Alarm! Много терминов!
Сегодня NASA опубликовало доклад, в котором в очередной раз оцениваются способы и риски раннего исследования Марса и его окрестностей человеческим экипажем. В семнадцатистраничном документе приводится аналитика и расчеты относительно экономической целесообразности продолжительных и краткосрочных миссий к красной планете. Исследование смоделировано на ПО, разработанном в NASA Langly -- VISITOR и EXAMINE. Расчеты строились на двух классах траекторий полета -- конъюнктивного и оппозиционного.
Как пишут авторы доклада, миссии конъюнктивного класса характеризуются минимальными общими потребностями в энергии и увеличенной продолжительностью миссий. Миссии оппозиционного класса включают маневры с высокой дельта-скоростью (ΔV), которые приводят к снижению общей продолжительности миссии с экипажем. Хотя оба класса были изучены как часть начальных исследовательских траекторий, миссии класса "конъюнкция", как правило, были в центре внимания наиболее детальных исследований миссии на Марс. Чрезмерное расходование ракетного топлива, связанное с увеличением ΔV, останавливают инженеров от рассмотрения преимуществ, способных предложить краткосрочные оппозиционные инженерии для ранних исследовательских миссий с экипажем: оценка двигательных требований для обеих концепций траектории дает существенно более высокие общие требования ΔV для траекторий оппозиции. Это влияние ΔV на требования к топливу может быть продемонстрировано уравнением идеальной ракеты, которое дает экспоненциальный рост в топливе при увеличении ΔV (см. уравнение). Идеализированное соотношение между массой топлива и ΔV, как определено уравнением ракеты, указывает на то, что при фиксированной массе двигателя и удельного импульса, увеличение ΔV на 100% приведет к увеличению массы топлива почти на 400%.
Миссии оппозиционного класса обычно исключаются из дальнейшего рассмотрения на основе результатов этого идеализированного анализа.
Однако риски, которые таит космос, естественным образом ставит ограничения для длительного пребывания живых людей: для первоначальных миссий на Марс продолжительность, проведенная вдали от Земли, будет намного больше, чем ранее достигнутая для человеческих миссий. Более длительные миссии увеличивают подверженность экипажа риску и требуют более длительного полного функционального срока службы систем космического корабля, включая этапы передвижения, поэтому докладчики приводят преимущества траектории класса "оппозиция":
"Более глубокий анализ может показать, что фактическая полезная нагрузка ракетного топлива для миссий класса "оппозиция", хотя и почти наверняка больше, может быть разумно близка к требованиям к ракетному топливу для миссий класса "конъюнкция". Общая величина ΔV не является прямым показателем потребности в топливе или требуемой стартовой массы. Разделение ΔV между маневрами (запуск с опорной орбиты Земли и возврат обратно на Землю) является критическим фактором, так как общая движущаяся масса может сильно варьироваться для каждого из схода с орбиты, составляющих миссию. Значительная доля суммарного ΔV для миссий класса "оппозиция" может приходиться на обратный сход до Земли, где суммарная движущаяся масса значительно ниже. Кроме того, общая масса полезной нагрузки среды обитания, материально-технического обеспечения, запасных частей и экипажа может быть намного меньше для миссии класса "оппозиция" из-за сокращения продолжительности миссии".
Этот вариант рассматривается в качестве начального этапа исследования, продолжительность миссий будет составлять 40 дней. В дальнейшем в планах NASA продлить миссии для исследования Марса:
"Используя современные и концептуальные краткосрочные двигательные установки, миссии по разведке человека на окрестности Марса будут включать в себя траектории класса конъюнкции или оппозиции. Миссия туда и обратно на Марс - это проблема двойного сближения, где необходимо найти траекторные решения как для исходящего отрезка от Земли до Марса, так и для ответного отрезка от Марса до Земли. Траектории конъюнктивного класса, часто называемые миссиями «длительного пребывания», выигрывают от планетарного выравнивания Земли и Марса как для исходных, так и для обратных участков миссии, сводя к минимуму общие требования ΔV. Это приводит к короткой продолжительности транзита и большой продолжительности в пространстве Марса, порядка 400-600 дней. Общая продолжительность миссий класса конъюнктуры обычно составляет порядка 1000 дней".
