Министерство образования и науки Российской Федерации
(МИНОБРНАУКИ РОССИИ)
МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ
(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
Факультет №3
«Системы управления, информатика и электроэнергетика»
Кафедра 304
«Вычислительные машины, системы и сети»
РЕФЕРАТ
по дисциплине «Введение в авиационную и ракетно-космическую технику»
на тему
«ПРОЕКТ КОЛОНИЗАЦИИ МАРСА КОМПАНИИ SPACEX»
Выполнил
студент группы:
М3О-109Б-18
Шагдуров Б. Б.
Проверил:
Зайцев А.В.
г. Москва.
2018 г.
Оглавление
1. Введение. История зарождения идеи полета на Марс…………………………………………3
2. Преследуемые проектом цели. Его потенциал…………………………………………………4
3. План проекта…………………………………………………………………………………….5-7
4. Применяемые технологии…………………………………………………………………..…8-11
5. Ресурсы на данный момент……………………………………………………………………...12
6. Заключение……… ………………………………………………………………………………13
Введение. История зарождения идеи полета на Марс
Почему человек всегда грезил полетом в космос? Ответом на этот вопрос может послужить то, что человек, в первую очередь как биосоциальный вид, склонен к открытиям, к поиску чего-то нового и необъяснимого. Он всегда хочет получить ответы на все вопросы, беспокоящие его сознание.
Дата первого пилотируемого космического полета – 12 апреля 1961 года: Юрий Гагарин стал первым человеком, побывавшем в космосе. К слову, в то же десятилетие было совершено еще более 35 запусков космических кораблей с человеком на борту. Данный факт говорит нам о том, что люди очень сильно заинтересованы в изучении космического пространства.
Но в данной работе речь пойдет лишь об одной из многих космических целей человечества, о Марсе. Идея колонизации «красной планеты» прослеживается уже довольно долгое время. Многие частные организации создают проекты пилотируемого полета на Марс. Но самой активной в последнее время является американская компания SpaceX - производитель космической техники. Во главе компании стоит ее главный инженер – Илон Рив Маск. Первоначальным планом американского миллиардера Илона Маска было построить на Марсе что-то вроде миниатюрной теплицы для выращивания растений (проект Mars Oasis), однако Маск столкнулся с отсутствием ракет, способных воплотить его мечту. В результате он учредил частную аэрокосмическую компанию, планирующую доставить человека на Марс. Промежуточные этапы включают в себя запуск беспилотного посадочного аппарата на Марс в 2018 году (миссия Red Dragon, проект закрыт в 2017 году), организацию постепенной доставки элементов будущей базы и запуск человека на Марс в 2026 году. Сейчас же SpaceX активно работает над проектом Starship (звездолет) (старое название - Big Falcon Rocket).
Также следует упомянуть о другом, не менее известном частном проекте Mars One, руководимым Басом Лансдорпом и предполагающим полёт на Марс с последующим основанием колонии на его поверхности и трансляцией всего происходящего по телевидению. Проект поддерживает лауреат Нобелевской премии по физике за 1999 год Герард Хоофт.
Как уже говорилось ранее, открытым на данный момент проектом компании SpaceX является Starship – космический корабль нового поколения. Данный проект также предполагает создание наземной инфраструктуры для запуска и повторного использования «топливных депо» для дозаправки на низкой околоземной орбите.
Преследуемые проектом цели. Его потенциал.
Глава компании SpaceX Илон Маск, презентуя миру архитектуру колонизации Марса, назвал два возможных пути развития человечества. Первый: человек навсегда останется на планете Земля. В этом случае рано или поздно случится событие, которое приведет к исчезновению человечества. По крайней мере, в исторической перспективе данное событие является вероятным. Альтернативный путь – это активное освоение путешествий в космос и становление человека мультипланетарным или межпланетным видом. Вопрос о том, какой путь лучше, заставляет задуматься, но в конечном итоге прийти к выводу о том, что альтернативный вариант развития событий более благоприятен. И именно то, что человек приобретет статус межпланетного вида, является главной целью SpaceX в данном проекте.
Может возникнуть вопрос: «Почему именно Марс?». Для того чтобы ответить на него, можно привести характеристики остальных ближайших к Земле планет. Одной из таких является Венера. Эта планета является высокотемпературной кислотной ванной со сверхвысоким давлением, поэтому данный вариант не рассматривается. Аналогичным образом отбрасываются и другие планеты, кроме Марса. Также Марс сам по себе является наиболее приспособленным вариантом для первых путешествий человека в космосе: у него есть атмосфера, сутки на нем длятся примерно 24.5 часа, он довольно богат ресурсами.
Проект Starship имеет большой потенциал, учитывая сегодняшнее стремительное развитие науки и техники. На данный момент можно оценить затраты на отправку на Марс одного человека с использованием традиционного подхода, то есть с организацией полета по принципу лунной программы «Аполлон». Эти затраты примерно равнялись бы 10 миллиардам долларов на одного человека. Из этого следует, что для создания самодостаточной цивилизации на Марсе необходимо намного снизить стоимость транспортировки одного пассажира. Для этого будут применяться меры, которые будут рассмотрены в данной работе позже.
В итоге, по замыслу Илона Маска уже в 2026 году на Марс отправится первая миссия с людьми на борту, а еще через полвека на Марсе будет возведен город, в котором будет жить около миллиона человек.
Также интересным фактом является то, что Илон Маск в своем недавнем интервью для телевизионной сети HBO заявил о своем желании лично отправиться на Марс.
План проекта
Как упоминалось ранее, одной из первоначальных проблем, с которыми столкнулась SpaceX, является высокая стоимость полета на Марс. Поэтому, для начала, компания планирует максимально снизить расходы на производство и дальнейшее использование ракеты-носителя и космического корабля. Ключевыми пунктами, которые могут обеспечить данное снижение, являются:
1) Многократное использование ракеты и корабля для отправлений на Марс
2) Возможность дозаправки космического корабля на орбите
3) Производство ракетного топлива на Марсе.
Чтобы понять важность первого пункта, можно рассмотреть в качестве примера пассажирский самолет Boeing-737. Если бы самолет был одноразовым, то его использование было бы слишком дорогим: полет из Лос-Анджелеса в Лас-Вегас обошелся бы в полмиллиона долларов вместо пятидесяти при многократном использовании транспорта. Но в случае с межпланетным перелетом следует учесть, что предельная частота использования космического корабля, который является «сердцем» системы, равняется, в случае с полетом на Марс, двум годам. С другой стороны, ракета-носитель и погрузочный танкер могут использоваться неограниченное количество раз. Поэтому есть смысл вывести космический корабль на орбиту с фактически пустым, но довольно объемным баком и затем использовать ракету-носитель и танкер для заправки корабля на орбите. Таким образом, предельно увеличивается полезная нагрузка космического корабля в момент его выхода в межпланетное пространство, что и является вторым пунктом снижения расходов в проекте SpaceX. Кроме того, архитектура с орбитальной заправкой позволит уменьшить размер космического корабля в 5-10 раз, снизив его стоимость, и повысит устойчивость системы к отклонениям в рабочих показателях ракеты-носителя и танкера.
Очевидно, что важную роль также играет третий пункт, то есть производство ракетного топлива на Марсе. По подсчетам, если обходиться без данного пункта, стоимость перелетов возрастет примерно на 500%. Кроме того, Марс подходит для данной задачи, так как в его атмосфере есть углекислый газ, а в почве – водяной лед. Из этих компонентов можно получать метан и кислород, а в последующем и жидкое метановое кислородное ракетное топливо, превосходящее другие виды топлива почти по всем параметрам.
В 2016 году Илон Маск представил эмуляцию отправки Starship на Марс, в котором представлена концепция полета.
Пусковая площадка представлена на изображении ниже.
