Dosažení vesmírné mise s posádkou na Mars bylo jedním z dlouhodobých cílů stanovených pro astronautiku od jejího vzniku. Zpočátku téma sci-fi se pro některé stalo po přistání člověka na Měsíci v roce 1969 dalším krokem v dobývání vesmíru . Úspěch tohoto projektu však vyžaduje ještě mnohem větší finanční prostředky než prostředky programu Apollo , který byl spuštěn díky obzvláště příznivé kombinaci okolností ( studená válka , hospodářský vzestup). Let s posádkou na Mars je také technickou a lidskou výzvou, která je nepřiměřená měsíční expedici: velikost plavidel, systém podpory života fungující v uzavřeném okruhu po dlouhou dobu (900 dní), spolehlivost zařízení, které nelze opravit. nebo jejichž redundanci nelze systematicky zajistit, psychologické problémy posádky uzavřené v omezeném prostoru ve zvláště stresujícím kontextu, fyziologické problémy vyplývající z dlouhodobé nepřítomnosti gravitace a vlivu záření na organizaci.
Od začátku 60. let 20. století byly na toto téma provedeny různé studie, které zkoumaly scénáře a technická řešení. Diskutováno je zejména několik bodů: trajektorie v opozici nebo ve spojení, použití jaderného pohonu , velikost posádky, použití aerocapture k brzdění při příjezdu na Mars, způsob přistání na Marsu, výroba paliva při zpáteční cestě in situ , počet a tonáž kosmické lodi, která má být vypuštěna. Nejúspěšnější předprojekty pocházejí z NASA , silné v roli průkopníka a nejlépe vybavené civilní kosmické agentury, která zdokonaluje těžké řešení ( Mars Design Reference Architecture ), které vyžaduje umístění mezi 850 a 1250 tunami na nízké oběžné dráze Země . přes deset startů, ale i skupiny nadšenců seskupených ve sdružení, jako je Mars Society , které zastávají méně nákladné řešení, „Mars Direct“, nebo „Mars Semi-Direct“, který vyžaduje pouze dvě, tři nebo čtyři starty v závislosti na verzi . Všechny tyto scénáře vyžadují vývoj a testování klíčových technologií, včetně aerocapture, depozice vysokých hmot na marťanské půdě a těžby zdrojů z marťanské atmosféry nebo půdy.
Projekt musí mobilizovat obrovské finanční zdroje a představuje významná rizika, protože úspěch robotických misí na Mars ukazuje platnost tohoto přístupu k prozkoumání planety. Díky nim člověk zjistil, že Mars nenabízí zvlášť příjemné prostředí. In situ studii o geologii planety astronauty a mýtu hranice , velmi živá ve Spojených státech, nepodaří přesvědčit rozhodovací pravomocí, aby se ponořit. NASA a SpaceX vyvíjejí zařízení, jako je těžký odpalovač SLS a meziplanetární kosmická loď Orion , která by mohla přispět k misi na Marsu. V roce 2019 však v kosmických agenturách od ukončení programu Constellation neexistují žádné koherentní projekty, ani v dlouhodobém horizontu, mise s posádkou na Mars, které by začaly být implementovány.
V oblasti průzkumu vesmíru má Mars mezi planetami sluneční soustavy zvláštní místo . Přestože je Mars dále od Slunce než Země (dvakrát tolik slunečního svitu) a mnohem menší než Země (poloviční průměr), Mars je planeta s nejbližšími charakteristikami. Pravděpodobnost objevení současných nebo minulých forem života je tam nejvyšší. Mars je dnes studená, suchá planeta s téměř žádnou atmosférou, ale v dávné minulosti byl horký a na jeho povrchu tekla voda. Dále od Země než Venuše se nachází ve vzdálenosti, která umožňuje kosmické lodi dosáhnout ji mezi 6 a 9 měsíci sledováním trajektorie, která šetří spotřebu pohonných látek. Voda již neteče na povrch, ale je hojná v polárních čepicích a ve stinných oblastech kráterů umístěných i ve velmi nízkých zeměpisných šířkách. Hlavní chemické prvky nezbytné pro založení kolonie ( kyslík , dusík , vodík , uhlík ) jsou přítomny buď v atmosféře, nebo v půdě planety.
Vesmírné agentury pravidelně vypouštějí automatizované kosmické lodě pro vědecké studium Marsu. Od začátku 60. let bylo na Mars vysláno více než čtyřicet vesmírných sond , orbiterů , landerů a roverů . Po téměř 15leté přestávce byla od roku 1996 vypuštěna alespoň jedna nová vesmírná sonda pokaždé, když se otevřelo okno. na Mars, tj. každých 26 měsíců. Tento příliv strojů, vybavených stále sofistikovanějšími a přizpůsobivějšími vědeckými přístroji, umožnil shromáždit velké množství dat a provést mnoho objevů. Navzdory pokroku v oblasti elektroniky a výpočtů používaných těmito robotickými zařízeními má vyslání posádky na marťanskou půdu několik důležitých výhod:
Vědecké cíle jsou pokročilé, aby ospravedlnily vyslání astronautů na marťanskou půdu. Stanovení těchto cílů závisí na prostředcích, které budou posádkám poskytnuty: počet a trvání vesmírných procházek, kapacita vozidel, analytické vybavení dostupné na místě, měřící zařízení (meteorologické stanice atd.), Kapacita cvičení, dostupná energie , zapojení robotických vozítek atd. Přednost bude mít výzkum, který prohledávače nemohou provádět. Jedná se o tři vědecké obory:
Z dlouhodobého hlediska se v rámci stálých základen jedná o všechny vědecké obory, zejména o biologii.
Vzhledem k enormní ceně marťanské mise je velmi pravděpodobné, že politické a společenské motivace budou hrát při rozhodování o zahájení projektu ještě důležitější roli než vědecké cíle. Jediný vesmírný program tohoto rozsahu, program Apollo , byl zahájen s cílem čelit vlivu Sovětského svazu, který v té době dominoval Spojeným státům při průzkumu vesmíru uprostřed studené války mezi oběma zeměmi. Z nevědeckých motivací můžeme uvést:
Vyslání posádky na povrch jiného nebeského objektu představuje výkon dobře ilustrovaný složitostí a cenou programu Apollo (přibližně 170 miliard USD), který zůstává jediným pokusem v této oblasti. Od té doby zůstal technický pokrok v oblasti vesmíru s výjimkou elektroniky relativně omezený. Zejména nebyl učiněn žádný rozhodující průlom v oblasti vesmírného pohonu, jak dokládá implementace motorů vyvinutých v 60. letech na nedávných odpalovacích zařízeních. Vysílání mužů na Mars je však mnohem složitějším cílem než přistání posádky na měsíc.
Charakteristika mise | Mise Apollo | Marťanská mise | Dopad |
---|---|---|---|
Doba trvání mise | 12 dní | 640 dnů nebo 910 dnů (scénář opozice nebo konjunkce) |
- Potřeba velkého obytného prostoru - Ochrana před zářením - Řízení účinků beztíže - Množství spotřebního materiálu (voda, kyslík, jídlo) - Dopad omezování |
Čas potřebný pro návrat na Zemi | 3 dny | minimálně 6 měsíců a až 2 roky | - Spolehlivost, aby se zabránilo smrtelnému selhání materiálu v této vzdálenosti od Země - Lékařská pohotovost bude muset být ošetřena posádkou |
Přistání / vzlet Měsíce nebo Marsu | Žádná nízká atmosféra / gravitace | Přítomnost řídké a mělké atmosféry / relativně silná gravitace | - Osvědčené techniky umožňují přistání pouze jedné až dvou tun na marťanské půdě - Vzlet z Marsu vyžaduje použití velkého odpalovacího zařízení in situ |
Telekomunikace | Směrovací doba přibližně 1 sekunda, trvalé spojení | Dodací lhůta 3 až 20 minut, přerušovaný odkaz | - Pocit izolace - Žádná pomoc Země v reálném čase |
Hmotnost umístěná na nízké oběžné dráze Země / umístěná na zemi Měsíc / Mars |
118 tun / 7 t . |
400 až 1 000 tun / 60 až 80 tun | - Cena - Složitost (několik spuštění) |
Průběh mise s posádkou na Mars zahrnuje následující kroky (nevstupováním do zdokonalování scénářů, které stanoví předběžné umístění plavidel):
V posledním podrobném scénáři NASA v roce 2009 vyžaduje marťanská mise vývoj čtyř kosmických lodí, které jsou sestaveny na oběžné dráze a jsou vypuštěny směrem k Marsu ve 3 odlišných letech:
Na misi má rozhodující dopad několik parametrů, zejména délka pobytu na marťanské půdě (scénář konjunkce nebo opozice), načasování letů (před nasazením nebo simultánními starty, meziplanetární pohonný systém (chemický, jaderný termální, jaderný elektrický ...), typ vložení na oběžnou dráhu Marsu ( aerocapture nebo propulzivní brzdění), metody sestupu na marťanskou půdu, počet astronautů, obvykle mezi 3 a 6, a nakonec provoz místních zdrojů, nebo ne, pro výroba pohonných hmot umožňujících návrat na oběžnou dráhu Marsu.
