На главную Новости Статьи Гостевая книга Галерея Ссылки


Минимальный проект марсианского корабля

Межпланетный корабль на основе существующей ракетной техники


1. Общая концепция

На каком корабле лететь к Марсу? Наверно на маленьком, особенно если его будет отправлять в дальний космос не супердержава, а общественный фонд.

Определимся с численностью экипажа.

Экипаж может состоять минимум из двух космонавтов, но фактически это нереально, вдруг там возникнет неразрешимый конфликт, и они поубивают друг друга. Экипаж численностью больше 4 человек уже нельзя отнести к минимальному варианту.

Поэтому принимаем оптимальный вариант - 3 человека.

Теперь определимся с общей компоновкой.

Пусть корабль у нас будет состоять из жилого блока, где собственно и будут постоянно находиться космонавты и корабля возвращения, на котором они совершат посадку на Землю.

Итак, полезная нагрузка: жилой блок и корабль для посадки на Землю.

Корабль для возвращения на Землю

Ничего проще и надежнее чем корабль типа "Союз" пока придумано не было. "Союз" так же отвечает и принципу минимума затрат и соответствует принятой численности экипажа и имеет минимальную массу.

Оценим минимальные габариты пилотируемого корабля. Жилой блок очевидно должен укладываться в размеры полезной нагрузки существующих носителей. Таких носителей в настоящее время существует три: "Зенит", "Протон" и "Ариан". Последний вариант мы исключаем сразу.

Полезная нагрузка "Зенита" и "Протона" должна укладываться в диаметр не больше 4.2 м и длину 8 -16 м.

Оценки массы жилого блока зависят от продолжительности экспедиции и принятых мер радиационной защиты и дополнительного оборудования в виде научной аппаратуры, личных вещей и прочего оборудования.

Продолжительность полета зависит от траектории перелета, которая в свою очередь определяется энергетикой корабля. Для минимального варианта ограничимся перелетом по гомановским траекториям и примем время экспедиции 960 суток.

Массу радиационной защиты минимизируем выбором компоновки корабля.

Из научной аппаратуры оставляем только минимум. Два-три прибора для исследования космического пространства, устройство типа мини оранжереи и комплект для медико-биологических исследований.

Личные вещи и прочее оборудование максимально ограничим.

В основе концепции полета лежит многопусковая (минимум двухпусковая схема) и предполагается, что высадки в первой экспедиции не будет. Поэтому к моменту старта пилотируемой экспедиции на орбите Марса уже находится орбитальная станция, доставленная туда раньше. Все это позволяет дополнительно минимизировать массу и габариты корабля.

Однако, исходя из необходимости обеспечения большей безопасности, корабль является полностью автономным, с ресурсом не меньшим чем полное время экспедиции. В случае нестыковки с орбитальной станцией, экипаж способен успешно завершить полет. В случае стыковки на орбите Марса ресурсы удваиваются, и экипаж имеет возможность в аварийных случаях остаться на "зимовку" на орбите Марса до прибытия спасательной экспедиции.

Принятая схема позволяет минимизировать массу пилотируемого корабля.

2. Жилой блок марсианского корабля

Габариты жилого блока примерно соответствуют габаритам полезной нагрузки принятых носителей. Диаметр 3.8 м, максимальная длина 8.5 м. Длина уменьшена до минимума, чтобы ограничить массу конструкции.

Одной из главных проблем, с которыми столкнется экипаж, в столь длительном полете будет проблема радиационной защиты. Сделать сплошную защиту на весь жилой блок затруднительно из-за большой массы защиты. С другой стороны можно сделать максимально плотную защиту только там где экипаж проводит больше всего времени - в жилом отсеке. Общая компоновка жилого блока показана на рис.1.

Компоновка жилого отсека корабля

Рис. 1. Компоновка жилого отсека корабля. 1 - двигатели ориентации, 2 - люк, 3 - стыковочные узлы, 4 - панели солнечных батарей, 5 - накладная биозащита.

В центре блока находится жилой отсек длиной 2.2 и диаметром 3.1 м. Жилой отсек укрыт специальной многослойной биозащитой. Условно под биозащиту выделено 2 т. массы. Дополнительная биозащита обеспечивается размещением элементов конструкции и запасам воды вокруг жилого отсека. Поэтому диаметр жилого отсека меньше диаметра самого блока. Жилой отсек разделен съемными перегородками на четыре кабины объемом 3.5 м3 каждая (рис.1).

