МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
Рнпц “Дарын” Алматинское областное управление образования
Ф.И.О. автора: Ульмес Динмухамед, учащаяся 11 класса
СЛОД № 24.
Нурдыгали Ермек, учащаяся 11 класса
СШ №9
Название работы: «Посадка КА на поверхность Марса и использование экологических чистых топлив»
Направление: Научно-технический прогресс – как ключевое звено экономического роста
Секция: «космос»
Ф.И.О.руководителей: Дауталиев С.А. – педагог дополнительного
образования, руководитель кружка космического
моделирования и макетирования
г. Талдыкорган
2014 г.
Аннотация
Рецензия
на работу Ульмес Динмухамеда и Нурдыгали Ермека «Посадка КА на поверхность Марса и использование экологических чистых топлив»
В работе «Посадка КА на поверхность Марса и использование экологических чистых топлив» рассматривается проект марсианской базы первого этапа - начала колонизации Марса.
Авторы проекта, проанализировав существовавшие до сегодняшнего дня прототипы планетных поселений, предложили свой вариант марсианской базы на постоянной основе.
Опираясь на критериях разработки марсианской базы (безопасности, благополучия, длительности работоспособности космонавтов), ими была разработана марсианская база, состоящая из жилых и лабораторных модулей, взлетно-посадочных кораблей.
По замыслу авторов, на первом этапе разворачивается комплекс, состоящий из жилого модуля и взлетно–посадочного корабля.
На втором этапе, к комплексу пристыковываются другие жилые модули, что дает возможность постоянного присутствия космонавтов на Марсе.
Предложенный авторами проект имеет практическую возможность для осуществления полетов человека на Марс.
Декан физико-математического факультета,
Доктор технических наук,
Профессор кафедры физики и МПФ
Жетысуского государственного университета
им. И.Жансугурова Андасбаев Е.С.
Отзыв руководителя
Ульмес Динмухамед и Нурдыгали Ермек начали работу над темой «Посадка КА на поверхность Марса и использование экологических чистых топлив», будучи учащимися 10 класса.
Изучая космонавтику, ракетную технику и астрономию, они заинтересовались проектом.
На основе полученных знаний они занялись разработкой транспортной космической системы. Ими было предложено космическая транспортная система, способная вывести на марсианскую орбиту полезую нагрузку, состоящая из трех составляющих: резервный влетно-посадочный комплекс, жилой модуль и герметичный марсоход. По замыслу авторов, все эти три составляющие должны быть тесно интегрированы с надувными теплозащитными устройствами.
Самое сложное для Динмухамеда и Ермека было найти способ как соединить три составляющиеся с надувными теплозащитными устройствами и найти приемлемый вариант спуска и посадки на поверхность Красной планеты.
Но трудолюбие и упорство, поддерживаемое интересами к физике, астрономии и космонавтике помогли им преодолеть трудности и разработать такой корабль.
Руководитель кружка космического
макетирования и моделирования Дауталиев С.А.
Введение
Марс – это самый оптимальный вариант для создания первого поселения (колонии) за пределами нашей планеты. Но реализация таких “глобальных” планов требует реальных технических прорывов в космической сфере. Ожидается, что первый пилотируемый полет человека на Марс состоится не раньше 2030 года. А к тому времени продолжается поиск самого уникального и технически реализуемого проекта.
Обзор
Авторы проекта "Пилотируемый полет человека на Марс" предлагают создать специальный космический аппарат (корабль) состоящий с двух модулей, на котором экипаж корабля в составе трех человек смог бы осуществить полет к Марсу.
Каждый модуль будет иметь свое предназначение. Первый будет использоваться для посадки на Марс, а второй ‒ для проживания во время полета, который по предварительным подсчетам продлится около 9 месяцев. Второй модуль, будет представлять собой цилиндрическую трёхъярусную конструкцию длинной около 10 м и диаметром 4 м.
После вывода космического корабля на заданную орбиту с помощью ракеты-носителя, посадочный и основной модули аппарата будут разделены и отведены друг от друга приблизительно на расстояние в 60 метров. На протяжении остального полета на Марс двигатели малой тяги космического корабля будут периодически придавать дополнительное вращение вокруг центра тяжести аппарата, имитируя условия земной гравитации, тем самым облегчая астронавтам легче переносить сложности полета.
Для защиты от космической радиации и солнечных вспышек на пилотируемом аппарате будет использоваться специальные тепловые экраны и сверхпроводящие магниты, которые позволят получить некое подобие магнитосферы для аппарата.
По мере приближения к Марсу, скорость вращения космического корабля вокруг центра тяжести будет уменьшатся, а также достигнув марсианской орбиты посадочный и основной модули снова присоединятся друг к другу. Это необходимо для того, чтобы астронавты смогли перебраться в посадочный модуль и совершить спуск на поверхность Марса.
Для смягчения посадки спускаемая капсула будет использовать специальные парашюты и двигателя малой тяги. По мнению авторов проекта посадку на Красную Планету лучше делать в районе экватора. Кстати, в этот район для “нормальных” условий проживания астронавтов предварительно будут доставлены жилой модуль, ровер с возможностью удалённого управления, бурильная установка и другая аппаратура. Планируется, что астронавты смогут провести на планете от двух месяцев до двух лет, в течение которых будут вестись разнообразные научные эксперименты и исследования.
Для возвращения назад на Землю для астронавтов также, предварительно, будет отправлен специальный модуль. Задача этого модуля “оторваться” от поверхности Земли и подняться на высоту, которая позволила бы осуществить стыковку с пилотируемым космическим кораблем, находящимся в это время на марсианской орбите. После успешной стыковки аппарат будет направлен в сторону Международной космической станции.
На заключительном этапе, астронавты смогут спуститься на Землю в посадочной капсуле пилотируемого космического аппарата типа “Союза”.
На подлете к Красной планете комплекс «Марс-500» затормозится и выйдет на околомарсианскую орбиту. Будет выбрано подходящее место для посадки. От основного комплекса отделится специальный посадочный корабль с тремя участниками экспедиции, который спустится на поверхность планеты. Выходить на поверхность планеты будут два человека, третий останется в посадочном модуле.
Продолжая описание комплекса десантной части марсианской экспедиции, переходим ко второму этапу – осмотр космонавтами посадочной площадки.
Деятельность космонавтов на поверхности планеты подробно описана в специальном сценарии. Например, в первый день посадки они должны осмотреть ВПК (взлётно-посадочный комплекс) на предмет возможности экстренного взлета в случае неблагоприятной обстановки. Это могут быть последствия некачественно выполненной посадки (повреждения отдельных систем и агрегатов, наклон ВПК на местности более разрешенного уровня и т.п.), либо опасности природного характера – пылевые бури, метеоритные дожди.
Выходить из модуля космонавты будут по два человека, для обеспечения подстраховки и помощи друг другу, если в этом возникнет необходимость.
После прибытия на Марс и осмотра площадки с оборудованием, космонавты приступают к исследованию поверхности планеты. Согласно инструкции, космонавт-исследователь не может удаляться от взлётно-посадочного комплекса (ВПК) более, чем на 100 м. Следовательно, чтобы преодолеть большее расстояние, будет использован большой марсоход. Он будет отправлен на Марс на предварительном этапе исследований вместе с автоматическими станциями и прототипом беспилотного ВПК.
Кислородно-метановые ЖРД Многоразового использования и требования к ним
Дальнейшее развитие ракетной техники и жидкостных ракетных двигателей связано со снижением затрат на выведение полезных нагрузок в космос и повышением безопасности полетов. Снижение стоимости выведения полезных нагрузок может быть достигнуто путем создания средств выведения многоразового использования.
Для повышения надежности конструкции ракет-носителей предлагается использовать двигательные установки первых ступеней носителя, состоящих из нескольких модульных двигателей, и в случае отказа одного из двигателей система аварийной защиты (САЗ) отключает отказавший двигатель, а оставшиеся работоспособные двигатели форсируются на величину тяги, компенсирующую потерю отказавшего двигателя. Тем самым обеспечивается выполнение задачи ракеты-носителя.
Разработка ЖРД на экологически чистых компонентах топлива: метан (сжиженный природный газ) в паре с жидким кислородом отвечает тенденциям развития современных ракет-носителей.
Во-первых, использование в двигателе двух криогенных компонентов во многом способствует решению задач по многоразовому использованию двигателя, так как после выключения кислородно-метанового ЖРД остатки топлива быстро испаряются из его магистралей.