Zvolená trajektorie má přímý dopad na dobu trvání mise, na meziplanetární pohonný systém a na množství přepravovaného paliva. Tato volba reaguje na několik ekonomických a vědeckých omezení:
Volba trajektorie je omezena pravidly prostorové mechaniky :
Vzhledem ke všem těmto omezením existují dva scénáře mise:
Scénář konjunkce Posádka vzlétla v nejpříznivějším čase a po 180 dnech cestování přistála na planetě Mars. Na marťanské půdě stráví 550 dní, dokud se neotevře nejpříznivější startovací okno. Zpáteční cesta trvá také 180 dní. Celková doba mise je 910 dní. Opoziční scénář Cesta ven probíhá za stejných podmínek jako v jiném scénáři. Délka pobytu na Marsu je minimalizována, přičemž zůstává kompatibilní s dosažením vědeckých cílů, tj. Přibližně 30 dnů. Zpáteční cesta se odehrává v mnohem větší nepříznivé konfiguraci: trvá 430 dní a vyžaduje výhodu gravitační asistence z Venuše . Jedinou výhodou této mise je zkrácení její celkové doby trvání na 640 dní, což omezuje v mysli jejích autorů dobu expozice záření.Vědci široce upřednostňují scénář konjunkce. Opoziční scénář, který umožňuje pobyt na marťanské půdě pouze asi 30 dní, neumožňuje prozkoumat celou oblast, které je možné dosáhnout díky systémům mobility poskytnutým posádce. Tento scénář omezuje možnost sběru vzorků půdy odebraných ve velké hloubce pomocí vrtačky. Krátkost pobytu neumožňuje přeorientovat výzkum podle nálezů ani iteračně optimalizovat odebrané vzorky půdy a hornin. Naproti tomu jedinou nevýhodou je delší vystavení astronautů kosmickým paprskům a mírně vyšší náklady.
Schopnost lodi ve vesmíru měnit svou trajektorii je podmíněna množstvím pohonných hmot, které nese a které používají její raketové motory pokaždé, když je nutné zrychlit, ale také zpomalit. Změny rychlostního stupně potřebné pro misi na Mars s návratem posádky na Zemi jsou velmi důležité. U konvenčního chemického pohonu je však nutné pro úpravu rychlosti 2 km / s obětovat prakticky 50% hmoty ve formě pohonných hmot . Scénáře vyvinuté v různých studiích vesmírné mise na Mars nabízejí různé pohonné systémy a možnosti, jak snížit množství pohonných látek, které mají být přepravovány:
Poloha plavidla | Fáze pohonu | Vyžaduje se Delta-V | Komentáře |
---|---|---|---|
Nízká oběžná dráha Země | Injekce na trajektorii na Mars | 3,7 až 4,1 km / s (1) | Pokud je pohonný režim chemický nebo jaderný termální, je tah silný a rychlý a výstup ze zemské přitažlivosti trvá jen několik dní. Na druhou stranu, pokud někdo provozuje iontové pohonné motory se solárními panely nebo jaderným reaktorem pro napájení, tah je slabý a dlouhý. Důsledkem je zisk z hlediska množství pohonných hmot, ale prodloužení doby výstupu na vysokou oběžnou dráhu a výstup z přitažlivosti Země (často několik měsíců) a větší Delta V. |
Příjezd poblíž Marsu | Vložení na oběžnou dráhu Marsu | 0,8 až 1,8 km / s (1) | Je možné využít marťanskou atmosféru ke zpomalení a dostat se na oběžnou dráhu. Pak potřebujete tepelný štít. Pokud není použito zachycení vzduchu , zabrzděte pohonným systémem. Obecně platí, že pokud je pohonný systém chemický, je vhodnější použít letecký záchyt, protože šetří spoustu paliva. U iontového pohonu tomu tak není, ale vložení je pak mnohem delší.
V případě příjezdu vysokou rychlostí ke zkrácení doby je DeltaV samozřejmě důležitější a aerocapture obtížnější. |
Na nízké oběžné dráze kolem Marsu | Sestup na marťanskou půdu | 0,6 až 0,8 km / s | Zpomalení je dosaženo z velké části díky atmosférickému odporu, což vysvětluje nízkou deltaV. Pohon je nezbytný pro přesné a plynulé přistání a pro kompenzaci řídkosti atmosféry. |
Na Marsu | Vložení na oběžnou dráhu Marsu | asi 5 km / s | Ve většině scénářů vzlétnete z Marsu pomocí malého plavidla. Aby se snížilo množství pohonných látek, které se mají poslat na Mars, většina studií naznačuje produkci z marťanské atmosféry, zejména kyslíku (ISRU). V ideálním případě může být oběžná dráha, která má být dosažena, velmi dlouhá s periodou 1 sol, což usnadňuje setkání s návratovým vozidlem, které zůstalo na oběžné dráze. |
Obíhající kolem Marsu | Vložení na cestu k Zemi | 1,6 km / s | |
Příjezd blízko Země | Sestup na Zemi | 0 km / s | - |
(1) Závisí na datu a plánované době trvání tranzitu |
Ve všech scénářích vyžaduje vyslání mise na Mars několik samostatných letů, které odpovídají přepravovanému množství těžké techniky. Poměrně standardním způsobem je zapotřebí dvou nákladních letů (bez posádky), aby se na povrch Marsu dostalo na jedné straně stanoviště, na druhé straně plavidlo odpovědné za uvedení posádky zpět na oběžnou dráhu na konci mise. Třetí let přepravuje posádku mezi Zemí a Marsem (zpáteční) v prostředí určeném k pobytu na oběžné dráze. Pro plánování těchto letů jsou možné dva scénáře:
Scénář před nasazením je obecně upřednostňován. Důvody, které uvedla například pracovní skupina NASA, která vyvinula referenční scénář pro americkou kosmickou agenturu, jsou následující:
Poznámka: Doba jízdy nákladní lodi je méně kritická než doba jízdy lodi s posádkou. V tomto případě je proto výhodné upřednostňovat iontový pohon, který znamená mnohem delší dobu jízdy, ale který spotřebovává méně pohonné látky.
Použití techniky zachycování vzduchu je alternativou k použití motorů, které spotřebovávají vzácné palivo: když dorazí poblíž Marsu, kosmická loď obepíná planetu v dostatečně nízké nadmořské výšce pro hustotu atmosféry. Marťan vyvíjí aerodynamický tlak, který zpomaluje dost dolů na to, aby to bylo na oběžné dráze kolem planety. Jedná se o velmi choulostivou techniku, která vyžaduje velmi přesnou navigaci, aby plavidlo nebylo vystaveno přílišné tepelné agresi, která by mohla vést ke ztrátě plavidla nebo naopak dostatečně zpomalit, což by plavidlo poslalo zpět dráha nebo oběžná dráha velmi vysoké výstřednosti. Dalším omezením je, že zpomalení musí být snesitelné posádkou (limit stanovený NASA na 5 g ).
Airbraking je meziprodukt možností je přesunout výš v atmosféře Marsu, což vede k podlouhlé očnice výstup a vyžaduje dodatečné hnací brzdění a mnoho dalších pasáží, aby se dosáhlo požadované konečné oběžnou dráhu.
Nejnovější scénář NASA, jako je scénář Mars Society, zahrnuje výrobu spotřebního materiálu ze zdrojů dostupných na Marsu. Využívání zdrojů in situ (v angličtině ISRU) může výrazně snížit hmotnost má být uložen na Marsu. Vyrobené produkty by byly zaprvé součástí vody a kyslíku spotřebovaného astronauty a zadruhé palivem použitým pro výstup z povrchu Marsu na nízkou oběžnou dráhu. Podle R. Zubrina by použití Sabatierovy reakce (CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2 H 2 O) následované elektrolýzou ( 2 H 2 O → 2 H 2 + O 2 ) umožnilo použití 6 tun vodíku odneseného na místo s oxidem uhličitým z atmosféry Marsu, aby po dobu 10 měsíců vytvořilo až 112 tun směsi metanu a kyslíku používané jako pohonné hmoty raketovým motorem. Zařízení vyrábějící tyto spotřební materiály by bylo předem umístěno několik měsíců před příjezdem posádky, a to jak k zajištění jejich řádného fungování, tak k výrobě potřebného spotřebního materiálu předem.