Столь небольшие размеры жилого помещения связаны с тем, что именно эта часть корабля наиболее защищена от внешней радиации. Для этого стенки отсека изготовлены из многослойного материала. Часть слоев выполнено из материала с большой плотностью, для поглощения жесткой компоненты излучения. Поэтому общая масса защитного экрана достигает 2 т. Размещенное вокруг отсека оборудование так же служит для ослабления излучений. Как возможный вариант усиления радиационной защиты рассматривается возможность дооснащение корабля дополнительными панелями радиационной защиты. Часть панелей может быть установлена уже на орбите Марса, куда панели доставляются грузовым кораблем.

В центре блока находится жилой отсек, который состоит из четырех помещений расположенных радиально относительно центрального прохода. Три помещения предназначены в качестве кают для членов экипажа, а четвертое может служить кают-компанией и столовой. Особенностью компоновки является возможность трансформировать отсеки путем демонтажа перегородок. Поэтому каюты могут быть изолированными или объединенными по желанию членов экипажа.

Главной же особенностью жилого отсека является наличие панелей радиационной защиты (показано синим цветом), которые собственно и образуют стенки отсека. Кроме того, предполагается, что в отсеке могут быть установлены дополнительные навесные панели радиационной защиты. В частности один из отсеков (кают-компания) приспособлен для монтажа двух-трехслойной радиационной защиты, которую в форс-мажорных (солнечная вспышка) обстоятельствах демонтируют из других отсеков. Таким образом, создается временное радиационное убежище. Здесь экипаж должен иметь возможность провести несколько дней, здесь же находятся резервный компьютер управления. После снижения уровня радиации панели переносятся и устанавливаются на прежние места.

Практически вдоль оси всего блока тянется служебный тоннель диаметром 1 м. Только на участке командного отсека он прерывается. На концах тоннеля находятся два стыковочных узла.

Функционально жилой блок состоит из следующих отсеков: агрегатного, служебного, жилого, командного.

Агрегатный отсек находится в задней части блока и здесь располагаются стыковочный узел и двигательная установка коррекции с запасом топлива.

Служебный отсек включает два основных помещения (бытовое и шлюзовое) и нескольких служебных полостей для хранения мелкого снаряжения и запасов, кроме того, здесь же находится основная часть оборудования системы жизнеобеспечения. В бытовом помещении находится устройства личной гигиены (душ, туалет, стиральная машина). В шлюзовом посещении имеется люк для выхода в открытый космос, хранятся скафандры и некоторые инструменты.

Командный отсек функционально разделен на три зоны: зону тренажеров, свободную зону, зону управления и контроля. Основной тренажер представляет собой мини центрифугу.

В передней части отсека находится аппаратура управления и радиосвязи, аккумуляторы и короткий отрезок тоннеля перед стыковочным узлом.

Снаружи жилого блока устанавливаются штатный комплект солнечных батарей. Дополнительные узлы для установки дополнительных батарей предусмотрены в задней части блока.

Дополнительно на внешней поверхности в средней части блока может быть установлен комплект панелей радиационной защиты, что позволит снизить дозу облучения, однако увеличит массу блока примерно на 3 - 5 т. Поэтому оптимально дополнительные панели доставить на орбиту Марса грузовым кораблем и установку следует осуществить уже на орбите Марса. Ведь на орбите Марса экспедиция проведет почти половину времени и дополнительная радиационная защита будет не лишней. Перед отлетом домой панели внешней защиты демонтируются и остаются следующим экспедициям.

В результате массовая раскладка жилого блока составила:

Масса конструкции - 1500 кг.

Система жизнеобеспечения, включая основные запасы. - 5700 кг.

Биозащита - 2000 кг.

Электрооборудование - 1000 кг.

Топливо - 500 кг.

Гигиенические средства и техническая вода - 400 кг.

Бытовое оборудование. Питание из холодильника - 200 кг.

Одежда, личные вещи, оргтехника, досуг - 100 кг.

Медицинское оборудование, лекарства, витамины - 100 кг.

Инструмент, контрольно-измерительные приборы, ЗИП - 250

Тренажеры - 250 кг.

Скафандры - 350 кг.

Защитная противорадиационная одежда - 200 кг.

Запас и прочие ресурсы - 1000 кг.

Всего 13550 кг.

 

Носитель "Зенит" позволяют вывести на низкую орбиту 14 т с наклонением 51 град, следовательно, исходя из возможностей носителя, имеется запас примерно в полтонны.

Увеличение массы полезной нагрузки повлечет за собой увеличение масс всех остальных разгонных блоков, поэтому, считая в данном случае минимальный вариант, примем массу жилого модуля равную 13.6 т.