Во-вторых, возможность реализации на данных компонентах топлива схем ЖРД с дожиганием восстановительного генераторного газа позволяет повысить надежность конструкции ракет-носителей: последствия от неисправностей в газовом тракте с избытком метана от генератора до камеры развиваются значительно медленнее, чем в газовом тракте с избытком кислорода, что облегчает задачу САЗ вовремя отключить отказавший двигатель.
Изучение метановых ЖРД началось в Японии около 20 лет назад как возможность совершенствования ракеты H-II. Недавно в Японии было начато рассмотрение возможностей создания двухступенчатой ракеты среднего класса "J-l upgrade", как замены существующей ракеты J-1, с использованием метанового ЖРД на второй ступени [2]. Проведены огневые испытания двигателя. Основной двигатель разработан специалистами компании XCOR Aerospace, и он пока не готов к использованию в космических полетах, но если технология себя оправдает, ракетные двигатели такого типа смогут стать ключом к межпланетным полетам и освоению дальнего космоса.
Видео: испытания метанового двигателя в пустыне Мохаве
Удивительно, но этот легковоспламеняющийся газ никогда раньше не использовался в качестве ракетного топлива. Только теперь группы ученых и инженеров из различных исследовательских центров разрабатывают жидко-кислородно-метановые двигатели будущего, чтобы облегчить процесс освоения космоса и сделать возможным межпланетные полеты.
У метана очень много преимуществ. Жидко-водородное топливо, используемое в космических аппаратах, должно храниться при температуре -252,9 градусов Цельсия - всего лишь на 20 градусов выше температуры абсолютного нуля! Жидкий метан, в свою очередь, можно хранить при более высоких температурах (-161,6 оС). Это означает, что баки с метаном не требуют мощной теплоизоляции, т.е. становятся легче и дешевле. Кроме того, баки могут быть меньше в размерах, т.к. жидкий метан плотнее жидкого водорода, что также может сэкономить много средств для запуска ракеты в космос. А еще метан безопасен для человека и экологически чист, в противоположность некоторым видам токсичного ракетного топлива, применяемым сейчас в космических аппаратах. Основным преимуществом метана, являются его значительные запасы, и относительно невысокая стоимость. Помимо этого, метан достаточно быстро испаряется, облегчая процесс очистки многоразовых топливных баков и двигателей. Кроме того, метановое топливо имеет более высокий удельный импульс, и по показателю тяги на один килограмм, превосходит керосин на семь-десять процентов.
Однако у нового топлива есть и недостатки. Метан обладает меньшей плотностью, а значит для его использования, потребуются более вместительные топливные баки.
Большой проблемой в разработке метановых двигателей остается вопрос о способности метана к воспламенению. Некоторые виды ракетного топлива воспламеняются спонтанно при применении окислителей, но метану требуется запал. Сделать такой запал очень тяжело на далеких планетах, где температура опускается на сотни градусов ниже нуля. Сейчас ведутся разработки такого запала, который надежно работал бы в любых условиях. У метана слегка хуже импульс, чем у водорода, однако это всё лучше, чем у керосина. При этом он намного дешевле, что важно при частых рейсах. Кроме того, его можно хранить при значительно более высоких температурах, а значит, он не будет подвергать охрупчиванию материал баков, как это происходит с жидким водородом.
Но все же самым важным является то, что метан есть на многих планетах и спутниках, которые NASA планирует посетить в будущем. Среди них - Марс. И хотя Марс не очень богат метаном, метан можно получить с помощью эффекта Сабатье: смешать немного углекислого газа (СО2)с водородом (Н), затем нагреть смесь для получения СН4 и Н2О - метана и воды. Атмосфера Марса содержит огромное количество углекислого газа, а небольшое количество водорода, требуемого для процесса, можно привезти с собой с Земли или добыть изо льда прямо на Марсе.
На спутнике Сатурна Титане в прямом смысле слова идут метановые дожди. Озера и реки из метана и других углеводородов на Титане могут стать заправочными станциями для космических кораблей. В атмосфере Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна также есть метан, а на поверхности Плутона есть много метанового льда. С помощью метановых ракетных двигателей становятся возможными полеты к этим мирам.