Справа мы можем видеть установленный космический корабль с ракетой-носителем и мостом, в котором происходит посадка пассажиров. Слева представлен погрузочный танкер с топливом.
Следующее изображение иллюстрирует непосредственный отрыв от Земли:
Расстыковка ступеней на орбите:
После этого корабль уходит на парковочную орбиту, а ракета-носитель отправляется обратно на Землю.
Далее устанавливается погрузочный танкер на носитель:
И ракета-носитель с танкером отправляются на орбиту, где происходит заправка космического корабля.
Изображение показывает состыковку погрузочного танкера и космического корабля.
После этого танкер отправляется на Землю, а корабль отбывает на Марс.
Кроме всего, Маск презентовал развертывание солнечных батарей во время полета, которые позволят получать энергию непосредственно от Солнца.
Вход в атмосферу Марса:
Далее происходит приземление на поверхности Марса и высадка пассажиров.
В конце презентации Илон Маск заявил, что в основе данной эмуляции лежат реальные чертежи SpaceX. Поэтому осуществленный проект будет максимально приближен к данной эмуляции.
Кроме того, следует отметить, что создание Starship началось относительно недавно, однако компания уже заключила договор на первый туристический полет вокруг Луны в 2023 году с японским предпринимателем Юсаку Маэдзава.
Применяемые технологии
Технически Starship состоит из двух ступеней:
1)Космический корабль «Starship»
2)Ракета-носитель «Super Heavy» («Супер тяжелая»)
Ниже представлено изображение Starship.
Длина всего летательного аппарата внушительна и составляет 118 метров.
Конструкция в разрезе:
Основным материалом, из которого планируется изготовить внутреннюю часть аппарата, является высокотехнологичное углеволокно. Углеволокно по своей природе нуждается в качественной обработке, так как оно не очень хорошо подходит для использования с глубоко замороженными субстанциями. Довольно непросто сделать углеволокно непроницаемым как для жидкости, так и для газа, равно как и избежать растрескивания и разгерметизации. Изготовление баков для сверхнизких температур из углеволокна настолько технически непростая задача, что уровень развития технологий лишь недавно вышел на тот уровень, при котором этот процесс происходил бы без использования металлического каркаса внутри бака. Такой каркас бы увеличивал массу аппарата и создавал дополнительные сложности. Несмотря на свою высокую удельную прочность, такой материал, как углеволокно, может подвергаться растрескиванию и разгерметизации при постоянном контакте с жидким кислородом или метаном. Также сам масштаб конструкции бака представляет собой сложную инженерную проблему, поскольку требуется с высокой точностью наносить слои углеволокна на огромную матрицу и удерживать нужную температуру, чтобы итоговое изделие соответствовало всем требованиям и выдерживало колоссальные нагрузки.
Ракета-носитель Super Heavy станет первой в истории, в которой столбец производительности превысит физические размеры аппарата. Стартовая тяга будет составлять 13000 тонн. В то же время ракета помещается на пусковой площадке LC-39A, которую NASA (National Aeronautics and Space Administration - Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства в США) построило для Сатурн-5 с некоторым запасом и передало в аренду SpaceX.
Также, данная ракета-носитель будет оснащена SpaceX Raptor (Raptor) – жидкостными ракетными двигателями закрытого цикла с полной газификацией компонентов, работающими на жидком метане и жидком кислороде. Полная газификация компонентов позволяет максимизировать предельный импульс заданного типа топлива и окислителя. Данный двигатель станет двигателем с самым большим рабочим давлением за всю историю ракетно-космической индустрии, а также, вероятно, будет обладать самым высоким соотношением тяги к массе. Важнейшей характеристикой данного двигателя является то, что в вакуумной версии он способен обеспечить предельный импульс 382 м/с. Это очень важный показатель для всей миссии на Марс, и SpaceX утверждает, что они смогут выйти на него и в конечной версии двигателя.
