هل ستصل المركبة الفضائية إلى المريخ؟

على مدار 60 عامًا تقريبًا من استكشاف الفضاء ، كانت هناك درجات كثيرة ومتفاوتة من تطوير مشروعات الرحلات إلى المريخ والكواكب الأخرى. لكن مشروع SpaceX "Starship" (Starship) يبرز فيما بينها للأسباب التالية:

1. مبادرة خاصة بالكامل والتمويل ، على الأقل حتى الآن.
2. على الرغم من الفقرة السابقة ، درجة عالية من الاستعداد. تم بالفعل إتقان إحدى التقنيات الرئيسية (المرحلة السائلة القابلة لإعادة الاستخدام) ، وهناك نموذج أولي قيد الإنشاء ، وتم اختبار المحرك.
3. الطموح. ليس فقط الطيران إلى المريخ ، ولكن البدء في بناء مستعمرة دائمة. والسفينة في المستقبل يمكن أن تحمل مائة شخص. وليس فقط إلى المريخ.
4. نقص المحركات النووية والبلازما وفضاء الفضاء . فقط LRE المتشددين فقط .

لماذا ستكون "المركبة الفضائية" قادرة على القيام ببعض محركات الصواريخ ، كالعادة ، في ظل الخفض.

تزود بالوقود الفضاء

من السمات الرئيسية لمشروع Starship استخدام موارد Martian لإنتاج الوقود لرحلة العودة. تسمح لك هذه الخطوة بالفعل بتخفيض نسبة الكوليسترول في الصاروخ إلى النصف مقارنة برحلة ذهاب وإياب في نفس محطة الوقود بنفس السرعة.


المريخ المباشر. يمكن إرجاع السفينة البعيدة وانتظر وصول السفينة مع الطاقم (القريب) ، لتوليد الوقود.

مثل هذا النهج ليس شيئًا جديدًا في حد ذاته: لا يزال إنتاج الميثان من الغلاف الجوي للمريخ والهيدروجين الناتج في مشروع "Mars Direct" لروبرت زوبرين. يتميز مشروع القناع بحجم السفينة وقابلية إعادة الاستخدام والسرعة العالية للطيران بين الكواكب. هذا الأخير هو نتيجة لحقيقة أنه من أجل الوصول إلى المرحلة الثانية من صاروخ قابلة لإعادة الاستخدام مع إنقاذ المرحلة الأولى وفقًا لطريقة Falcon-9 التي طورتها شركة SpaceX ، يلزم زيادة السرعة التي تصل إلى 7 كم / ثانية. وبما أنه من المخطط إعادة التزود بالوقود في نفس المرحلة الثانية بواسطة ناقلات قابلة لإعادة الاستخدام في قاعدتها للسفر إلى المريخ ، فمن المنطقي إعادة تزويدها بالوقود بالكامل وتطير على طول مسار سريع. من نقص الوقود ، لن يزداد خزان الوقود (وإعادة التحميل أكثر صعوبة من التزود بالوقود ، والمقصورات ليست مطاطية) ، ومن المخطط أن تكون رحلات الصهاريج رخيصة للغاية. في المجموع ، تم التخطيط لـ 6 عمليات إطلاق لكل سفينة: إطلاق السفينة نفسها و 5 عمليات للتزود بالوقود.


محتوى الهيدروجين (على الأرجح في شكل جليد مائي) في الطبقة السطحية من تربة المريخ وفقًا للقمر الصناعي أودي أودي.

لذلك ، يبقى نشر وقود الميثان - الأكسجين على المريخ من الموارد المحلية. وهي: "المياه الجوفية" التي اكتشفتها الأقمار الصناعية (على الأرجح في شكل التربة الصقيعية ، على الرغم من أنها قد تكون سائلة أيضًا) وثاني أكسيد الكربون من الجو.

مصنع الميثان

من أجل إنتاج الميثان ، من المفترض أن يستخدم تفاعل Sabatier:

CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O

والخبر السار هو أن هذا التفاعل طارد للحرارة ، بحيث يمكن تكييف الحرارة من مفاعل Sabatier ، على سبيل المثال ، لتبخر التربة. سيتعين استخراج الهيدروجين لتفاعل Sabatier والأكسجين للصاروخ بواسطة التحليل الكهربائي لمياه المريخ والماء الناتج في تفاعل Sabatier.

وفقًا للعرض التقديمي لعام 2017 ، تتكون محطة وقود BFR الكاملة من 240 طنًا من الميثان و 860 طنًا من الأكسجين. نظرًا لأن مادة الهيكل قد تغيرت منذ ذلك العرض ، ولكن ليس المحرك وقوانين الفيزياء ، يمكننا أن نفترض أن نسبة 3.58 طن من عامل مؤكسد لكل طن من الوقود يتم الحفاظ عليها. ولكن هناك تحذير واحد: كمية الهيدروجين اللازمة لإنتاج كيلوغرام من الميثان في إنتاج التحليل الكهربائي تعطي أربعة كيلوغرامات من الأكسجين. لذا بدلاً من 1100 طن ، سوف نحتاج إلى إنتاج 1200. بالمناسبة ، سيكون 100 طن من الأكسجين عند استخدامه في LSS يكفي لنحو 100 ألف يوم عمل.

يعد التحليل الكهربائي للماء عملية مستهلكة للطاقة من ناحية ، ومن ناحية أخرى ، مع التثبيت المصمم بشكل صحيح ، فإنه يتميز بالكفاءة بنسبة 100٪ تقريبًا. عند التقريب نحصل على 16 ميجا جول لكل كيلوغرام من الماء. أو 18 ميغا جول لكل كيلوغرام من الأكسجين المنتج. من حيث كيلوغرام من المنتج النهائي ، فإن تكلفة التحليل الكهربائي ستكون 14.4 MJ.

يتطلب تقطير المياه استعدادًا للتحليل الكهربائي حوالي 22-30 كيلوجرام لكل كيلوغرام من الماء (يمكن أن يعمل التقطير على سطح المريخ بالقرب من النقطة الثلاثية) ، والتقطير مطلوب فقط من أجل المياه المحلية المتسخة ، وليس هدر تفاعل ساباتير ، وتكثيف المكونات في حالة سائلة (للأكسجين باستثناء كفاءة الثلاجة داخل 0.4 MJ / كجم). لا يمكن تقدير تكاليف التحكم في درجة الحرارة لمكونات الوقود في الخزانات دون معرفة تصميم السفينة بالضبط. لذلك سنفترض أننا نحتاج إلى 20 ميجا جول لكل كيلوغرام من المنتج النهائي. أو +5.6 MJ لتغطية التكاليف غير المرتبطة بالتحليل الكهربائي.

هكذا. قدرنا الطاقة المطلوبة من 20 ميغا جول لكل كيلوغرام من المنتج. من ناحية ، هذا كثير. ولكن من ناحية أخرى ، فقد مر عامان بين نوافذ الإطلاق ، لذلك لدينا الكثير من الوقت لإنتاج 1200 طن من المنتج. عامين حوالي 60 مليون ثانية ، لذلك يجب أن يكون متوسط ​​إنتاجية "مصنع" الوقود ... 20 جرام في الثانية. لأن "المصنع" وعلامات الاقتباس. سيكون متوسط ​​استهلاك الطاقة 400 كيلو واط.

يختفي مفاعل نووي - تمتلك جميع محطات الطاقة النووية الفضائية الواقعية طاقة كهربائية أقل من المطلوبين. SpaceX أيضا لن يسحب تطوير محطة للطاقة النووية مع الطاقة المحددة المطلوبة. لكن قناع لديه تسلا مع مدينة سولار السابقة ، وإنتاج الألواح الشمسية.


محطات الطاقة النووية السوفيتية الفضاء. لم يصل مشروع Topaz-100/40 إلى الفضاء. والجميع ، بعبارة ملطفة ، ليست مستوحاة من مدة العملية في وضع الطاقة القصوى

والخبر السار هو أن محطة الوقود لا تحتاج إلى بطاريات عازلة. إنتاج وقود الصواريخ هو شحن البطارية. لذلك يكفي حساب مساحة الألواح الشمسية المطلوبة لتوفير طاقة متوسطة 400 كيلوواط فقط ، مع مراعاة متوسط ​​الدورة اليومية.

