1990 vége)Az 1990-es évek végén a NASA több emberrel végzett kutatási forgatókönyvet definiált a Mars számára. Az egyik legnevezetesebb és gyakran idézett tervezési referencia küldetés 3.0 (DRM 3.0). A vizsgálatot a Johnson Űrközpont (JSC) Marskutató Csapata végezte . A NASA különböző kutatóközpontjait képviselő emberek meghatároztak egy referencia-forgatókönyvet a Mars emberi felfedezéséhez. A terv ismerteti az első Mars-küldetéseket az alkalmazott koncepciók és a megvalósított technológiák fejlesztésével. Ez a tanulmány korábbi tanulmányokon alapul, főként a Synthesis Group (1991) és Zubrin (1991) a marsi légkörből előállított üzemanyagok felhasználásával kapcsolatos munkáján. A tanulmány fő célja a gondolkodás serkentése és az alternatív megközelítések felfedezése volt, amelyek javíthatják a megvalósíthatóságot, valamint csökkenthetik a kockázatokat és a költségeket.
A NASA tervezési referenciája (5.0) (2007)A NASA ebben a dokumentumban felvázolta a Mars felé vezetett misszió forgatókönyvének végső részleteit . Ezt frissítettük2009. január.
A Mars Direct forgatókönyvet arra tervezték, hogy bemutassa, hogy a Marsra vezetett misszió viszonylag olcsón valósítható meg (összehasonlítva a NASA által kidolgozott forgatókönyvekkel) a meglévő technológia és a vízi jármű nagy részének felhasználásával.
Miután a Marsra került, a csapat 18 hónapot tölt a felszínen tudományos kutatással. Tartózkodásuk végén a legénység az ERV segítségével elhagyja a marsi talajt, majd megteszi a Mars-Föld utat.
A Mars Direct költségeit annak meghatározása idején 20 milliárd dollárra becsülték, beleértve a fejlesztési költségeket, azaz ma 30-35 milliárd dollárt.
Az űrhajózás kezdetei óta számos küldetési forgatókönyvet javasoltak.
A nehéz emberekkel bolygóközi űrhajó (amelyet az oroszok a TMK rövidítéssel ismernek) az 1960-as években javasolt kutatóhajó volt, amelyet úgy terveztek, hogy leszállás nélkül repüljön a Mars és a Vénusz felett. Az űrhajót 1971-ben kellett elindítani, és hároméves missziót kellett végrehajtania. A Mars feletti repülés során a szondákat el kellett dobni. A TMK projekt az amerikai holdrepülésekre adott válasz volt. A projekt többek között soha nem valósult meg, mert az N1 hordozórakétát használta, amely soha nem tudott repülni.
az 2004. január 14, a Hold emberfeltöltések útján történő felfedezésére irányuló projekt, Vision for Space Exploration címmel, George W. Bush amerikai elnök kezdeményezésére jelent meg . Ez a javasolt űrprogram 2020 körül előírja a Hold előőrsének felállítását. A 2010–2020-as évtized során végzett korábbi küldetéseknek lehetővé kell tenniük a szükséges technikák kifejlesztését. az2007. szeptember 24, Michael Griffin, a NASA akkori adminisztrátora azt javasolja, hogy ennek a projektnek a folytatásaként 2037 körül megkezdhessék a Marsra irányuló emberes missziót. A NASA ekkor azt is tervezi, hogy a Holdról küldetéseket indít a Marsra. Ez a lehetőség azonban kizárt, mert egy valódi ipari komplexum telepítését igényli műholdunkon, amelyet nehéz működtetni és fenntartani. A Constellation program , amelynek valóra kell váltania az ember visszatérését a Holdra, 2004-ben indult. De a projekt finanszírozási problémákkal és ambiciózus célok hiányával küzd. A gazdasági válság kontextusában Obama elnök véget vetett a Constellation programnak, és nagyon távoli időre halasztotta a Marsra irányuló misszió minden kísérletét.
Az orosz tudósok számos koncepciót és javaslatot tettek . Az indítás dátumai 2016 és 2020 között voltak. A marslakó hajó 4-5 űrhajós személyzetét kellett volna szállítania, akiknek 2 évig kellett volna maradniuk az űrben. 2009-ben az orosz és az európai űrügynökségek egy pszichológiai kísérletet hajtottak végre a Mars500 program részeként, amelynek során egy 6 fős személyzetet (4 orosz, 1 német és 1 francia) 105 napig izoláltak egy marslakó misszió szimulálására. Ban ben2010. februárAz Orosz Szövetségi Űrügynökség (Roszkoszmosz) bejelenti, hogy a Marsra történő emberes repülés nem része Oroszország azonnali űrprogramjának, de pontosítja, hogy nukleáris meghajtású drugerek fejlesztését tervezi a Mars gyors elérése érdekében.
Orosz és európai közös misszió A közös orosz és európai misszióra vonatkozó, 2002-ben tett javaslat két hajó feladásán alapul, az egyik 6 fős személyzetet szállítja, a másik pedig ellátja a missziót. A misszió 440 napig tartana, és egy 3 fős személyzet 2 hónapig fedezheti fel a Mars felszínét. A teljes projekt értéke 20 milliárd dollár volt, amelynek 30% -át Oroszország adta.Jelentős számú tanulmány jelent meg folyóiratokban és tudományos kongresszusok anyagaiban. A Mars-utazáshoz javasolt meghajtás típusa szerint osztályozhatók: vegyi, napenergiás, nukleáris villamos, nukleáris termikus.
Március félig közvetlenEredetileg Zubrin javasolta a Mars Direct (különösen a Marsról felszálláskor túl nehéz hajó) kritikáinak orvoslására, ezt a forgatókönyvet széles körben felvette a NASA az 1997-es első referencia-küldetésében, valamint Jean-Marc Salotti , a 2016-ban "újból meglátogatott" változatban. Az ötlet az, hogy a kifelé irányuló utazáshoz az emberes űrhajót közvetlenül a Marsra kell leszállítani, egyeztetés nélkül a marsi pályára. A visszatéréshez egy kis dedikált hajó visszamegy a marsi pályára, és csatlakozik egy nagyobb hajóhoz, amelyet csak oda hoztak, hogy a visszatérést elvégezzék. A kifelé irányuló út közvetlen, a visszatérés pedig közvetett, ezért a fél direkt kifejezés. Jean-Marc Salotti szerint ez a teljesen kémiai forgatókönyv 3 űrhajóssal képes befogadni az aerokaptúrát , amely lehetővé tenné, hogy a NASA 2014-es forgatókönyve helyett 9 helyett 4 nehéz indításban valósítson meg egy SLS rakéta.
A marsi misszió eredményességéhez először tudományos és műszaki szinten kell kutatást végezni.
Az emberrel ellátott űrmisszió Marsra történő elküldéséhez bizonyos mennyiségű adat összegyűjtése szükséges a Marson uralkodó körülményekről, hogy a misszió elfogadható költség-, kockázat- és teljesítményfeltételek mellett történjen. A vizsgálatoknak négy típusú misszióra kell összpontosítaniuk: