Введение

В настоящее время мы можем наблюдать как космонавтика приближается к новому шагу на пути к колонизация космоса – первому полету человека на Марс и началу колонизации Марса. Главными героями этой истории выступают И. Маск и «SpaceX». На втором плане играют NASA, ESA. РОСКОСМОС также имеет планы касательно «Красной планеты».

Негласно способом колонизации Марса был выбран запуск “космонавтов” (космических туристов в большей степени и профессиональных космонавтов в меньшей ) на космических кораблях (КК) по маршруту «Земля – Марс, без пересадок». Такие корабли превосходят размеры более привычных российско-советских «Союзов» или даже «Аполлонов» во много раз, так как в отличие от полета на естественный спутник Земли, полет к Марсу занимает не трое суток, а как минимум пять-шесть месяцев. Для поддержания человека в жизнеспособном состоянии, в течении такого промежутка времени, в условиях невесомости, кресла и пары тюбиков с космическими макарошками недостаточно.

Корабль направляющийся за 80 миллионов километров должен представлять из себя небольшой гостиничный комплекс. Услуги космической гостиницы: жилые каюты для спокойного космического сна, кухонные зоны для наслаждения макаронами из тюбиков, лаборатории — куда же без науки, санузлы и небольшой тренажерный зал, чтобы ваши мышцы не атрофировались за время полета. Теперь понятно, чем обусловлены размеры КК вроде StarShip. Для запуска подобного космического аппарата (КА) необходима и соответствующая ракета носитель, которой пока нет ни у одной из стран.

Колонизация Марса, как и колонизация Нового мира в XVII веке, требует регулярного грузо- и пассажиропотока, корабль за кораблем. В таком случае возникает потребность постоянно запускать столь значительные аппараты на орбиту. А может как-нибудь сократить затраты на эти запуски? Отвечая на этот вопрос, мы можем вспомнить, что основная масса корабля остаётся неизменной, меняются только люди и конечно топливо. А что, если всю эту массу оставить на орбите в виде орбитальной станции? И вместо 1200 т запускать на орбиту корабль только с людьми массой всего 16-20 т? Экономия очевидна.

По заявлениям господина И. Маска StarShip сможет доставлять на Марс по 100 ч-к за раз т.е. на одного пассажира приходится 1200/100 = 12 т, для четырехместного «Орла» этот показатель равен 20/4 = 5т (по другим данным всего 4 т), а для американского аналога «Орла» — «Orion» 25/6 = 4,2 т, такая значительная разница возникает за счет отсутствия излишеств и топлива на корабле[1]. В экономическом плане затраты сокращаются более чем в 3 раза, Масштаб экономии придает стоимость вывода 1 кг на геопереходную орбиту (ГПО) — 11 250 долларов США. Стоимость же запуска марсохода “Perseverance” составила 243 млн. $ США [2], получается примерная стоимость отправки 1 кг на Марс 243000 тыс. $/1025 кг (масса марсохода) = 237 тыс. $ США.

Здесь стоит заметить, что 100-мстный StarShip, является лишь теоритическим случаем, количество мест на реальном корабле скорее всего не будет превышать 30, что добавляет в выгоде использованию станции.

Конструкция

Станция состоит из 3 основных модулей, соединённых узловым. Основные модули имеют трансформируемую гермооболочку – т.н. «надувные модули».

В данном проекте за основу модулей были взяты трансформируемые модули, которые разрабатывались в РКК «Энергия» в 2016 году [3].

Данная технология позволит увеличить отношение полезный объём/масса и удешевить производство, запуск и сборку станции. Объём одного такого модуля ~360 м³, для сравнения: объём МКС 916 м³, а самого большого её модуля «Кибо» всего 80 м³. Масса до 20т., а «Кибо» 14,8 т.

Станция оборудована лабораториями, каютами космонавтов, 2-мя кухонными зонами, тренажерным залом, грузовым отсеком для хранения запасов еды/воды, санузлами, общими комнатами и прочим.

Стенки между отсеками могут перемещаться, в зависимости от целей, задач и состава конкретных миссий. Через все основные модули проходят служебные туннели, соединяющиеся в узловом модуле, создавая внутренний твердый каркас станции и представляя средство для перемещения космонавтов по ней. Также к узловому модулю крепится стыковочный для двух посадочных модулей

Энергетическая система

Расчет энергопотребления КА является нетривиальной, комплексной задачей, особенно когда не знаешь, чем в точности будет оборудована станция. Поэтому, эксперимента ради, автор пытался примерно оценить данный показатель.

Для оценки энергопотребления станции, было решено сравнить её с МКС по объёму, т.к. основные энергозатраты это вентиляция и освещение, на проведение экспериментов тратится меньше одного процента энергомощности производимой на МКС. Из 1100/916 = 1,2 (отношение объёма МКС к объёму станции) из этого получаем, что необходимо ежедневно обеспечивать 120 кВт*1,2 = 144 кВт, где 120 кВт – энергопотребление МКС в сутки [4].

На данный момент в космонавтике активно используются только два способа получения энергии: солнечные батареи (СБ) и радиоизотопные термоэлектрические реакторы (РИТЭГ). РИТЭГи получили распространение у марсоходов (Opportunity, Curiosity и тд.) и долговременных миссий (Voyager, New Horizons и проч.), благодаря долговечности и неподверженности космическим погодным условиям. К сожалению, потребности станции гораздо выше чем у этих КА и при работе РИТЭГами или небольшим атомным реактором с необходимыми характеристиками будет производиться количество тепла достаточное для поджаривания станции по типу маршмелоу, так как в условиях космоса единственным способом для охлаждения является излучение, в нашем случае для этого потребуются радиаторы чудовищных размеров, порядка 2-3 тысяч квадратных метров.

Остается «классика» — получение энергии с помощью солнечных батарей. Наиболее перспективны СБ изготовленные из галлий-арсенидных гетероструктур (GaAs), имеющие КПД η=0,285 против η=0,16 для оксид кремневых, используемых на МКС, с развитием технологий КПД также может вырасти. Согласно исследованию эксперименту, проведенному на станции Мир в 1998 г, арсенаид-галиевые солнечные панели наименее подвержены деградации ~ 3,6% в год, все остальные типы СБ (в т.ч. оксид-кремниевые) показывали значение 7% в год и 4% после того как недееспособной окажется 50% их площади [5][6].

Расчет площади солнечных батарей

Площадь S солнечных панелей из расчета на, то, что она должна работать вблизи Марса (после высадки космонавтов, электропотребление резко сократится, так как жесткость требований к условиям на станции снизится):

c – солнечная постоянная (мощность солнечного излучения на квадратный метр для тела, находящегося на орбите Земли) = 1367 Вт/м2 ; d0 – расстояние до Марса, где высадятся космонавты в а.е. (астрономических единицах).

Проще всего их установить на концах станции, в таком случае они могут быть максимально широкими и не затенять остальные солнечные батареи, важно на удалённых участках орбиты, где уровень освещенности значительно ниже чем на орбите Земли.

Площадь в 850 м² актуальна лишь в окрестностях точки назначения и большую часть времени использоваться не будет. Соответственно можно сделать допущение и сократить эту площадь, как показывает практика с МКС, где используются на сегодняшний день только 80 кВт, вместо начальных 120 кВт (на то есть разные причины: износ СБ, замена оборудования и тд.), недостача в 30% не приводит к серьезным последствиям. На представленных моделях суммарная по всем модулям (их 3 таких же) площадь СБ 760 м².

Установка солнечных батарей

Помимо солнечных панелей, на концах станции находятся стыковочные шлюзы, которые точно не предполагают дополнительных нагрузок, к тому же создается рычаг. Соответственно при повороте панелей импульс передается на служебный туннель и может повредить место его соединения с узловым модулем, что является предвестием проблем с герметичностью. Для решения этой проблемы СБ крепятся не непосредственно к шлюзу, а к кольцу, соединённому с шлюзом на расстоянии нескольких см неупругими пружинами. Все 3 кольца на каждом конце станции по одному, соединяются распорками, эта солнечно-энергетическая конструкция представляет из себя новую космическую станцию «надетую» на основную. Импульс, сообщаемый при вращении солнечных батарей, передается на конструкцию. При равномерном вращении всех солнечных ферм на кольца передаются равные импульсы, направленные под углами 120°, соответственно сумма всех импульсов этой системы равна нулю. Если все сработало, то а) станция не начинает вертеться в ненужном для нас направлении; б) не происходит износ конструкции самой станции, т.к. она с солнечными панелями не взаимодействует напрямую.

Пружины между шлюзом и кольцом необходимы на случай, если что-нибудь пойдет не по плану. В таком случае они не позволят кольцам врезаться в стенку модуля или предотвратить трение его о шлюзовую камеру.

Итого, мы имеем солнечные батареи площадью 853 квадратных метра. Такая площадь необходима для выработки достаточного количества энергии в окрестностях орбиты Марса.

Орбита станции имеет выраженную вытянутость. Если использовать площадь СБ целиком в перигелии орбиты, когда станция находится всего в 110 млн км от поверхности солнца, полученной энергии хватит, чтобы испарить экипаж и оборудование. С целью предотвращения этого необходимо поворачивать СБ на угол α от Солнца уменьшая их эффективную площадь.

Угол поворота α находится по формуле:

где d – расстояние до Солнца.

Орбита

Как говорилось, станция должна регулярно пересекать орбиты двух планет — Земли и Марса. Каждый раз, когда станция приближается к орбите Марса, там есть Марс, а когда к Земле, то там есть Земля. Соответственно период обращения станции вокруг Солнца, должен совпадать с синодическим периодом между данными планетами, т.е. временем между одинаковыми этих планет друг относительно друга.

Синодический период S считается как:

где: T – сидерический период Марса; Z – сидерический период Земли.