في المتوسط ​​، خلال سنة المريخ ، يبلغ ثابت الطاقة الشمسية حوالي 600 واط / م 2. نحن نفترض أن SBs تقع ببساطة على منحدر الحفرة في وضع مثالي لخط عرض معين - وهذه هي أيضًا الطريقة الرئيسية لتثبيتها على الأرض. باستثناء العواصف الترابية ، يسقط 191 واط من الضوء (600 / pi) للمتر المربع في يوم المريخ المتوسط. لحساب العواصف ، نقدم معامل 0.7 (لا أعرف الأرصاد الجوية المريخية ، لكنهم على الأرجح سيختارون مكانًا به عدد أقل من الغبار). نتيجة لذلك ، مع كفاءة 20 ٪ ، نحصل على 26 واط لكل متر مربع في المتوسط ​​في اليوم الواحد. مرة أخرى ، من أجل الراحة والاعتمادية ، ننتهي ، ولكن هذه المرة قد يصل إلى 20 واط / م 2. للحصول على 400 كيلو واط المطلوبة ، ستكون هناك حاجة إلى 20،000 متر مربع أو 2 هكتار من الألواح الشمسية. في خدمات السلامة المنزلية والعامة الحديثة ، تبلغ الجاذبية المحددة حوالي 10 كجم / م 2. جنبا إلى جنب مع مربع للتركيب على السطح ، على الأرض ، حيث يكون ضغط الرياح أوامر أقوى من المريخ. في حين أن مصممي هذا الصندوق قاموا بتحسينه من أجل قابلية التصنيع ، وليس الوزن. الخلايا الشمسية المرنة (مرة أخرى للأغراض المنزلية) لها ثقل معين يبلغ 3.5 كجم / م 2. على كوكب المريخ ، يمكن ببساطة طرحها على الأرض - عند ضغط 6 ميغا بايت ، لا تستطيع الرياح حملها بعيدًا. ولكن سيكون بمقدورها إحضار الغبار الذي يجب تفجيره أو إزالته بواسطة الروبوتات أو رواد الفضاء أنفسهم (كان على سبيريت انتظار "الشيطان المغبر").


سات مرن للأرض

لكن لنفترض ، مع الأسلاك ، أن محطة الطاقة الشمسية لدينا لا تزال تزن 10 كجم لكل متر. بالنسبة للبطاريتين المطلوبتين ، نحتاج إلى 200 طن. على الرغم من حقيقة أنه وفقًا لخطة المريخ ، في البداية تبدأ سفينتان غير مأهولتين ، وفي النافذة التالية - شحنتان و 2 أفراد مع طاقم لا يزيد عن 10 أشخاص. ما مجموعه 6 سفن ومن 600 إلى 900 طن على سطح المريخ. تم الحصول على الرقم الأول من افتراض أنهم لن يكونوا قادرين على الوصول إلى 150 طنًا من صهاريج الشحن أو لن يكونوا قادرين على (و 100 طن من الصواريخ الموجودة في IEO موجودة تمامًا). على الأقل 3 مرات أكثر من المطلوب.

ولكن بجانب مصنع الوقود ، ستكون الطاقة مطلوبة ...

SJO

أولاً ، إنه الشيء (الأشياء) الرئيسية: لن تتمكن روسيا من مغادرة SpaceX بدون مرحاض فضاء . والحقيقة هي أن موثوقية مرحاض الفضاء السوفيتي مقارنةً بـ Shuttle WCS لم تكن بسبب التقنيات السرية السوفيتية العليا ، ولكن بسبب حقيقة أن الأمريكيين قاموا بتعقيد نظامهم من خلال محاولة أتمتة عملية إخلاء البراز بعيدًا عن رائد الفضاء. مما يؤدي إلى انسداد وغيرها من "أفراح". أثناء وجوده في النقانق السوفيتية الروسية ، لم يضمن تدفق الهواء سوى الضغط على البراز على سطح الكيس المثقب ، والذي يجب تخزينه باليد بعد الاستخدام. على Skylab ، كان لدى الأمريكيين نظام أكثر بساطة حيث كانت كيس البراز محكمة الإغلاق وتطلب دفع نفاياتك بأصابعك (باستخدام أكياس خاصة) إلى داخل الكيس ، ولكن كان يحتوي على نظام ضخ للبول. يمكن لـ SpaceX رفع الرسومات الخاصة بمرحاض Skylab (والتي ، على الرغم من الحاجة إلى عمليات تلاعب إضافية مع العبوة ، يمكن الاعتماد عليها أكثر من مثيلاتها الروسية) وتطوير نظيرها التماثلي الخاص بالاتحاد مع الضغط على النفايات في الحقيبة باستخدام مجرى هواء.