В ракете-носителе Super Heavy будет установлено 42 двигателя Raptor. У SpaceX уже есть определенный опыт работы с большим количеством двигателей данного типа. Использование большого количества двигателей позволяет безопасно продолжить полет, даже если вдруг какой-то из двигателей откажет. Ниже представлено изображения основания ракеты носителя.
Для руления необходимо обеспечить кардановым подвесом лишь центральный кластер двигателей. В нем находятся семь двигателей. Остальные же двигатели будут жестко зафиксированы. Таким образом достигается максимальное количество двигателей, поскольку нет необходимости в том, чтобы оставлять пространство для карданова подвеса или поворотных приводов. Все система спроектирована таким образом, что при потере двигателя, она продолжит работу без каких-либо проблем.
Стоит немного подробнее рассмотреть систему нагнетания давления кислорода в сопле двигательной системы, которую планируется использовать в ракете. Идея в том, что давление нагнетается без привлечения дополнительных систем и исключительно за счет испарения самих же топлива и кислорода в теплообменниках двигателя. Полученный газ используется для создания давления в баках.
Итак, основной задачей ракеты-носителя является ускорение космического корабля до скорости примерно 8500 км/ч. Здесь важно учитывать, что для ракеты важна именно скорость, а не высота: можно провести аналогию между носителем и метателем копья, то есть носитель должен «бросить» копье, которым в данном случае является космический корабль. В то же время на планетах, не обладающих таким глубоким гравитационным колодцем как у нашей планеты, понадобится только космический корабль без ракеты-носителя.
Перейдем к рассмотрению самого космического корабля. Изображение представлено ниже.
В верхней части расположено герметичное отделение. Подробнее рассмотрим его позже. Ниже находится негерметичный грузовой отсек, в котором весь необходимый груз будет очень компактно и плотно упакован. Еще ниже находится бак с жидким кислородом – самая сложная часть всего летательного аппарата. Бак сочетает в себе функциональность бака и несущей конструкции. Данная структура бака должна выдерживать тяговую нагрузку при подъеме, нагрузку при возвращении в атмосферу, а также должна быть непроницаемой для газообразного кислорода и не вступать с ним в реакцию, что довольно сложно обеспечить. Под кислородным баком расположен топливный бак, двигатели устанавливаются непосредственно на импульсном конусе основания.
По периметру установлены шесть высокопродуктивных вакуумных двигателей без карданова подвеса (см. изображение ниже). Кроме того, установлены три атмосферных двигателя, которые обеспечивают маневрирование, несмотря на то, что есть возможность обеспечить некоторое руление в космосе за счет дифференцирования тяги на двигателях, установленных по периметру.
В конечном итоге мы получаем возможность транспортировки на Марс до 450 тонн груза, в зависимости от дозаправок танкера. Цель SpaceX – сто пассажиров на одном корабле.
По прибытии на Марс или Землю, очень важна технология «теплового щита». SpaceX использует и постоянно совершенствует данную технологию в космическом аппарате Dragon (Дракон). Ее рабочее название – PICA 3 (Phenolic-Impregnated Carbon Ablator – пропитанный фенольной смолой охладитель карбона вносом массы). Эта технология выполняет функцию тормозной подушки.
На данный момент вопросы, стоящие перед компанией, затрагивают лишь то, как минимизировать затраты на восстановление корабля и как вообще обойтись без его восстановления на протяжении нескольких полетов.
Можно отвлечься от технической составляющей аппарата и перейти к пассажирскому отсеку. Учитывая то, что длительность полета на Марс будет порядка трех (иногда более) месяцев, SpaceX старается сделать пассажирский отсек максимально комфортным, включая в него зону для игр с нулевой гравитацией, залы для лекций, ресторан.
Топливные заводы на Марсе. На данной планете есть все необходимые компоненты, чтобы без особых проблем создать топливный завод. Как уже говорилось ранее, в атмосфере Марса содержится углекислый газ, а на поверхности – водяной лед. При помощи них можно получить метан и кислород. Ключевым является источник энергии, который SpaceX планирует построить с помощью большого количества панельных солнечных батарей.