Psychologický faktor představuje v marťanské misi důležité riziko:
Členové posádky musí být velmi pečlivě vybíráni jak na základě jejich schopnosti řešit problémy, ale také tak, aby si osvojili správné chování v kritických nebo konfliktních situacích. Zkušenosti s dlouhodobými misemi na palubách vesmírných stanic ukázaly, že i přes použití psychologických kritérií pro výběr astronautů mohou nastat konflikty. Kritéria výběru pro misi na Marsu je stále obtížné stanovit. Diskutuje se také o tom, zda je třeba zvolit smíšenou a multikulturní posádku (například ruská / americká).
Provádí se důkladný screening možných zdravotních problémů až po genetické vyšetření, protože riziko vývoje onemocnění je vzhledem k délce mise vysoké.
V závislosti na scénářích vyplývajících ze známých studií zahrnuje posádku 3 až 6 osob (4 pro Zubrin, 6 pro referenční scénář NASA). Horní limit je určen další hmotností požadovanou dalším členem týmu. Minimální počet vyplývá z řízení rizik (dvojitá redundance), ze součtu úkolů, které mají být provedeny, a specializací, které je třeba zvládnout. Vzhledem k počtu parametrů mise, které v současné době nejsou definovány, jsou tato čísla čistě orientační. Podle NASA by alespoň jedna osoba měla zvládnout následující specializace a pro ostatní by měla představovat sekundární specializaci: chirurg / lékař , geolog , biolog , mechanik, elektrikář / elektronika , velení. Zubrin doporučuje posádku 2 mechaniků (přežití mise závisí na schopnosti posádky překonat selhání), geologa a biogeochemika. Zubrin ignoruje specialisty, kteří se věnují výhradně medicíně, pilotují nebo se věnují výhradně vedení expedice.
Vzhledem ke složitosti marťanské mise s posádkou bude vývoj, testování a kvalifikace velkého počtu systémů stát desítky nebo dokonce stovky miliard eur. Jakmile budou tyto systémy kvalifikovány, náklady na kilogram přivezený na Mars budou stále relativně vysoké. Podle scénáře a údajů poskytnutých NASA je užitečná hmotnost, která musí být umístěna na Mars, 80 tun (s výjimkou fáze sestupu, která již na marťanské půdě není užitečná) rozdělená mezi 2 moduly:
Scénář NASA, který je založen na několika futuristických technických řešeních k optimalizaci hmotnosti, která má být vynesena na oběžnou dráhu, plánuje vypustit ze země 25 000 tun (přibližná hmotnost sedmi odpalovacích zařízení Ares V a jednoho odpalovacího zařízení Ares I s nejistotami o hmotnosti Ares V launcher ), mít 1024 tun na nízké oběžné dráze Země a mít za následek 80 tun na Marsu. Avšak při současných odpalovacích zařízeních stojí vypuštění na nízkou oběžnou dráhu Země mezi 10 a 20 miliony dolarů. Podle tohoto tarifu by samotné spuštění marťanské expedice stálo mezi 10 a 20 miliardami dolarů (cena by měla být u Ares V nižší ). Kromě toho přistát o tunu více na Marsu vyžaduje vypuštění dalších 12 tun na nízkou oběžnou dráhu použitím poměru použitého NASA.
Výsledkem je, že většina scénářů misí s posádkou na Marsu omezuje přistání na Marsu na absolutní minimum a pokouší se zlepšit poměr mezi hmotou vypuštěnou na nízkou oběžnou dráhu Země a tou, která představuje na Marsu.
Během cesty mezi Zemí a Marsem (okružní cesta) trvající mezi 360 dny (scénář konjunkce) a 610 dny (scénář opozice) je posádka vystavena 3 jevům, které mohou ovlivnit jejich zdraví: sluneční erupce , kosmické paprsky a beztíže .
Sluneční erupceTyto sluneční erupce jsou vrcholy aktivity Slunce , kteří plánují protony mají velkou energii. Aktivita Slunce zná cykly 11-12 let, během nichž se sluneční aktivita zvyšuje a potom snižuje. Během fází vysoké aktivity jsou sluneční erupce početnější a vysílají větší tok protonů. Dávky, které dostává nechráněná posádka, významně zvyšují riziko vzniku rakoviny o několik let později. Nejnásilnější sluneční erupce, které bylo možné studovat, představovaly dávku 38 rem . Podle amerického leteckého inženýra Roberta Zubrina , je-li posádka varována (sluneční erupce jsou předmětem pozorování, která umožňují určité předvídání), mohou omezit dávku, která byla přijata v průměru na 5,5 rem během vnějšího a zpětného průjezdu, tím, že se uchýlí oblast plavidla chráněná zařízením umístěným zvenčí. Materiály s vysokým obsahem vodíku, jako je voda, poskytují vynikající ochranu vzhledem k jejich hustotě. Pokud je astronaut chráněn pouze jednou zdí, přijatá dávka je řádově třikrát.
Kosmické paprskyTyto kosmické paprsky jsou vysoké energetické částice, nejnebezpečnější jsou těžké ionty (ionizovaného železa například) z mezihvězdného a mezigalaktického prostoru. Průtok je kontinuální bez významného píku. Na této energetické úrovni konvenční pancíř tlustý několik centimetrů nepředstavuje účinnou bariéru bez ohledu na zvolený materiál. Podle Roberta Zubrina je množství obdržené posádkou během zpáteční přepravy 32 rems . Důsledky bombardování buněk těmito částicemi nejsou dobře známy, protože je obtížné reprodukovat tento jev na Zemi, aniž by to mělo dopad na bezpečnost lidí. Jedinými existujícími experimenty jsou experimenty astronautů, kteří odešli na Měsíc a kteří překročili pásy Van Allen, které chrání nízkou oběžnou dráhu a zemský povrch před kosmickými paprsky.
Přístroj RAD nainstalovaný na palubě rovníku Curiosity měřil v letech 2012/2013 kosmické záření, které prošlo během přechodu mezi Zemí a Marsem a během pobytu na Marsu po dobu přibližně 300 dnů. RAD měřil dva zdroje ionizujícího záření : zdroj slunečního původu, který kolísá podle 11letého cyklu se slunečními erupcemi, které mohou být násilné, a zdroj galaktického původu mnohem energičtější. Období, během kterého byla měření prováděna, odpovídá vrcholu 11letého cyklu sluneční aktivity . Vrchol tohoto cyklu (cyklus 24) je však zvláště slabý.
Povrch planety je mnohem méně dobře chráněn před kosmickým zářením než povrch Země, protože Mars nemá magnetické pole k odpuzování ionizujících částic. Jeho mnohem tenčí atmosféra navíc představuje méně než 1% atmosféry Země. Záření galaktického původu se skládá z částic (ionty, elektrony), které mají energii mezi 10 megaelektronvolty a více než 10 gigaelektronvolty, které mohou proniknout několik metrů v marťanské půdě, zatímco částice slunečního původu, jejichž energie je menší než 150 MeV, jsou obecně blokovány atmosféru a povrch. S výjimkou násilné sluneční epizody ztrácí sluneční záření většinu své energie při průchodu marťanskou atmosférou, což představuje plynový sloupec 20 g / cm 2 . Provedená měření naznačují na povrchu Marsu dávku záření galaktického původu 210 ± 40 mikrošed za den s odchylkami vyplývajícími z ročního období a denního / nočního cyklu. Ve vesmíru je během přechodu mezi Zemí a Marsem záření mnohem intenzivnější (480 ± 8 mikrograsy), protože kosmická loď není chráněna ani půdou planety, která blokuje více než 50% částic, ani atmosférou. Sluneční záření měřené na povrchu během špičkové aktivity činí přibližně 50 mikrogras. Podle těchto údajů by astronauti mise s posádkou na Mars respektující referenční scénář NASA (tranzit 180 dní a pobyt 500 dní) dostali ekvivalentní dávku (váženou podle energie částic) celkem asi 1,01 sievert , z toho 320 milisievertů během pobytu na Marsu a dvakrát 331 milisievertů během cesty tam a zpět. Pro srovnání, průměrná roční dávka přirozeného záření přijímaného na povrch Země je 2,5 milisievertů, která přijatá astronautem na Mezinárodní vesmírné stanici během jeho obvyklého šestiměsíčního pobytu je 75 milisievertů.
Vystavení beztížeBěhem zpáteční cesty Země-Mars je gravitace ve výchozím nastavení nulová u plavidla přepravujícího posádku. Beztíže po dlouhou dobu způsobuje odvápnění, díky nimž jsou kosti křehké a atrofují svaly, včetně srdcových. Podle zkušeností získaných z prodlouženého pobytu astronautů na vesmírných stanicích se nezotavují okamžitě po svém návratu na Zemi. Tento jev lze eliminovat vytvořením umělé gravitace .