В докладе также перечислены достаточно серьезные и недешевые требования к компаниям, участвующим в создании кораблей для полета на Марс: если предполагается, что миссия с экипажем должна обеспечить достаточное количество расходных материалов и пригодного для жилья / хранения объема на весь период миссии, то общие требования к материально-техническому обеспечению и объему для миссий класса конъюнкции намного выше, чем для класса оппозиции. Это предположение будет применяться для ранних миссий на орбите или коротких приземлений, где экипаж будет оставаться в среде глубокого космоса (DSH) в течение большей части пребывания на Марсе. Даже в тех случаях, когда экипаж не должен оставаться в DSH, может потребоваться оснастить среду обитания на полный срок для целей на случай непредвиденных обстоятельств. Хотя требуемая полезная нагрузка и масса ракетного топлива являются двумя основными факторами в сравнении между миссиями класса конъюнкции и оппозиции, существуют и другие вопросы, которые также важно учитывать. Большинство миссий оппозиционного класса включают в себя маневр пролета Венеры и сокращение перигелия в пути. Этот маневр подвергнет команду дополнительному риску. Еще одна проблема при оценке возможности прогрессивной исследовательской кампании - это расширяемость архитектуры. В частности, для кампании, в которой используются сочетания концепций оппозиции и конъюнкции, крайне важно, чтобы элементы миссии оставались совместимыми, в то же время позволяя наращивать возможности по всем конструкциям миссий. В рамках исследования траектории, были предприняты шаги для обеспечения удобства использования многосторонней архитектуры. Основные проблемы, связанные с расширяемостью элементов, включают в себя общность систем обитания, силовых установок и жидкостных ракетных двигателей.
Как был смоделирован запуск из Земли?
Инженерно межпланетные полеты отличаются от околоземных. В докладе предполагается, что комплекс корабля будет собираться на околоземных орбитах, в беспилотном режиме присоединятся ступени и разгонный блок, а на окололунной орбите присоединится экипаж, скорее всего, доставлять его туда будут заранее. Для обеспечения последовательного сравнительного анализа в различных случаях обе концепции траекторий использовали сходные стратегии агрегирования космических аппаратов, а также сходные архитектуры транзитных двигателей. Несвинченные элементы миссии были доставлены через Block 2 космической стартовой системы (SLS) на высокую околоземную орбиту (HEO), где затем были объединены все беспилотные элементы стека. Моделирование производительности SLS Block 2 предполагало включение нового разгонного блока и усовершенствованной ракеты-носителя, чтобы обеспечить возможности доставки порядка 130 тонн к LEO (низкая околоземная орбита), так что возможности производительности были в соответствии с теми, которые описаны в руководстве по планированию миссии SLS Program Mission Planner 2014 года (SLSPMPG). Солнечная электрическая тяга (SEP) использовалась для передачи агрегированного стека в точку рандеву экипажа на окололунной орбите ( LDEO). Экипаж был непосредственно введен в LDEO для рандеву стека с использованием SLS и многоцелевого транспортного средства экипажа (MPCV). В обоих случаях использовались аналогичные химические двигательные установки с жидким кислородом (LOX) и метаном (CH4) для завершения сжигания TMI, MOI и трансземного впрыска (TEI).
Траекторные решения предполагали отлет Земли на орбиту 407 на 380 000 километров LDEO. В обоих случаях предполагался марсианский пропульсивный захват. Траектория соединения вошла в эллиптическую парковочную орбиту 1-sol, в то время как противоположная траектория использовала парковочную орбиту 250 км х 7660 км, чтобы обеспечить энергоэффективный тангенциальный вылет. Это позволяет спускаемой ступени Марса входить в атмосферу со скоростью не более 4,7 км / с в обоих случаях.
И, наконец, авторы доклада уделили внимание рискам:
Риски космическим кораблям, двигателям, автономии экипажа, вреду его здоровья, агрегации и запуска космических кораблей, возвращение на Землю, и вход в атмосферу.
Как пишут в докладе, исследовательские миссии в глубоком космосе подразумевают степень автономности экипажа, ранее не демонстрировавшуюся в ранних миссиях в космосе. Учитывая близость МКС к LEO, где доступны почти мгновенные возможности связи с Землей, лишь немногие операции экипажа проводятся в полной автономии. Однако в рамках прогрессивной кампании МКС может предоставить эффективную платформу для получения опыта автономной работы, если это необходимо. Разрыв связи в окрестностях Марса может достигать времени, превышающего 20 минут, что требует больших периодов автономной работы экипажа. Большая продолжительность миссий класса конъюнкции требует от экипажа автономной работы в течение значительно более длительных периодов времени.
Поддержание здоровья экипажа в условиях дальнего космоса может стать критически важной задачей, которая существенно влияет на общую миссию. Риски для здоровья, как непосредственного, так и скрытого характера, чувствительны к длительности и степени воздействия. Воздействие микрогравитационной среды дальнего космоса имеет довольно прямую связь с общей продолжительностью полета. В начальных исследовательских миссиях экипаж, скорее всего, будет поддерживать орбитальное жилье в течение большей части своих миссий, если не всей своей продолжительности, в окрестностях Марса. Таким образом, случай с оппозицией обеспечивает почти 50% снижение воздействия микрогравитации экипажа по сравнению с вариантом конъюнкции, предполагая выполнение орбитального или короткого "надмарсного" полета.
Еще одно важное соображение относительно здоровья экипажа в дальнем космосе относится к радиационному воздействию и смягчению последствий. Существуют два основных источника радиационного риска: солнечные частицы (SPE) и галактическое космическое излучение (GCR).
Как понятно из доклада, отправка живого экипажа -- это трудоемкое и дорогостоящее мероприятие.