Схему возвращения экипажа на Землю примем аналогичную той, что применялась в лунных проектах.

Предполагается, что за несколько часов до входа в атмосферу спускаемый корабль отделится от жилого блока, и после коррекции войдет в атмосферу с двумя касаниями и совершит посадку по союзовской схеме. Уже не нужный жилой блок пролетит мимо Земли.

За основу возвращаемого корабля возьмем схему корабля "Союз", но без орбитального отсека (подобно аппарату типа "Зонд" - Л1).

Хотя следовало бы применить иную форму спускаемого аппарата с более высоким аэродинамическим качеством, чтобы снизить перегрузки. Для экипажа, который долго будет в состоянии невесомости это не лишнее дело.

Массу капсулы спускаемого аппарата примем равную 3 т, что несколько меньше чем в американском корабле "Аполлон", но больше чем у корабля "Союз". Увеличение массы связано с наличием дополнительной теплозащиты и оборудования.

Для возможности коррекции траектории непосредственно перед входом в атмосферу Земли необходимо наличие корректирующей двигательной установки и запаса топлива. Поэтому снабдим возвращаемую капсулу агрегатным отсеком. Примем массу агрегатного отсека равную 1.5 т, причем 0.5 т выделим под запас топлива. Таким образом, масса возвращаемого корабля может быть порядка 5 т, с габаритами спускаемой капсулы примерно такими же, как у корабля "Союз".

Наличие запаса топлива позволяет изменять скорость на величину порядка 0.3 км/с. Ресурс пребывания экипажа в корабле может быть порядка 1 - 3 суток в зависимости от того, когда будет необходимо провести разделение отсеков.

Корабль возращения основывается на проекте корабля Л1 советской лунной программы. Как уже описывалось в разделе "Концепция" в начале на основе корабля Л1 создается корабль "Союз - Турист" - который используется для доставки туристов в орбитальный отель. Для марсианской экспедиции корабль "Союз - Турист" дооснащается необходимой аппаратурой и более мощной теплозащитой.

Жилой блок является дальнейшим развитием модулей для космического отеля и его конструктивное исполнение во многом основывается на технологиях разработанных в ходе выполнения программы полетов орбитальных станций.

Окончательно вырисовывается такая схема марсианского корабля:

Возвращаемый корабль - 5000 кг.

Жилой блок - 13600 кг.

Экипаж 210 кг.

Всего 18760 ~ 18800 кг.

Полезная нагрузка на момент отлета с орбиты Земли может составить 18.8 т.

Габариты: максимальный диаметр 3.8 м, общая длина порядка 14 м. Внешний вид корабля приведен на рис. 4.

Марсианский корабль

Целиком такой корабль может быть выведен одним пуском носителя "Протон". Однако потребность сборки всего марсианского комплекса и возможность доставки экипажа на корабле "Союз - Турист" в последнюю очередь, что позволяет экономить на числе запусков, скорее всего, приведет к тому, что выведение жилого блока удобнее будет осуществить носителем "Зенит".

3. Техника для перелета

Для отправки корабля к Марсу и возвращения обратно требуются разгонные блоки.

Всего есть четыре варианта:

  1. Электрические двигатели + солнечные батареи большой площади;
  2. Электрические двигатели + ядерный ректор;
  3. Ядерные двигатели;
  4. Химические двигатели.

Для массы полезной нагрузки в 18-20 т возможно применение всех четырех систем. Поскольку здесь рассматривается проект полета на Марс с использованием существующей техники, то я остановлюсь только на использовании химических реактивных двигателей. В частности по грубым оценкам в качестве разгонных блоков может быть использованы уже существующие в металле блоки для тяжелых ракет. Например, это может быть модифицированная вторая ступень ракеты "Зенит".

Пример корабля, где в качестве разгонных блоков используются две вторые ступени носителя "Зенит" показан на рисунке. Очевидно, что сами ступени заправленные топливом должны быть выведены на орбиту еще более мощным носителем, в качестве которого можно было использовать ракету "Энергия". К сожалению, реанимация системы "Энергия" уже видимо не возможна.

Также в состав корабля входят разгонные блоки РБ, в качестве которых могут быть использованы модифицированные блоки типа "Бриз" или типа ДМ-3, которые сейчас успешно применяются в качестве разгонных блоков для выведения полезной нагрузки на геостационарные орбиты.

Более подробно состав системы я рассмотрю в другой публикации.


Компоновка корабля на основе разгонных блоков на химическом топливе

Рис. 5. Компоновка корабля на основе разгонных блоков на химическом топливе

Продолжение следует

Marsmet, 2007 г.

Hosted by uCoz