K vytvoření tohoto nejjednoduššího řešení je vzít na palubu malou odstředivku s krátkým ramenem (řešení doporučeno ESA a CNES) a zavázat astronauty k pravidelnému provozu.
Dalším řešením je otočit nádobu kolem její hlavní osy (boční stěny se poté stávají podlahou). Nevýhodou tohoto řešení je, že malý průměr stanice vytváří velmi rušivé efekty: rozdíl v gravitaci mezi hlavou a chodidly (gravitační gradient), Coriolisova síla ztěžující pohyb. Robert Zubrin, mimo jiné, navrhuje v Mars Direct vytáhnout kabel mezi prázdným raketovým stupněm a stanovištěm a uvést celek do pomalé rotace a pomocí vytvořené odstředivé síly znovu vytvořit umělou gravitaci v kosmické lodi.
Vytvoření umělé gravitace generuje zvýšenou složitost dopravního systému mezi Zemí a Marsem, jakmile si přejete vytvořit nerušivé gravitační pole. Zkušenosti nashromážděné díky vesmírným stanicím ukazují, že se zdá, že se člověk dlouhodobě vyrovnává s absencí gravitace, i když to způsobí nenapravitelné škody. NASA vzhledem k relativní krátkosti tranzitu Země-Mars neplánuje vytvoření umělého gravitačního pole.
Mark Strauss z National Geographic poukazuje na to, že „zvláštní regiony, kde by mohl probíhat pozemský život, jsou také oblastmi, kde by člověk pravděpodobně našel nativní marťanský život. To znamená - pokud nejsme velmi, velmi opatrní -, že bychom mohli zničit naše šance na objevení mimozemských organismů pouhým hledáním “ . I když se to zdá nepravděpodobné kvůli mnoha takzvaným „biocidním“ faktorům, jako je radiace nebo pozemské toxiny, nelze vyloučit vývoj suchozemských organismů na Marsu ve spojení s kosmickými loděmi vzhledem k pozorování organismů na Zemi, které mají schopnost extrémně prospívat. prostředí. Pravidla zaměřená na omezení těchto rizik vydává Výbor pro kosmický výzkum (COSPAR); NASA přijala další preventivní opatření „vyloučit zvláštní regiony ze seznamu potenciálních přistávacích míst, včetně oblastí Marsu, které mají poblíž povrchu led . “ Planetární společnost vedená Billem Nyeem podporuje přístup omezený na oběžnou dráhu Marsu před zahájením důkladného hledání marťanského života, aby se zabránilo nevratné kontaminaci planety a ohrožení hledání života na Marsu . Někteří kritici se domnívají, že planetární ochrana je zbytečné a nákladné úsilí, které zpomaluje pokusy o průzkum, a domnívají se, že Mars již byl kontaminován.
Tranzit mezi Zemí a Marsem spotřebovává velké množství paliva pro zrychlení a zpomalení plavidel nezbytných pro expedici na cestu ven a vypuštění zpáteční lodi na oběžnou dráhu Země. Hledání účinnějšího pohonu může ušetřit stovky tun na hmotě, která má být umístěna na oběžnou dráhu Země. Mezi předpokládanými technologiemi umožňuje tepelný jaderný pohon značný zisk, přičemž je relativně realistický. Tato technologie je použita v referenčním scénáři NASA („DRA 5.0“). Specifický impuls tohoto druhu pohonu (900 s.) Je dvojnásobný nejlepší chemická pohonné systémy používané dnes (vodík / pár kyslíku), což znamená, že pokud je prázdná hmotnost je shodná pro 2 typů pohonu, budete muset vzít na polovinu palivo k výrobě stejného tahu. Experimenty byly prováděny v letech 1960-1970 kolem motoru NERVA , což ukazuje proveditelnost, ale existují však hlavní nevýhody: hmotnost motoru penalizuje, vodíkové nádrže, velmi objemné, komplikují možnou aerocapture , radiační ochranu musí být zvýšen a nakonec musí být z bezpečnostních důvodů spuštěn jaderný reaktor ve vyšší nadmořské výšce. Další slibné techniky jsou v současné době studovány, například VASIMR thruster , ale jejich implementaci na velkých pódiích lze předpokládat pouze ve velmi dlouhodobém horizontu.
Kosmická loď použitá pro tranzit posádky mezi Zemí a MarsemKosmická loď používaná posádkou pro tranzit mezi Zemí a Marsem (modul MTH nebo Mars Transit Habitat pro NASA) musí umožňovat její dlouhodobé přežití (až 900 dní v případě problému ve vzduchu). ( příjezd na oběžnou dráhu Marsu v určitých scénářích) v úplné autonomii. Lze uvažovat o dvou architekturách:
První možnost, která byla zachována ve scénářích Mars Direct a Mars polopřímých, umožňuje vyhnout se sestavení velké kosmické lodi na oběžné dráze Země upřednostňováním setkání na povrchu Marsu se sekundárním stanovištěm a případně setkáním v Marsu obíhat s polopřímým vozidlem s návratem na Mars. U malých plavidel je implementace aerocapture považována za proveditelnou, což umožňuje podstatnou úsporu hmotnosti paliva. V případě Mars Direct je stanoviště použité pro návrat vypuštěno raketou, která startuje z marťanské půdy. Lze poznamenat, že NASA tuto možnost nezkoumala. Ve svém referenčním scénáři NASA skutečně nabízí specializované stanoviště, které zajišťuje zpáteční let raketoplánu Země-Mars. Pro misi trvající 1000 dní s 6člennou posádkou by její hlavní charakteristiky byly následující:
Ke snížení množství se studují různé cesty: zmenšení obytného prostoru z 25 na 23 m 3 na osobu, eliminace vesmírných procházek (riskantní, kromě velmi sofistikovaných robotů, jejichž techniku je ještě třeba vyvinout), outsourcing pohonu modul, redukční spotřební materiál ...
Ve většině scénářů loď nesoucí posádku nebo náklad nepřistane přímo na Marsu, ale nejprve přistane na nízké oběžné dráze kolem planety:
Aby se kosmická loď mohla umístit na nízkou oběžnou dráhu, musí snížit rychlost na minimálně 2,4 km / s (více, pokud je doba průjezdu kratší než 260 dní, což vyžaduje vyšší rychlost příletu na předměstí Marsu).
Vložení na oběžnou dráhu Marsu lze provést podle 3 možností: zachycení vzduchu, vzduchová brzda nebo propulzivní brzdění. Jedná se o strukturní parametr mise, protože zvolená volba může vést k nezanedbatelnému snížení množství pohonných látek, které má být přepravováno, tedy k velikosti plavidel a ke složitosti možného shromáždění na pozemské oběžné dráze.
Výpočty provedené pro 100tunovou kosmickou loď nasazující na její přední vedení štít o průměru 15 metrů k určení, že vstup musí být v chodbě široké několik stupňů, pokud se kosmická loď pohybuje minimální přenosovou rychlostí Země. Březen; šířka koridoru klesne pod 1 ° (což je mez přesnosti dosažené pro dosud zaslané sondy Marsu), pokud loď dorazí rychlostí 9 km / s . Problém je komplikován změnami hustoty marťanské atmosféry: je ovlivňován jak ročními obdobími, tak prachovými bouřkami. Ty mohou vynásobit desetkrát aerodynamický tlak vyvíjený na plavidlo během jeho plavby v malé výšce. Tento jev je dnes špatně modelován, a proto je obtížné jej předvídat.
Obecně je upřednostňovanou možností zachycení vzduchu za předpokladu, že přijíždějící loď není příliš velká, příliš složitá nebo příliš rychlá.
Přistání na Marsu (Entry, Descent a Landing EDL) je zásadní fází. Technická řešení, která lze implementovat, mají zásadní dopad na schopnosti a náklady marťanské mise. Ať už je scénář jakýkoli, je nutné přistát s plavidly, jejichž hmotnost se pohybuje mezi 30 a 100 tunami (20 až 50násobek hmotnosti největšího robota, který dosud přistál na Marsu) s přesností několika desítek na NASA metrů (přesnost několikanásobně vyšší než dosavadní).
Klesání na zem vyžaduje snížení horizontální rychlosti lodi na 0. Při příjezdu na Mars (když se kosmická loď vydala na nízkou oběžnou dráhu) je tato rychlost přibližně 4,1 km / s ( 1,6 km / s pro Měsíc a 8 km / s pro Zemi). Pro zrušení této rychlosti existují dvě metody: použít tažné síly jako pro zachycení vzduchu , to znamená tření atmosféry. To je to, co dělají kosmické lodě s posádkou, když se vrátí na Zemi mírným zpomalením, což způsobí pokles jejich oběžné dráhy, aby mohl zahájit proces. Atmosféra pak dělá veškerou práci a jediným váhovým trestem je hmotnost tepelného štítu, který chrání loď před velmi silným nárůstem teploty během fáze brzdění (hmotnost tohoto štítu může být přesto významná). Když planeta nemá atmosféru jako na Měsíci, rychlost se zruší tím, že se uchýlí k tahu raketového motoru. Toto řešení je však extrémně nákladné, protože vyžaduje věnovat velkou část hmotnosti lodi použitému palivu. Hmotnost, kterou je třeba obětovat, je úměrná gravitaci planety: umístění modulu Apollo na Měsíc tak obětuje poloviční hmotnost lodi ve prospěch paliva s rychlostí, která má být zrušena třikrát nižší než na Marsu.
