МАРСИАНСКИЙ ЭКСПЕДИЦИОННЫЙ КОРАБЛЬ С ТЕПЛООБМЕННИКОМ - ИЗЛУЧАТЕЛЕМ КАПЕЛЬНОГО ТИПА

Планы пилотируемою полета к планете Марс предлагались еще в те времена, когда, ракетная техника делала первые шаги от искусства к науке, почти 100 лет назад.

Практически все пионеры ракетной техники Циолковский., Годдард и другие указывали, что человечество способно достичь Луны с помощью ракетных кораблей.

«Красная планета» манит исследователей своими загадками, возможностью создать на ее поверхности внеземного поселения и широкой последующей колонации.

К началу XXI века сложились реальные предпосылки для перехода к комплексной программе изучения и освоения Марса с помощью автоматических и пилотируемых кораблей. Среди них:

• научные (объем знаний, накопленных человечеством, позволяет успешно выполнять полеты на Марс);
• технологические (созданы и испытаны разнообразные образцы ракетно- космической техники, необходимые для осуществления пилотируемого полета на Марс и для обеспечения длительного пребывания космонавтов на его поверхности);
• экономические (материальные и финансовые ресурсы могут быть выделены странами мирового сообщества без существенного напряжения экономики);
• международные (осознание целесообразности объединения усилий передовых стран мира, в рамках всемирной научно-технической программы изучения и освоения Марса).

Первое серьезное исследование возможности полета человека на Марс в Советском Союзе было начато в отделе ОКБ-1 под руководством Тихонравова. Планировалась полная экспедиция с высадкой человека на поверхности. В основном все соответствовало классическому сценарию, разработанному Вернером фон Брауном в 1948 г. Космический корабль MПK (Марсианский Пилотируемый Комплекс) собирается на околоземной орбите. Используя обычные ракетные двигатели на жидком топливе, корабль выходит на орбиту вокруг Марса. Посадочный модуль опускается на поверхность. После года исследований на Марсе экипаж возвращается на Землю. Согласно расчетам, начальная масса МПК должна составить 1630т. После окончания 30-месячной миссии на Землю возвращается аппарат весом только 15 тонн. При запланированной полезной нагрузке Н1порядка 75...85 тонн, для сборки MПK потребовалось бы от 20 до 25 запусков. Основная проблема - это проблема снижения массы выводимой с Земли на околоземной орбите (ОЗО). Ее можно снизить несколькими способами:

• тормозной щит (в настоящее время отсутствует опыт конструирования тормозных экранов диаметром 30 метров и больше, а также опыт управления аппаратами подобной формы при полетах в атмосфере Земли или Марса);
• солнечная ДУ - развертывание конструкций площадью не менее 4-х гектаров, ориентация на Солнце в процессе межпланетного перелета, обслуживание и ремонт представляют собой достаточно сложную техническую задачу;
• уменьшение полетной нагрузки (такой способ не применим в концепции постоянного пребывания на Марсе);
• перелет по траекториям близким к Гомановским (увеличивается облучение экипажа и возрастает вероятность попадания под воздействие солнечной вспышки).

Критерии разработки ТКС:

• обеспечение безопасности, благополучия и длительной работоспособности космонавтов;
• массовые ограничения для научного оборудования не должны занижать уровня научных исследований;
• неприемлемость символических экспедиций ц₀ принципу; «прилетели. наследили, воткнули флат и улетели»;
• использование компонентов ТКС в других программах •пучения космоса (например, лунной экспедиции);
• минимизация стартовой массы при выполнении предыдущих 4-х критериев.

Исходя из описанных в пункте 5-и критериев, нами был разработан Марсианский экспедиционный корабль. Смысл запуска двух МЭК вместо одного заключается в том, что в случае повреждения одного из них, его экипаж может на КАС перелететь на другой МЭК и продолжить экспедицию на нем. В целях облегчения МЭК не несет никакой дополнительной нагрузки, исключая даже посадочные модули. Экипаж каждого МЭК проживает в жилом модуле массой 15 тонн, присоединенный к шаровому стыковочному модулю массой 5 тонн. Помимо жилого модуля в состав МЭК входят:

• КАС. Предназначен для доставки экипажа на МЭК, возвращения на Землю, а также покидания МЭК в аварийных ситуациях. В качестве прообраза можно использовать КД «7K-Л1» массой 5,75 тонн;
• Лабораторный модуль. Предусматривает создания в одном комплексе оборудования для проведения широкого спектра исследований, например, биологические, астрономические, технологические. Здесь размещается зона медицинского контроля. Модуль представляет собой жилой модуль типа «Салки -7» массой 15 тонн, длиной 16 метров;
• Жилой модуль является тем элементом МЭК, в котором космонавты   должны проводить основную часть общего времени по трассе Земля-Марс. Жилой модуль идентичен лабораторному модулю. Масса модуля 21 тонн;
• Модуль для сна и отдыха. Модуль изолирован от других жилых модулей и пристыкован к шаровому модулю снизу. Масса модуля 19 тонн. Длина 15 метров;
• ШСМ. К шаровому стыковочному модулю пристыковываются космические корабли и модули. Диаметр IIICM 6 метров, масса 5 тонн;
• Баки с рабочим телом. В них находится рабочее вещество для ЭРД. Масса 169_,6 тонн. Идентичны бакам на АГК;
• Реакторно-машинный модуль является источником электроэнергии для ЭРД. Масса 73,5 тонн. Идентичны РММ на АГК;
• Блоки ЭРД. Предназначены для создания реактивной тяги. Масса 57 тонн. Идентичны БЭРД на автоматический грузовой корабль (АГК);
• Теплообменник-излучатель. Предназначен для сброса в космос излишнего тепла вырабатываемого РММ. Масса 13,5 тонн. Конструктивно аналогичен теплообменнику – излучателю на ЛГК. Общая масса Марсианского экспедиционного корабля 324.35 тонн. Перелет осуществляется со временем перелета 135-180 суток, что исключает сильное облучение от галактическое космическое излучение ГКИ, а также вероятность попадания под воздействие солнечной вспышки.

Рассмотрим ДУ. Она является источником ионизирующего излучения, поэтому крепится к полезной нагрузке и жилым модулям посредством длинной фермы для уменьшения дозы облучения. В ее состав входят:

• ракетно-машинный модуль (РММ);
• блок электрических реактивных двигателей (БЭРД);
• теплообменник-излучатель (ТИ);
• баки с рабочим телом.

В настоящее время очевидна объективная необходимость увеличения энерговооруженности космических аппаратов не только «дальнего» назначения, предназначенных для исследований планет, астероидов и т.д. но и аппаратов, эксплуатирующихся на околоземных орбитах и выполняющих задачи мониторинга, связи, навигации и другие. Сегодня обсуждаются проекты космических энергоустановок с мощностями от сотен киловатт до мегаватт. Однако, принципиальной особенностью и трудностью на пути создания подобных систем, является разработка устройств сброса низкопотенциального тепла. Для получения приемлемых КПД космических энергоустановок необходим отвод тепла с низкотемпературной части цикла, осуществляемый с помощью излучателей. В настоящее время используются трубчатые излучатели, а также излучатели, выполненные на основе тепловых труб.