Орбита должна иметь эксцентриситет явно отличный от нуля, иначе она будет находится полностью за орбитой Марса, не пересекая её и орбиту Земли соответственно тоже. Чем больше отличность от окружности, тем меньшую дугу проходит КА на пути между планетами, а временные излишки остаются за марсианской орбитой. Но у высокоэллиптических орбит (e≥0,4) в нашем случае есть 2 проблемы — они слишком близко подходят к Солнцу и слишком сильно приближаются к поясу астероидов. Первое может поджарить, а осколки второго способны «изрешетить».

Как способ уменьшения метеоритной опасности от пояса астероидов можно изменять наклонение орбиты. Переводя орбиту станции в более безопасную плоскость. В таком случае будет меньший шанс встретится с инородным объектом. Основная масса пояса астероидов расположена в диапазоне 0 ÷ 20° от эклиптики [7]. Таким образом, оптимальное наклонение орбиты станции 5 ÷ 7 °, уменьшая отклонение от эклиптики увеличивается астероидная опасность, увеличивая отклонение мы рискуем столкнуться с увеличением стоимости вывода КК для стыковки со станцией. Стоит заметить, что материал трансформируемых модулей разрабатывался с учётом возможности попадания малых объектов или космического мусора на скорости 8 км/с и возможностью пережить это.

Наиболее оптимальной орбитой, подходящей под эти условия (за исключением наклонения, это независимая величина), является орбита «Mars Cycler». Марсианский Циклер или Циклер Олдрина по имени главного конструктора — проект разрабатываемый в 80-х годах прошлого века [8].

Орбита Циклера имеет эксцентриситет 0,393 и большую полуось 1,6 а.е.. Также она обладает замечательным свойством — оба раза пересекая орбиту Марса станция проходит рядом с красной планетой. Это позволит разделить и тем самым облегчить процедуры взлета/посадки посадочных модулей с космонавтами.

Сборка и отправка станции к Марсу

Сборка станции происходит на НОО высотой 600 км и эксцентриситетом около нуля, наклонение 53° при запуске частей станции с Байконура. Конечно, наиболее оптимальным наклонением для любой геопереходной орбиты является 0°, для чего необходим запуск с тропиков (как делают NASA или ESA).

Для доставки на орбиту основных модулей можно использовать РН «Союз — 2.1», для доставки узлового модуля требуется РН более тяжелого класса как «Протон — М». Основные модули отправляются в собранном состоянии, узловой – в разобранном на три части. После того как все составные будут на месте можно начинать «сборку века». После соединения всего со всем трансформируемые модули надуваются: это можно устроить за счет корабля StarShip, имеющего объём 1000 м3 (герметичный объём станции ~ 1200 м3), оставшуюся часть воздуха можно доставить вместе с оборудованием во время сборки станции. Или, как вариант, захватить на орбиту пару тысяч кислородных шашек.

После всех работ с конструкцией станции осуществляемых не без использования роботизированных систем, станция заполняется оборудованием, системами жизнеобеспечения и прочим.

Когда всё готово, будущее пристанище космодесантников дальнего плавания отправляется на рабочую орбиту посредствам “корабля-буксира”, способного разогнать станцию на ~3170 м/с. Такую дельту V способен придать станции корабль StarShip чей запас характеристической скорости с учетом массы разгоняемой станции (ради расчета взят максимум – 70 т) составляет примерно 7690 м/с.

Счастливое будущее

Станция была выведена на нужную орбиту. Первый станционный год (2.1 земных) всё было спокойно, наша героиня, оставленная людьми близ Земли, рассекая межпланетные просторы мчалась навстречу неизвестным тайнам Вселенной. На своем пути она не встретилась ни с какими препятствиями. И вот! Она вернулась в родную гавань, где на двух белых «Орлах» её уже ожидали космонавты, мечтающие покорить Марс. За термощитами кораблей виднелась пара ишачков [1] с того же завода РКК «Энергия»

«Энергии» с запасами еды и воды для доблестных покорителей космоса. Средства доставки стыкуются с неподражаемой героиней данного рассказа, она как Луна в суперлунии поражала наблюдателей красотой терминатора…. Космодесантники разбились по каютам, готовятся к научной программе на долгие шесть месяцев пути….

Спустя 4.8 месяца (находясь в точке M1 орбиты) космонавты переходят в 2 посадочных модуля установленных в стыковочных узлах на корме станции и производят посадку на обитель бога войны. Следующие 2.5 года в контексте нам не интересны.

Спустя указанный выше срок станция, скинув очередную порцию ученых в точке M1 и подлетев к М2 принимает первый отряд космодесантников и отправляется на Землю, где их ждет родной уют.

Подписаться на рассылку

• Космос как ощущение
• Почему вокруг спускаемого аппарата Орион облако плазмы
• Электричество. Впервые на войне
• Синдром Такоцубо
• Сохранение гигантов: генетика в экологии