Velmi nízká hustota atmosféry Marsu (1% hustoty Země) ji staví pro scénář sestupu do přechodné situace mezi Zemí a Měsícem. Robot Mars Science Laboratory , který přistál na Marsu v roce 2012, byl nucen pomocí motorů zabrzdit z výšky 1 500 metrů. Problém se stává o to více akutnější, že je třeba umístit těžký náklad, nebo že marťanská plavidla v referenčním scénáři NASA mají hmotnost mezi 45 a 65 tunami. Druhým problémem vyvolaným slabostí atmosférického odporu na Marsu je to, že rychlost se sníží pouze na Mach 1, když je loď velmi blízko k zemi: loď a její posádka mají velmi málo času na úpravu místa přistání, pokud je trajektorie lodi ji přenese přes oblast posetou překážkami nebo ji vezme příliš daleko od cílového místa. Toto omezení navíc zakazuje přistání v oblastech umístěných v příliš vysokých nadmořských výškách (téměř 50% povrchu Marsu).
V NASA probíhá výzkum s cílem zlepšit účinnost brzdění v atmosféře s nízkou hustotou. Různé techniky jsou studovány:
Během závěrečné fáze lze k dosažení téměř nulové vertikální rychlosti při přistání použít jeřábový stupeň, jako je robot Mars Science Laboratory .
Pokud se uchýlí k nákladné metodě používání raketových motorů pro významnou část letu (k dosažení zpomalení mezi 0,9 a 1,4 km / s je podle studie obětováno 20 až 30% hmotnosti plavidla ve prospěch paliva Braun a Manning), jeho implementace je obtížná, protože při nadzvukových rychlostech vystřikování plynů z motorů narušuje aerodynamické proudění.
Místo je vybíráno podle jeho geologického zájmu a zároveň umožňuje snadné přistání.
Životní podmínky na MarsuPosádka se musí přizpůsobit přírodním podmínkám nepřátelským vůči lidem:
Gravitace na Marsu se rovná 37,5% hmotnosti Země, což umožňuje zvedat relativně masivní zátěže , ale vyžaduje odlehčení stávajících skafandrů, které byly na Měsíci přijatelné s gravitací rovnou ~ 1/6 e až g .
ZařízeníPro svůj pobyt na Marsu posádka používá několik typů vybavení: stanoviště, ve kterém žijí, když neprovádějí vesmírné procházky, tlakové nebo netlakové rovery, které jim umožní prozkoumat větší region s lepší produktivitou, elektrárna na výrobu energie a , volitelně vědecké přístroje (meteorologická stanice, laboratoř), vybavení umožňující využití zdrojů in situ (výroba kyslíku nebo vody z atmosféry), vrták pro vynášení jader ze země, dálkově ovládané robotické vozítka ...
Posádka 6 Landers s kapacitou 40 t . |
Posádka 4 Landers s kapacitou 20 t . |
|||
---|---|---|---|---|
Zařízení | Číslo | Jednotková hmotnost | Číslo | Jednotková hmotnost |
Spotřební materiál | - | 7 940 kg | - | 7 940 kg |
Vědecký materiál | - | 1200 kg | - | 1200 kg |
Robotické vozítka | 2 | 200 kg | 2 | 200 kg |
Vrtačka | 1 | 250 kg | 1 | 250 kg |
Rover bez tlaku | 1 | 200 kg | 1 | 200 kg |
Rovers pod tlakem | 2 | 7 500 kg | 2 | 7 500 kg |
Systém přenosu paliva | - | - | 2 | 400 kg |
Místo výskytu | 1 | 24 560 kg | 1 | 19 870 kg |
Elektrárna | 2 | 7 800 kg | 2 | 7 800 kg |
ISRU | 1 | 1230 kg | 2 | 1230 kg |
Spouštěč / kapsle se vrací na oběžnou dráhu (prázdný) | 1 | 9 až 12 t . | 1 | 9 až 12 t . |
Ergoly | - | 8 až 10 t . | - | 8 až 10 t . |
Stanoviště zahrnuje přechodovou komoru pro východy na marťanské půdě. V určitých scénářích, včetně scénáře NASA, umožňuje nafukovací nabídka (tedy lehká pro přepravu) zvýšit dostupný objem. Stanoviště musí mít potřebné zásoby, vodu a kyslík pro pobyt 500 dní. V této fázi není možné vyrábět ovoce nebo zeleninu na místě. Zpráva NASA doporučuje, aby každý člen posádky měl osobní prostor, který zahrnuje kromě jeho postele také prostor, který si může přizpůsobit, stůl, počítač a odkládací skříň pro osobní věci. Prostor by měl být uspořádán nejen tak, aby mohl odpočívat, ale také relaxovat a provádět osobní činnosti. Aby měl každý astronaut prostor pro soukromí a zároveň bylo omezeno riziko tendence k izolaci, zpráva doporučuje místnosti pro 2 s odnímatelnou přepážkou umožňující naříznutí místnosti na požádání. 2. O účinku Marsu je známo jen málo. snížená gravitace (0,38 g ) po dlouhou dobu a je třeba pokračovat v výzkumu v této oblasti. Je jisté, že stanoviště bude muset posádce poskytnout vybavení pro fyzické cvičení pro boj s účinky nízké gravitace. Na základě poučení z instalací na vesmírné stanici NASA doporučuje, aby tato zařízení měla hravou stránku, aby nezpůsobovala únavu, a aby byla instalována v dobře větrané místnosti a mimo hlavní dopravní cesty stanoviště.
Dvě marťanská stanoviště (zdroj NASA)
Výroba elektřiny jaderným generátorem (zdroj NASA)
Příklad tlakového roveru (zdroj NASA V5)
Používání motorových vozidel na marťanské půdě je oprávněné z několika důvodů. Hledání příznivého místa přistání, a tedy plochého, riskuje uložení místa instalace daleko od míst vědeckého zájmu, ale charakterizovaných nejčastěji reliéfy nebo srázy. Na druhou stranu je během 18měsíčního pobytu pravděpodobné, že budou prozkoumána všechna místa v docházkové vzdálenosti, i když počet výstupů do vesmíru zůstane omezený. Nakonec vozidlo umožňuje snížit čas strávený cestováním na místo, čímž se zvýší produktivita vědecké práce a také se sníží spotřeba spotřebního materiálu omezením fyzické námahy vyvíjené na astronauty. V rámci programu Apollo bylo měřeno, že použití vozítka mělo za následek významný zisk ze vzdálenosti 100 metrů.
V závislosti na scénáři má posádka jedno nebo více vozidel, která mohou zvýšit jejich poloměr průzkumu. Může být bez tlaku a lehký jako lunární rover nebo pod tlakem s větší autonomií. Posádka beztlakového vozidla jej použila se svým skafandrem. Tento typ vozidla může mít nádrže umožňující doplňování spotřebního materiálu (energie, voda, kyslík). Vozidlo má navigační a telekomunikační systém; umožňuje přepravu nástrojů a vzorků. Vrtné zařízení lze přepravovat ve speciálním přívěsu. Tlakové vozidlo značně zvyšuje rozsah akce a dobu trvání expedic. Ve scénářích NASA se doporučují dva vozítka stejného typu, aby bylo možné vozidlo opravit dvojitým vozidlem.
Množství energie potřebné k provozu roveru je hlavní překážkou pro tlakové rovery, které by byly poháněny elektromotory poháněnými bateriemi. Podle NASA tedy musí mít střední rover (7 x 4 m ), který může nést dva lidi na průzkumy trvající týden a přitom cestovat 100 km v úplné autonomii (hmotnost 7,5 tuny), musí mít 2, 5 tuny baterií a 400 m 2 solárních panelů (instalovaných ve stojícím stavu), pokud cestují průměrnou rychlostí 3 km / h . Snížením rychlosti jízdy na 0,5 km / h a použitím dalších radioizotopových generátorů by bylo možné snížit povrch solárních panelů na 40 m 2 a hmotnost baterií na 300 kg .