С увеличением мощности их масса составляет все более заметную долю обшей массы энергосистемы, а габариты существенно влияют на габариты солнечной установки и определяют габариты ядерной. Преимуществами традиционных излучателей являются простота и технологичность, недостатками - большая масса и метеорная уязвимость. На МЭК набрано 18 секций, общей площадью 558 м². Общая масса ТИ 13,5 тонна. Задачей данного изобретения является уменьшение безвозвратных потерь тепловой энергии, т.е. увеличение КПД энергоустановки космического летательного аппарата (КЛА), а также одновременное увеличение эффективности охлаждающей системы. Поставленная задача решается тем, что теплоноситель холодильника-излучателя получает тепло от теплоносителя энергоустановки и(или) системы термостабилизации КЛА. В системах охлаждения КЛА теплоноситель холодильника-излучателя получает тепло от теплоносителя энергоустановки и(или) системы термостабилизации КЛА через обычный теплообменник. Под воздействием вибрации струйки разбиваются на капли определенного размера с равными промежутками между ними. Разбиение обеспечивает максимальную свободную поверхность капли при заданном объеме. Путем ориентации отверстий создается направленный поток капель, падающих на коллектор. Отвод тепла происходит на участке между генератором и коллектором. В коллекторе капли объединяются в единый поток жидкости, который с помощью насоса под повышенным давлением возвращается в теплообменник. Замена твердой поверхности на капельный поток может привести к уменьшению веса радиатора на порядок. Другие преимущества капельного радиатора состоят в его нечувствительности к попаданию микрометеоритов, и в компактности. Но в тоже время не решена проблема потери рабочей жидкости вследствие испарения и возможного непопадании в коллектор. К тому же испарившееся вещество оседает на элементах конструкции ОТКС, что может заметно сказаться на его работоспособности. Не понятно также, как будет работать подобная схема на пониженной мощности в моменты выхода реактора на расчетную мощность и при его захолаживании. Сборка МЭК осуществляется на ОЗО высотой 400 км, на орбите которой находится межорбитальный транспортный аппарат (МТА), куда доставляются элементы МЭКа(РММ,БЭРД, топливные баки и др.). Затем МЭК с помощью МТА переводится на более высокую (1000км.) орбиту, считающуюся безопасной для запуска ядерного реактора. После расстыковки с МТА, МЭК запускает ДУ автоматическом режиме. Через несколько дней, когда высота орбиты достигнет 42000 км с Земли производится запуск экипажей, располагающихся в двух кораблях аварийного спасения (КАС), выводимых двумя РН «Ангара». В течение этого времени одна часть экипажа занимается подготовкой к планетным операциям, а другая - расконсервацией грузового модуля АГК с Марсианской орбитальной станцией (МОС), и развертыванием на первоначальном этапе станции и т.п. От AГК с МОС отстыковываются грузовой и научные модули, которые совершают посадку на поверхность Марса в заданном районе.Затем производится посадка жилого модуля с космонавтами на борту. Время их пребывания на поверхности планеты 2-3 недели. После решения всех работ на поверхности Марса производится старт с посадочного модуля взлетного модуля и стыковка с МЭК с МОС. В случае неисправности взлетного модуля при старте, производится посадка резервного посадочного модуля, с помощью которого космонавты возвращаются на борт AГK с МОС. После завершения околопланетных операций экипажи занимают свои места в МЭК и, расстыковавшись, разгоняются, до нужной скорости. На обратном пути также производиться корректировка траектории. При подлете к Земле экипаж переходит в КАС и отстыковавшись от МЭК направляются к Земле, в атмосфере которой совершают аэродинамическое торможение и посадку. МЭК переводится на низкую ОЗО, где реакторы заглушаются. После стыковки с ожидающими их МТА, они транспортируются на  350-400 км, где проходят послеполетный осмотр, а в случае необходимости ремонтируется. Шаттлами на Землю доставляются отработанные элементы: оборудование и приборы, грунт и материалы с Марса. После дозаправки МЭК готовы ко второй экспедиции на Марс. Рабочий ресурс МЭК составляет 10 лет, т.е. 4-5 полетных цикла.

Преимущества МЭК перед другими конструкциями:

•  большой КПД необходимый для крупномасштабного освоения Марса и создания на ее поверхности научно-исследовательской базы (КИП проекта NASA 6%. Stuhlinger =7.6%. Семфордского =3.3%. МЭК 14.5%). Минимум двукратное резервирование всех систем, от которых зависит жизнь космонавтов;
•  использование аргона в качестве рабочего тела;
•  использование компонентов, элементов, узлов МЭК в других космических проектах (например, РММ для космических электростанций и заводов, в высокоорбитальных буксирах, как энергоисточника для лунной и марсианкой базы и т.п.);
•  большая универсальность в доставляемых грузах от экипажей до элементов Марсианской базы.

Возможность модернизации

• увеличение удельного импульса ЭРД до 10000 сек без уменьшения ресурса. Общая масса МЭК снизиться на 32% КПД 19.4%;
• повышение рабочей температуры и реактора и ТИ. Подобная модернизация позволит снизить общую массу на 18%,КПН на 17.3%;
• приведя обе модернизации можно снизить массу МЭК на 50%, КПН поднять до 21.8%.

Сроки экспедиции назначены. Отбор экипажей еще не начался, но специалисты уже работали над проектами крупнейшей космической миссии человечества. Нет сомнения в том, что исследование Марса внесло бы огромный вклад в развитие ряда фундаментальных наук, а организация Марсианской экспедиции способствовало бы разработке новых технологий в области космической и вычислительной техники, энергетики, приборостроения экологических систем и т.д. Не менее важен политический аспект. Идея совместного полета на Марс высказанная когда-то советскими, а теперь российскими и американскими специалистами и общественными деятелями, рассматривается как альтернатива гонке вооружений, а тем более растущему в XXI веке терроризму. Необходимы усилия не только стран Европы, США, России, но и Азии, Африки в деле освоения Марса, Луны и других планет.

Список литературы:

1.Горшков Л. Полет на Марс, 2015 - 336 с.

2.Джоунс P.M. и др., Источники энергии для двигательных систем на основе электрических ускорителей: Аэрокосмическая техника, 1986, №1

3.Космос. 2008. Т. 10, вып.34. с. 11-23

4.Леватовский В.И. Механика космического полета в элементарном изложении - М.,1980. – 512 с

5.Марленский А.Д. Основа космонавтики - М.: Просвещение, 1985 . – 158 с.

6.Черток В. Ракеты и люди – М.: Машиностроение,в 4-х томах. 1999-2006.-544с.