مخطط المرحاض الفضاء السوفيتي. يمر البول عبر أنبوب به تيار من الهواء ، ويبقى البراز في المقصورة برقم 5 ، يتم ضغطه بواسطة تيار من الهواء.


المرحاض المكوك الأمريكي. يرتبط التعقيد الأكبر (والموثوقية المنخفضة) للنظام بمحاولة إخلاء البراز في نفس التيار الذي يحمل البول.

سوف ننتقل من التخلص من النفايات إلى الاحتياجات البشرية الأخرى. كما يتضح من الجدول (مأخوذ من هنا ) ، فإن الحاجة إلى طاقم مكون من 6 أشخاص لرحلة تدوم 500 يوم (أي أقل قليلاً من المدة المتوقعة لبعثة المريخ في المركبة الفضائية) ستتطلب 58 طناً من الأكسجين والغذاء والماء. منها الماء 50 طن.



من حيث المبدأ ، مع الأخذ في الاعتبار المسار السريع لرحلة "المركبة الفضائية" (يعتمد الوقت على نوع المواجهة ، ولكن في المتوسط ​​115 يومًا) ، يمكن إدارة إمدادات المياه على متن السفينة. ولكن نظرًا لأن مصنع المريخ لا يزال يتطلب تطوير تقنية لإعداد المياه المحلية للتحليل الكهربائي (أي التنقية والتقطير) ، فمن الممكن التجديد.

تزن أنظمة استعادة المياه المطورة في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية لمحطة مير 2.4 طن لكل طاقم مكون من 6 أفراد. في حالة استخدام المياه المستخرجة من البول لإنتاج الأكسجين عن طريق التحليل الكهربائي (كتلة البول في اليوم تتزامن تقريبًا مع الحاجة الإنسانية للأكسجين في نفس الوقت) ، سيكون المستهلك الرئيسي هو المحلل الكهربائي مرة أخرى مع 18 ميغا جول لكل كيلوغرام من المنتج. الأكسجين للشخص الواحد في اليوم يتطلب حوالي كيلوغرام ، مما يعطي الطاقة التي يستهلكها محلل كهربائي 208 واط للشخص الواحد. أكرر ، في حالة وجود فراغ يتطلب حوالي 22 كيلو جول لكل كيلوغرام ، وهو أمر لا يكاد يذكر على خلفية تكاليف التحليل الكهربائي ، حتى مع الأخذ بعين الاعتبار الحجم الكبير من المياه المنزلية. بعد قبول الطلب على الطاقة البالغ 300 واط لكل شخص ، بما في ذلك تكلفة الإضاءة وشحن الأجهزة اللوحية (مع خرائط الفضاء ، نعم) ، نحصل على 30 كيلوواط لسفينة ذات 100 مقعد. هذا هو ضعف ما هو مصدر الطاقة لسواتل الاتصالات الحديثة (ما يصل إلى 15 كيلو واط لكل قمر صناعي). عند الوصول إلى المريخ ، يتم إيقاف تشغيل تكاليف التحليل الكهربائي للماء لتوفير الأكسجين - ينتج مصنع الوقود بالفعل 100 طن إضافي من الأكسجين في التزود بالوقود.

والإشعاع

خطرها مبالغ فيه إلى حد كبير. يوجد في الفضاء مصدران للإشعاع: الشمس ، التي تعطي الكثير من جزيئات الطاقة المنخفضة نسبيًا ، ولكنها تشع من اتجاه واحد فقط ، و GKI ، "تتألق" بكميات صغيرة من جزيئات الطاقة العالية من كل مكان. وفقًا لذلك ، يمكنك حماية نفسك من الشمس ببساطة عن طريق التخطيط - من خلال تحويل المقصورات غير السكنية إليها. في الواقع ، تم التخطيط لهذا ، كما يتضح من موقع SB على الأقل في المركبة الفضائية (انظر الصورة). GKI أسهل في التحمل ، لأن الرحلة تمر على طول مسار سريع. إن جرعة GKI المستلمة أثناء الرحلة أعلى من ناحية من معايير العمال الدائمين في الصناعة النووية ، ولكنها من ناحية أخرى أقل بعدة مرات مما هو مطلوب لتطوير مرض الإشعاع المزمن.


تقدم بعد ذلك. القضية مختلفة الآن ، ولكن موضع SB لا يزال هو نفسه.