Výroba energieSystém výroby energie hraje v marťanské misi ústřední roli. Používá se k ovládání zařízení typu ISRU, které produkuje palivo používané raketou, což umožňuje astronautům znovu vzlétnout, zahřát a provozovat stanoviště, naložit různá zařízení (vrták, rover). Potřebný elektrický výkon se odhaduje na špičku 92 kW pro ISRU a přibližně 15 kW pro každodenní použití, když je posádka na zemi. Předpokládají se dva zdroje energie: malá jaderná elektrárna nebo použití solárních panelů.
Na elektrickou energii dodávanou solárními panely má významný vliv několik faktorů. Sluneční svit na Marsu je kvůli odlehlosti planety od Slunce dvakrát tak nízký jako na Zemi. Sluneční záření je také neustále filtrováno prachem přítomným v marťanské atmosféře, který je během dlouhých bouří hustší. Tento prach se usazuje na solárních panelech po celou dobu jejich pobytu na marťanské půdě a snižuje jejich účinnost. A konečně, zeměpisná šířka místa přistání má významný vliv na výkon panelů.
Činnosti na marťanské půděPo přistání nebude posádka, pokud během svého přechodu mezi Zemí a Marsem trpěla dlouhou dobou beztíže, k dispozici pro kritické úkoly několik dní, ne-li několik týdnů.
Tři průzkumné strategieNASA studovala tři strategie zkoumání Marsu prostřednictvím mise s posádkou, které se liší jak rozsahem zkoumané oblasti, tak důležitostí vesmírných procházek prováděných posádkou:
Stanoviště, které během fáze přistání využívalo omezené vnitřní energetické rezervy z hmotnostních důvodů, musí být rychle připojeno k vnějšímu zdroji energie: solárním panelům (které mají být rozmístěny) nebo jadernému generátoru. Je zaveden systém rozptylu tepla i telekomunikační antény umožňující vysokorychlostní komunikaci se Zemí, jakož i moduly, vozidla a satelity umístěné na Marsu. Systém podpory života v uzavřené smyčce je nakonec restartován nebo jinak zkontrolován. Jakmile bude mít kapacitu, posádka bude muset provést výstupy do vesmíru, aby nasadila první experimenty poblíž stanoviště, uvedla přepravovaná vozidla do funkčního stavu, odstranila vybavení z lodních podpalubí. Pokud nafukovací stanoviště existuje, je nainstalováno a připojeno ke zbytku stanoviště.
PrůzkumPrvní činností je terénní geologie : oko a lidská kapacita pro syntézu umožňují detekovat stopy, které robot nemůže najít. Člověk si může rychle vybrat metodu průzkumu podle toho, co vidí, a implementovat příslušné nástroje. Část průzkumu by mohla být svěřena robotům, které budou astronauty řídit dálkovým ovládáním, například rozšířit zkoumanou oblast nad limity stanovené bezpečnostními pravidly nebo provést počáteční umístění. Odebrané vzorky mohou být předmětem počáteční analýzy v místní laboratoři, zejména za účelem identifikace typu horniny, její struktury, jejích složek a přítomnosti známek života ( fosilie , struktury). Laboratoř umožní studovat těkavé nebo přechodné charakteristiky vzorků, které nelze pozorovat na konci návratu na Zemi.
Přítomnost mužů na místě také umožňuje provádět geofyzikální a meteorologická měření : podrobné pozorování prachových bouří, seismické a radarové sondování ke studiu podzemních struktur, zejména k hledání přítomnosti vody. Přítomnost člověka umožňuje přesné umístění a kalibraci měřicích přístrojů. Hluboké podzemní sondování lze provádět pro přístup k vrstvám obsahujícím vodu v ustáleném stavu, k prohledávání sedimentárních ložiskových jader na přítomnost mimozemského života nebo zvláštních rysů, jako jsou hydrotermální usazeniny. Ke studiu atmosféry mohou být vypuštěny sondující rakety a balóny.
Nakonec mohou být provedeny experimenty k testování využití Marsu lidmi k realizaci plantáží na marťanské půdě. Lékařské studie jsou prováděny na astronautech za účelem analýzy adaptace člověka na marťanské prostředí z hlediska jeho zdraví a jeho schopností.
Průzkum více míst ve velkém okruhu kolem stanoviště je předpokladem vědeckého úspěchu expedice. NASA ve svém referenčním scénáři předpokládá průzkumy prováděné v okruhu 100 km : plánuje se během těchto expedic provádět vrtání do hloubky 100 metrů. Pro optimalizaci času stráveného na místě jsou připraveny dálkové expedice: studium satelitních odečtů, odesílání dálkově ovládaných robotů za účelem nalezení nejlepší přístupové cesty a počáteční posouzení zájmu, který web představuje. Dostupnost vozidel je zásadní, stejně jako dostupnost navigačního systému, který umožňuje astronautovi zorientovat se. Kosmický skafandr musí poskytovat astronautovi dostatečnou volnost pohybu, aby mu umožnil vykonávat jeho úkoly bez námahy. Rozsah činnosti posádky je dán rozsahem nasazených vozidel, ale také kapacitou a dostupností záchranného vozidla, které musí být schopné zotavit výpravu v obtížích ochrnutých poruchou jeho vybavení nebo nehodou. Pokud není k dispozici pohotovostní vozidlo, je cestovní limit stanoven schopností astronautů vrátit se do stanoviště pěšky. Expedice vždy zahrnují alespoň 2 astronauty a členové týmu jsou k dispozici v stanovišti, aby zajistili trvalé rádiové sledování a účast na záchranné expedici. Expedice by měly být plánovány podle ročních období. Nedoporučuje se chodit v noci nebo během prašné bouře. Nástroje (zejména vrtací nástroje), vozidla a skafandry musí být možné opravit na místě, pokud porucha není příliš složitá. Aby se zvýšil rozsah akce expedic, může být v srdci oblasti, která má být prozkoumána, nainstalována základna, která umožňuje astronautům sundat skafandry, odpočívat tam a doplnit svůj spotřební materiál. Touto základnou může být tlakový rover nebo nafukovací stanoviště.
Laboratorní práce Život v prostředí Údržba a opravy zařízení Návratové přípravyAby se posádka mohla vrátit na Zemi, musí se odtrhnout od marťanské gravitace a poté se vstříknout na cestu zpět na naši planetu. Možných je několik scénářů. V takzvaném „přímém“ scénáři se pro návrat na Zemi používá také kosmická loď, která vzlétne z povrchu Marsu. To vyžaduje na jedné straně plavidlo vybavené tak, aby posádce umožnilo zůstat po dobu 6 měsíců zpáteční cesty a schopné provádět atmosférický návrat vysokou rychlostí do zemské atmosféry, a na druhé straně dostatečně výkonný odpalovací zařízení. Loď uniknutím z Marsu. Tento scénář je scénářem Mars Direct, ale jeho nedostatek realismu (hmotnost k vypuštění byla příliš důležitá) ho obecně přiměl opustit ve prospěch scénáře Mars Semi-direct. V tomto, který také doporučuje NASA, kosmická loď vypuštěná z povrchu Marsu funguje pouze jako taxi a kotví s kosmickou lodí umístěnou na oběžné dráze kolem Marsu a zodpovědnou za přivedení posádky zpět na Zemi. V referenčním scénáři NASA se jedná o plavidlo, které provedlo cestu ven, zatímco v polopřímém scénáři jde o plavidlo vypuštěné pouze pro zajištění návratu posádky. Setkání obou lodí představuje jednu z nejrizikovějších fází mise.
Ve dvou výše zmíněných scénářích používá raketa, která vzlétne z Marsu, pohonné hmoty částečně vyrobené na místě díky malé chemické továrně extrahující kyslík z marťanské atmosféry, protože kosmická loď přistála na Marsu, tedy téměř 4 roky. NASA studovala několik architektur:
Mise s posádkou na Mars byly předmětem velkého počtu studií. Dokument NASA z roku 2001 uváděl téměř 1 000 více či méně podrobných projektů vyrobených od roku 1950 v americké vesmírné agentuře nebo v jiných institucích.
Dva scénáře misí s posádkou na Mars byly doposud obzvláště podrobné na technické úrovni: scénář referenční mise NASA Design , jejíž první verze pochází z konce 90. let, byl od té doby pravidelně vylepšován. Aktuální verze (5.0) je těžkou misí, která vyžaduje uvedení na nízké oběžné dráze Země mezi 850 a 1250 tunami užitečného zatížení díky vypuštění deseti raket SLS. Scénář sdružení Mars Society sdružující nadšence a vytvořený vesmírným profesionálem Robert Zubrin doporučuje scénář „Mars Direct“, jehož cílem je výrazně snížit náklady omezením počtu startů na dva nebo tři (Mars Semi-Direct). Nutné díky zejména použití víceúčelových modulů, zmenšení velikosti posádky a přesnější výpočet opatření.
Charakteristický | Scénář NASA | Scénář Mars Direct |
---|---|---|
Velikost posádky | 6 | 4 |
Doba trvání mise | 900 dní včetně 540 na Marsu (scénář konjunkce) | |
Počet startů | Asi deset | 2 |
Sestava nízké oběžné dráhy Země | Ano | Ne |
Hmotnost na nízké oběžné dráze Země | asi 1000 tun | asi 240 tun |
Mše na marťanské půdě | asi 80 tun | |
Plavidlo použité k přenosu posádky na oběžnou dráhu Země | Orion | HAB |
Stanoviště používané pro tranzit Země-Mars | MTV | HAB |
Stanoviště používané na marťanské půdě | HAB | HAB |
Raketa použitá pro výstup | MOJE V | VRE |
Stanoviště používané pro tranzit Mars-Země | MTV | VRE |
Plavidlo bylo použito pro návrat posádky na Zemi | Orion | VRE |
Typ pohonu Země-Mars | Tepelná jaderná energie (stupeň NTR) | Chemikálie |
Umělá gravitace během přepravy | Ne | Ano |
Technika používaná k oběžné dráze kolem Marsu | Aerocapture / Propulsion | Aerocapture |
Výroba energie na Marsu | Nukleární reaktor | Nukleární reaktor |
Rover | až 5 vozítek včetně 2 robotických a 2 tlakových | Malý tlakový rover |
Technika použitá pro sestup na zem Marsu | Ve studii | Nespecifikováno |
Využití místních zdrojů pro pohonné hmoty pro raketu vypuštěnou z Marsu | Ano | Ano |
V roce 2015 zveřejnila NASA zprávu o strategii plánované k dosažení mise s posádkou na marťanské půdě během 30. let 20. století. Tento dokument, který není příliš přesný ohledně technických prostředků implementovaných pro vlastní marťanské mise, podrobně popisuje cíle, které je třeba postupně plnit, a předběžné mise, které zahrnují cirkulační lety, zachycení asteroidu a přistání na marťanské družici Phobos . Těžký odpalovací zařízení SLS a meziplanetární kosmická loď Orion, vyvíjené v roce 2015, hrají ústřední roli.
V roce 2016 představil Elon Musk svou misi s posádkou na Mars na konferenci v Mexiku.
V roce 2010 se zdá , že uzavření programu Constellation z rozpočtových důvodů , jehož cílem bylo přivést člověka zpět na měsíční půdu, předznamenává stažení amerického vesmírného programu s posádkou na nízkou oběžnou dráhu Země. Ve stejném roce se však NASA rozhodla pokračovat ve vývoji těžkého odpalovacího zařízení SLS a meziplanetární kosmické lodi Orion . Tyto kosmické lodě mají být použity k provádění meziplanetárních misí se stále větší složitostí s konečným cílem ukládat lidi na Mars. Takto definovaná strategie s názvem „Flexibilní cesta“ je mnohem progresivnější než to, co se předpokládalo v předchozích marťanských projektech. Před umístěním člověka na Mars se plánuje uskutečnit mise kolem Měsíce, na blízkých asteroidech a poté na marťanském měsíci Phobos za účelem vývoje materiálů a získávání zkušeností. První mise SLS a Orion do cislunárního prostoru byly postupně definovány v následujících letech. Strategie zkoumání marťanského systému však zůstává vágní.
Mezilehlé mise: přistání posádky na povrchu asteroidu a PhobosuV rámci flexibilní cesty se předpokládají dva typy misí určených k přípravě na marťanskou misi :
v října 2015„NASA zveřejňuje zprávu nazvanou„ Cesta NASA na Mars, průkopnické další kroky v průzkumu vesmíru “, která definuje hlavní cíle a předpokládané koncepty misí, jejichž výsledkem bude vyslání posádky na marťanskou půdu. Dokument předkládá odstupňovaný přístup, který integruje již rozhodnuté mise a architektonická rozhodnutí kolem těžkého odpalovače SLS a meziplanetární kosmické lodi Orion . Podrobně neuvádí prostředky realizované k dosažení a udržení na povrchu Marsu a nezabývá se otázkou financování tohoto marťanského programu. Jsou identifikovány tři fáze:
K dosažení marťanské mise NASA ve své zprávě identifikovala řadu rozhodnutí, která je třeba učinit, včetně těch, která již byla přijata:
Datum splatnosti | Rozhodnutí přijato / bude přijato |
---|---|
Rozhodnutí přijata | Prodloužení provozní životnosti Mezinárodní vesmírné stanice do roku 2024 |
Vyvíjejte výkonnější verze spouštěče SLS: „Exploration Upper Stage“ a poté výkonnější posilovací trysky | |
Stanovte základní scénář mise pro zachycení asteroidu | |
Volba scénáře před nasazením pro nákladní lodě a infrastrukturu | |
Rozhodnutí, která mají být přijata v nadcházejících letech | Vyvinete skafandr pro vesmírné chodníky z kosmické lodi Orion |
Definujte kapacitu stanoviště používaného v meziplanetárním prostoru | |
Vyberte pohonný systém používaný pro cestování v meziplanetárním prostoru | |
Určete marťanské robotické mise, které budou spuštěny po březnu 2020, aby se připravily na misi s posádkou na marťanské půdě | |
Definujte budoucí mise, které lze v cislunárním prostoru předpokládat | |
Rozhodnutí, která mají být přijata v příštím desetiletí | Definujte mise fáze 3 (Phobos, Mars ...) |
Definujte roli technologií ISRU v logistice marťanských misí | |
Navrhování stanovišť uložených na povrchu Marsu | |
Vyvinout systém výroby energie používaný na povrchu Marsu |
Těžký odpalovač SLS hraje klíčovou roli při realizaci marťanského programu. Jako součást zprávy o konečném produktučervence 2015(„Evolvable Mars Campaign: Status Update to SLS Evolvability TIM“), NASA představuje časovou osu po sobě jdoucích startovacích misí, které poskytují vhled do toho, jak plánuje kosmická agentura postupovat k dosažení přistávací posádky na marťanské půdě. Musí být použity tři verze odpalovacího zařízení SLS se zvyšujícím se výkonem: blok I (kapacita: 70 tun na nízké oběžné dráze Země), blok IB (105 tun ) a blok II (130 tun ).
Datováno | Kód mise | Spouštěč | Užitečné zatížení | Objektivní | Další popis misí |
---|---|---|---|---|---|
2018 | EM-1 | SLS blok I | Orion | První testovací let SLS Orion testován za nízkou oběžnou dráhou |
Mise do cislunárního prostoru bez posádky |
2020 | ARRM | SLS blok I | Orion, modul SEP a systém zachycování asteroidů | První zkouška SEP (elektrický pohonný modul) | Bezobslužné zachycení asteroidu. |
2021 | EM-2 | SLS blok IB | Orion | První let SLS verze IB První let Orionem s posádkou |
Cislunar mise s posádkou |
2022 | EM-3 | SLS blok IB | Modul Orion a meziplanetární stanoviště | První test modulu meziplanetárního stanoviště | Cislunar mise s posádkou |
2023 | EM-4 | SLS blok IB | Modul Orion a meziplanetární stanoviště | Cislunar mise s posádkou | |
2024 | EM-5 | SLS blok IB | Modul Orion a meziplanetární stanoviště | Cislunar mise s posádkou | |
2025 | EM-6 / ARM | SLS blok IB | Systém zachycení Orionu, SEP a asteroidů | Zachycení posádky asteroidů | |
2027-2028 | EM-7 a 8 | SLS blok II | Modul Orion a meziplanetární stanoviště | Cislunar mise s posádkou | |
2028 | X | SLS blok II | Prototyp modulu marťanského původu | Ověření technik příjezdu na marťanskou půdu | Přistání bezpilotního těžkého modulu na Mars |
2028-2033 | X | SLS blok II | Rozličný | Studie in situ marťanského měsíce Fobos posádkou Vývoj 7 ze 16 hlavních složek potřebných pro misi na Mars. |
10 letů SLS (z toho 2 s posádkou) |
2034-2039 | X | SLS blok II | Rozličný | První mise posádky na Marsu | 12 letů SLS |
2038-2043 | X | SLS blok II | Rozličný | Druhá mise posádky na Marsu | 10 letů SLS |
V letech 1988 ( případové studie NASA ) a 2009 NASA vylepšila scénář mise s posádkou na Mars na základě postupného vypouštění na nízkou oběžnou dráhu různých kosmických lodí sestavených na oběžné dráze nízké Země a poté nasměrovaných na Mars. Verze 5 tohoto scénáře je pravidelně aktualizována a v roce 2014 byl vytvořen dodatek.
Referenční případ V5 z roku 2009Nejnovější verze byla vyrobena v Únor 2009(Mars Design Reference Architecture 5.0). Scénář využívá 2 vyvíjené odpalovací zařízení jako součást programu Constellation - Ares, který jsem navrhl k vypuštění lodí s posádkou, a Ares V schopný vložit 188 tun nákladu na nízkou oběžnou dráhu - stejně jako kosmická loď s posádkou Orion .
Architektonické možnostiNejstrukturálnější doporučení studie jsou následující:
Datum spuštění |
Užitečné zatížení | Součásti používané k pohonu |
Celková hmotnost na nízké oběžné dráze Země |
Počet odlišných spuštění SLS |
---|---|---|---|---|
t-28 měsíců | ||||
( 3 ) Stanoviště | ( 1 ) Jaderný pohonný stupeň ( 2 ) Pevná vodíková nádrž |
246,2 t . | 2.5 | |
t-28 měsíců | ||||
( 3 ) Výtahová fáze jaderné elektrárny ISRU |
( 1 ) Jaderný pohonný stupeň ( 2 ) Pevná vodíková nádrž |
246,2 t . | 2.5 | |
t | ||||
( 4 ) Stanoviště používané pro tranzit Země-Mars ( 5 ) Plavidlo Orion ( 6 ) Telekomunikační systém, kryochladiče a solární panely ( 7 ) Dokovací port pro plavidlo vzlétající z Marsu |
( 1 ) Jaderný pohonný stupeň ( 2 ) Pevná vodíková nádrž ( 3 ) Odnímatelná vodíková nádrž |
356,4 t . | 4 |
Hlavní charakteristiky scénáře jsou následující (diagram naproti):
Referenční scénář NASA je založen na řadě technických inovací, jejichž vývoj s sebou přináší značné náklady, rizika a zpoždění. V roce 2009 je navržena varianta, která se rozhodne pro mnohem větší opětovné použití dostupných technologií. Hlavní charakteristiky tohoto scénáře jsou následující:
V reakci na žádost prezidenta USA provedla NASA studii o projektech průzkumu Měsíce a Marsu s posádkou, které měly převzít od Mezinárodní vesmírné stanice . Výsledná zpráva, nazvaná 90denní studie , navrhla dlouhodobý plán na dokončení mezinárodní vesmírné stanice považovaný za zásadní krok a poté se vrátil na Měsíc, aby vytvořil stálou základnu a nakonec poslal muže na Mars. Tato zpráva byla široce kritizována jako příliš ambiciózní a příliš drahá a všechny prostředky určené na průzkum člověka mimo oběžnou dráhu Země byly Kongresem sníženy.
Referenční mise NASA Design (konec roku 1990)Na konci 90. let definovala NASA několik scénářů průzkumu Marsu s posádkou. Jedním z nejpozoruhodnějších a nejčastěji citovaných je Design reference mission 3.0 (DRM 3.0). Studii provedl Johnson Exploration Team Johnson Space Center (JSC). Lidé zastupující různá výzkumná centra NASA definovali referenční scénář pro lidský průzkum Marsu. Plán popisuje první mise na Mars vývojem použitých konceptů a implementovaných technologií. Tato studie vychází z předchozích studií zaměřených zejména na práci společností Synthesis Group (1991) a Zubrin (1991) pro použití paliv vyrobených z marťanské atmosféry. Hlavním cílem této studie bylo stimulovat myšlení a objev alternativních přístupů, které mohou zlepšit proveditelnost i snížit rizika a náklady.
Referenční mise NASA Design 5.0 (2007)NASA v tomto dokumentu načrtla konečné podrobnosti scénáře mise s posádkou na Mars . Toto bylo aktualizováno vledna 2009.
Scénář Mars Direct byl navržen tak, aby demonstroval, že mise s posádkou na Mars by mohla být dosažena relativně levně (ve srovnání se scénáři zavedenými NASA) pomocí stávající technologie a velké části plavidla.
Jednou na Marsu strávil tým 18 měsíců na povrchu vědeckým výzkumem. Na konci pobytu posádka pomocí ERV opustí marťanskou půdu a poté provede cestu Mars-Země.
Náklady na Mars Direct byly v době jeho definice odhadovány na 20 miliard dolarů, včetně nákladů na vývoj, tj. Dnes 30 až 35 miliard dolarů.
Od počátků astronautiky bylo navrženo velké množství scénářů misí.
Těžký osazený meziplanetární sonda (známý Rusům pod zkratkou TMK) byl průzkum loď, navržený v roce 1960, které jsou určeny k letu nad Marsu a Venuše bez přistání. Kosmická loď měla být vypuštěna v roce 1971 a provádět tříletou misi. Během letu nad Marsem měly být sondy vyhozeny. Projekt TMK byl zamýšlen jako reakce na americké lunární lety. Projekt nebyl nikdy realizován mimo jiné proto, že používal odpalovací zařízení N1, kterému se nikdy nepodařilo létat.
the 14. ledna 2004, z iniciativy amerického prezidenta George W. Bushe je publikován projekt prozkoumání Měsíce pilotovanými misemi s názvem Vision for Space Exploration . Tento navrhovaný vesmírný program stanoví zřízení základny na Měsíci kolem roku 2020. Předchozí mise v průběhu desetiletí 2010–2020 by měly umožnit vývoj nezbytných technik. the24. září 2007„Michael Griffin, tehdejší správce NASA , navrhuje, aby jako pokračování tohoto projektu mohla být zahájena mise s posádkou na Mars kolem roku 2037. NASA v té době také plánuje zahájit mise na Mars z Měsíce. Tato možnost je však vyloučena, protože vyžaduje instalaci skutečného průmyslového komplexu na našem satelitu, který by bylo obtížné provozovat a udržovat. Program Souhvězdí , který by měl učinit návrat člověka na Měsíc realitou, byl zahájen v roce 2004. Projekt však trpí problémy s financováním a nedostatkem ambiciózních cílů. V souvislosti s hospodářskou krizí ukončil prezident Obama program Constellation a odložil jakýkoli pokus o misi na Mars na velmi vzdálené datum.
Ruští vědci předložili řadu koncepcí a návrhů . Datum startu bylo mezi lety 2016 a 2020. Marťanská loď měla nést posádku 4 až 5 kosmonautů, která měla zůstat ve vesmíru 2 roky. V roce 2009 ruské a evropské kosmické agentury dokončily psychologický experiment v rámci programu Mars500, který spočíval v izolaci posádky 6 lidí (4 Rusové, 1 Němec a 1 Francouz) po dobu 105 dnů pro simulaci marťanské mise. vúnora 2010Ruská federální kosmická agentura (Roskosmos) oznamuje, že let s posádkou na Mars není součástí bezprostředního ruského vesmírného programu, ale upřesňuje, že plánuje vyvinout trysky s jaderným pohonem, které by se rychle dostaly na Mars.
Ruská a evropská společná mise Návrh společné ruské a evropské mise předložený v roce 2002 je založen na odeslání dvou plavidel, z nichž jedno přepravuje posádku 6 osob a druhé zásobuje misi. Mise trvala 440 dní a umožňovala 3členné posádce zkoumat povrch Marsu po dobu 2 měsíců. Hodnota celého projektu byla 20 miliard USD, z čehož 30% přispělo Rusko.Existuje značný počet studií publikovaných v časopisech a sbornících vědeckých kongresů. Lze je klasifikovat podle typu pohonu navrhovaného pro cestu na Mars: chemický, solární elektrický, jaderný elektrický, jaderný termální.
Březen polopřímýTento scénář původně navrhl Zubrin k nápravě kritiky týkající se Mars Direct (zejména lodi příliš těžké při startu z Marsu), tento scénář široce převzala NASA při své první referenční misi v roce 1997, stejně jako Jean-Marc Salotti , ve verzi „znovu navštívené“ v roce 2016. Myšlenkou je pro cestu ven poslat kosmickou loď s posádkou přistát přímo na Marsu bez jmenování na oběžné dráze Marsu. Pro návrat se malé vyhrazené plavidlo vrací zpět na oběžnou dráhu Marsu a připojuje se k většímu plavidlu, které tam bylo přivedeno, jen aby provedlo návrat. Cesta ven je přímá a návrat nepřímý, proto termín poloměrný. Podle Jean-Marca Salottiho může tento zcela chemický scénář se 3 astronauty pojmout aerocapture , což by umožnilo jeho implementaci ve 4 těžkých odpáleních pomocí rakety SLS, namísto 9 ve scénáři NASA z roku 2014.
Aby byla marťanská mise úspěšná, je třeba nejprve provést výzkum na vědecké a technické úrovni.
Odeslání vesmírné mise s posádkou na Mars vyžaduje určité množství údajů o podmínkách převládajících na Marsu, aby se mise mohla uskutečnit za přijatelných podmínek týkajících se nákladů, rizika a výkonu. Vyšetřování by se mělo zaměřit na čtyři typy misí: