Oppnåelsen av et bemannet romoppdrag til Mars har vært et av de langsiktige målene for astronautikk siden oppstarten. Opprinnelig et science fiction- tema , det har blitt for noen, etter landing av mennesket på månen i 1969, det neste trinnet i erobringen av verdensrommet . Men suksessen til dette prosjektet krever økonomiske ressurser som er enda mye større enn Apollo-programmet , som i seg selv ble lansert takket være en spesielt gunstig kombinasjon av omstendigheter ( kald krig , økonomisk oppgang). En bemannet flytur til Mars er også en teknisk og menneskelig utfordring i all proporsjon til en månekspedisjon: størrelsen på fartøyene, livsstøttesystem som opererer i en lukket krets over lange perioder (900 dager), påliteligheten til utstyr som ikke kan repareres. eller hvis redundans ikke systematisk kan sikres, psykologiske problemer for et mannskap som er begrenset i et begrenset rom i en spesielt stressende sammenheng, fysiologiske problemer som skyldes mangel på tyngdekraft over lengre perioder, så vel som effekten av stråling på organisasjonen.
Siden begynnelsen av 1960-tallet har ulike studier om emnet blitt utført og har utforsket scenarier og tekniske løsninger. Flere punkter er spesielt diskutert: bane i opposisjon eller i forbindelse, bruk av kjernefysisk fremdrift , besetningsstørrelse, bruk av flyfangst for å bremse ved ankomst til Mars, landingsmetode på Mars, drivstoffproduksjon av returreisen in situ , antall og tonnasje romfartøy som skal sjøsettes. De mest vellykkede forprosjektene kommer fra NASA , sterk i sin rolle som pioner og den best begavede sivile romfartsorganisasjonen, som foredler en tung løsning ( Mars Design Reference Architecture ) som krever å plassere mellom 850 og 1250 tonn i lav jordbane. . via ti båter, men også grupper av entusiaster gruppert sammen i assosiasjoner slik som Mars Society som forsvarer en rimeligere løsning, "Mars Direct", eller "Mars semi-direkte" som bare krever to, tre eller fire båter, avhengig av versjonene . Alle disse scenariene krever at sentrale teknologier utvikles og testes, inkludert luftfangst, avsetning av høye masser på Mars-jord og utvinning av ressurser fra Mars-atmosfæren eller jorda.
Prosjektet må mobilisere enorme økonomiske ressurser og presenterer betydelige risikoer ettersom suksessen med robotoppdrag til Mars demonstrerer gyldigheten av denne tilnærmingen for å utforske planeten. Takket være disse oppdaget mennesket at Mars ikke tilbød et spesielt innbydende miljø. In situ- studien av geologien på planeten av astronauter og myten om grensen , veldig levende i USA, klarer ikke å overbevise beslutningstakere om å ta steget. NASA og SpaceX utvikler enheter, som den tunge bæreraketten SLS og det interplanetære romfartøyet Orion , som kan bidra til et marsoppdrag. Men i 2019, innen romfartsorganisasjoner , siden oppgivelsen av Constellation-programmet , er det ingen sammenhengende prosjekter, selv på lang sikt, av et bemannet oppdrag til Mars som har mottatt starten på implementeringen.
Innen romforskning har Mars en spesiell plass blant planetene i solsystemet . Selv om det er lengre fra solen enn jorden (dobbelt så mye solskinn) og mye mindre enn jorden (halvparten av diameteren), er Mars planeten med de nærmeste egenskapene. Sannsynligheten for å oppdage nåværende eller tidligere livsformer der er den høyeste. Mars er i dag en kald, tørr planet nesten uten atmosfære, men i en fjern fortid var den varm og vann strømmet på overflaten. Lengre fra jorden enn Venus, er den likevel plassert i en avstand som gjør at et romfartøy når det mellom 6 og 9 måneder ved å følge en bane som sparer forbruket av drivmidler. Vann strømmer ikke lenger til overflaten, men det er rikelig i polarhettene og i de skyggefulle områdene av kratere som ligger på selv svært lave breddegrader. De viktigste kjemiske elementene som er nødvendige for etablering av en koloni ( oksygen , nitrogen , hydrogen , karbon ) er til stede enten i atmosfæren eller i jordens jord.
Romfartsbyråer lanserer regelmessig automatiserte romfartøyer for den vitenskapelige studien av Mars. Mer enn førti romsonder , orbitere , landere og rovere , har blitt sendt til Mars siden begynnelsen av 1960-tallet.Etter en pause på nesten 15 år har siden 1996 minst en ny romsonde blitt lansert hver gang vinduet åpnes. til Mars, dvs. hver 26. måned. Denne tilstrømningen av maskiner, utstyrt med stadig mer sofistikerte og tilpasningsdyktige vitenskapelige instrumenter, har gjort det mulig å samle inn mye data og gjøre mange funn. Til tross for fremskritt innen elektronikk og databehandling som brukes av disse robotapparatene, har det flere viktige fordeler å sende et mannskap til Mars-jord:
Vitenskapelige mål er avanserte for å rettferdiggjøre sending av astronauter til marsjord. Betegnelsen på disse målene avhenger av midlene som blir gitt til mannskapene: antall og varighet av romvandringene, kjøretøyets kapasitet, analyseutstyr tilgjengelig på stedet, måleutstyr (værstasjoner osv.), Borets kapasitet, tilgjengelig energi , involvering av robotrovere, etc. Prioritet vil gis til forskning som ikke kan utføres av crawlere. Tre vitenskapelige felt er bekymret:
På lang sikt, innenfor rammen av permanente baser, er alle vitenskapelige felt opptatt, særlig biologi.
Tatt i betraktning de enorme kostnadene ved et marsoppdrag, er det svært sannsynlig at politiske og samfunnsmessige motivasjoner vil spille en enda viktigere rolle enn vitenskapelige mål i beslutningen om å starte prosjektet. Det eneste romprogrammet av denne størrelsen, Apollo-programmet , ble lansert for å motvirke innflytelsen fra Sovjetunionen, som på den tiden dominerte USA i romforskning blant den kalde krigen mellom de to landene. Blant de ikke-vitenskapelige motivasjonene kan vi sitere:
Å sende et mannskap til overflaten av et annet himmelobjekt utgjør en bragd som godt illustreres av kompleksiteten og kostnadene ved Apollo-programmet (ca. 170 milliarder amerikanske dollar), som fortsatt er det eneste forsøket gjort på dette feltet. Siden den tiden har teknisk fremgang i romfeltet vært relativt begrenset bortsett fra innen elektronikk. Spesielt er det ikke gjort noe avgjørende gjennombrudd innen romfremdrift, som illustrert av implementeringen på nylige bæreraketter utviklet på 1960-tallet. Å sende menn til Mars utgjør imidlertid et mye mer komplekst mål enn å lande et mannskap på måne.
Karakteristisk for oppdraget | Apollo Mission | Marsoppdrag | innvirkning |
---|---|---|---|
Oppdragets varighet | 12 dager | 640 dager eller 910 dager (opposisjon eller sammenhengsscenario) |
- Behov for et stort boareal - Beskyttelse mot stråling - Styring av virkningene av vektløshet - Masse av forbruksvarer (vann, oksygen, mat) - Påvirkning av inneslutning |
Tid som kreves for å komme tilbake til jorden | 3 dager | minst 6 måneder og opptil 2 år | - Pålitelighet for å unngå dødelig materialfeil i denne avstanden fra jorden - Medisinsk nødsituasjon må behandles av mannskapet |
Månen eller Mars Landing / start | Ingen lav atmosfære / tyngdekraft | Tilstedeværelse av en tynn og grunne atmosfære / relativt sterk tyngdekraft | - Påviste teknikker tillater at bare ett til to tonn landes på marsjord - Start fra Mars krever bruk av en stor bærerakett in situ |
Telekommunikasjon | Rutetid ca 1 sekund, permanent lenke | Leveringstid 3 til 20 minutter, Diskontinuerlig lenke | - Følelse av isolasjon - Ingen sanntidsassistanse fra jorden |
Masse plassert i lav bane rundt jorden / plassert på bakken Månen / Mars |
118 tonn / 7 t . |
400 til 1000 tonn / 60 til 80 tonn | - Kostnad - Kompleksitet (flere lanseringer) |
Forløpet for et bemannet oppdrag til Mars inkluderer følgende trinn (ved ikke å gå inn i forbedringene av scenariene som sørger for forhåndsposisjonering av fartøyer):
I det siste detaljerte scenariet til NASA i 2009 krever et marsoppdrag utvikling av fire romskip som er satt sammen i bane og lanseres mot Mars i 3 forskjellige flyreiser:
Flere parametere har en avgjørende innvirkning på oppdraget, spesielt lengden på oppholdet på Mars-jord (sammenheng eller opposisjonsscenario), tidspunktet for flyreiser (pre-distribusjon eller samtidig lanseringer, det interplanetære fremdriftssystemet (kjemisk, kjernetermisk, atomkraft ...), typen innføring i Mars-bane ( aerocapture eller fremdrivende bremsing), metoder for nedstigning på Mars-jord, antall astronauter, vanligvis mellom 3 og 6, og til slutt drift av lokale ressurser, eller ikke, for produksjon av drivmidler som tillater retur til Mars-bane.
Den valgte banen har en direkte innvirkning på oppdragets varighet, på det interplanetære fremdriftssystemet og på mengden båret drivstoff. Dette valget svarer på flere økonomiske og vitenskapelige begrensninger:
Valget av banen er begrenset av reglene for romlig mekanikk :
Gitt alle disse begrensningene, er det to oppdragsscenarier:
Sammensetningsscenariet Mannskapet tok av på det gunstigste tidspunktet og landet på planeten Mars etter 180 dagers reise. Han tilbringer 550 dager på Mars-jord til det gunstigste lanseringsvinduet åpnes. Hjemreisen varer også 180 dager. Den totale varigheten av oppdraget er 910 dager. Opposisjonsscenariet Utreisen skjer under de samme forhold som det andre scenariet. Varigheten av oppholdet på Mars minimeres mens den er kompatibel med oppnåelsen av vitenskapelige mål, dvs. rundt 30 dager. Returen foregår i en mye mer ugunstig konfigurasjon: den varer 430 dager og krever fordel av Venus gravitasjonsassistanse . Den eneste fordelen med dette oppdraget er å redusere den totale varigheten til 640 dager, noe som begrenser forfatterne til tidspunktet for eksponering for stråling.Sammenhengsscenariet foretrekkes allment av forskere. Opposisjonsscenariet som bare tillater et opphold på omtrent 30 dager på Mars-jord, tillater ikke utforskning av hele området som kan nås takket være mobilitetssystemene som er tilgjengelig for mannskapet. Dette scenariet begrenser muligheten for å samle jordprøver tatt med stor dybde ved bruk av boret. Oppholdets korthet gjør det ikke mulig å omorganisere forskningen i henhold til funnene eller å iterativt optimalisere jord- og steinprøvene som er samlet inn. Derimot er de eneste to ulempene lengre eksponering av astronauter for kosmiske stråler og litt høyere kostnader.
Evnen til et fartøy i rommet til å endre bane er betinget av massen av drivmidler det bærer og som brukes av dets rakettmotorer hver gang det er nødvendig å akselerere, men også å bremse. Utvekslingsutstyret som kreves for et oppdrag til Mars med mannskapet tilbake til jorden er veldig viktig. Imidlertid er det med en konvensjonell kjemisk fremdrift nødvendig å ofre praktisk talt 50% av massen i form av drivmidler for å modifisere hastigheten på 2 km / s . Scenariene utviklet i de forskjellige studiene av romoppdraget til Mars tilbyr forskjellige fremdriftssystemer og muligheter for å redusere massen av drivmidler som skal bæres:
Fartøyets posisjon | Framdriftsfase | Delta-V kreves | Kommentarer |
---|---|---|---|
Lav jordbane | Injeksjon på en bane til Mars | 3,7 til 4,1 km / s (1) | Hvis fremdriftsmåten er kjemisk eller kjernefysisk, er skyvekraften sterk og rask, og utgangen fra jordens attraksjon varer bare noen få dager. På den annen side, hvis man driver ioniske fremdriftsmotorer med solcellepaneler eller en atomreaktor for strømforsyningen, er skyvet svakt og langt. Konsekvensen er en gevinst når det gjelder massen av drivmidler, men en økning i varigheten av oppstigning i høy bane og utgang fra jordens attraksjon (ofte flere måneder), og en større Delta V. |
Ankomst nær Mars | Innsetting i Mars-bane | 0,8 til 1,8 km / s (1) | Det er mulig å utnytte Mars-atmosfæren for å bremse og komme i bane. Du trenger da et varmeskjold. Hvis luftfangst ikke brukes, bremses med fremdriftssystem. Som en generell regel, hvis fremdriftssystemet er kjemisk, er aerocapture å foretrekke fordi det sparer mye drivstoff. Dette er ikke tilfelle med ionedrift, men innsettingen er da mye lenger.
I tilfelle ankomst med høy hastighet for å redusere varigheten, er DeltaV selvfølgelig viktigere og luftfangst vanskeligere. |
I lav bane rundt Mars | Nedstigning på marsjord | 0,6 til 0,8 km / s | Retardasjonen oppnås i stor grad takket være den atmosfæriske luftmotstanden, som forklarer det lave deltaV. Framdrift er nødvendig for å tillate en presis og jevn landing samt for å kompensere for tynnheten i atmosfæren. |
På bakken til Mars | Innsetting i Mars-bane | ca 5 km / s | I de fleste scenarier tar du av fra Mars med et lite håndverk. For å redusere massen av drivmidler som skal sendes til Mars, antyder de fleste studier produksjon fra Mars-atmosfæren, spesielt oksygen (ISRU). Ideelt sett kan bane som skal nås være veldig lang, med en periode på 1 sol, som letter møte med returbilen som har holdt seg i bane. |
I bane rundt Mars | Innsetting på en sti til jorden | 1,6 km / s | |
Ankomst nær Jorden | Nedstigning til jorden | 0 km / s | - |
(1) Avhenger av dato og planlagt varighet for transitt |
I alle scenarier krever sending av et oppdrag til Mars flere separate flyreiser som tilsvarer like mange tungt utstyr som skal transporteres. På en relativt standard måte tar det to lastefly (uten mannskap) for å bringe til Mars overflate på den ene siden habitatet, på den andre siden fartøyet som er ansvarlig for å bringe mannskapet tilbake i bane ved slutten av oppdraget. En tredje flytur transporterer mannskapet mellom jorden og Mars (tur-retur) i et habitat som er ment å forbli i bane. To scenarier er mulige for planleggingen av disse flyvningene:
Scenarioet før distribusjon er generelt foretrukket. Årsakene som NASA-arbeidsgruppen har utviklet, som utviklet referansescenariet for det amerikanske romfartsorganet, er som følger:
Merk: Reisetiden til et lasteskip er mindre kritisk enn for et bemannet skip. Det er derfor fordelaktig i dette tilfellet å favorisere ionisk fremdrift, noe som innebærer en mye lengre kjøretid, men som bruker mindre drivmiddel.
Bruken av teknikken for å fange luft er et alternativ til bruken av motorer som bruker dyrebart drivstoff: når den kommer nær Mars, skjærer romfartøyet planeten i en høyde lav nok til tettheten i atmosfæren. Mars utøver aerodynamisk trykk som bremser den ned nok til å plassere den i bane rundt planeten. Det er en veldig delikat teknikk som krever veldig presis navigering for ikke å utsette fartøyet for mye termisk aggresjon, noe som kan føre til tap av fartøyet eller tvert imot ikke redusere tilstrekkelig, noe som vil sende fartøyet tilbake på retur sti. eller en bane med veldig høy eksentrisitet. En ytterligere begrensning er at retardasjonen må være tålelig av mannskapet (grense satt til 5 g av NASA).
Den airbraking er et mellomprodukt alternativ er å bevege seg høyere opp i atmosfæren av Mars, noe som fører til en langstrakt bane av ytelse og krever ekstra fremdrifts bremsing og mange andre passasjer for å oppnå den ønskede endelige bane.
Det siste NASA-scenariet som Mars Society innebærer produksjon av forbruksvarer fra ressursene som er tilgjengelige på Mars. Den anvendelse av in situ ressurser (på engelsk ISRU) i betydelig grad kan redusere den masse som skal avsettes på Mars. Produktene som produseres vil for det første være en del av vannet og oksygenet som forbrukes av astronauter, og for det andre drivstoffet som brukes til å stige opp fra overflaten til Mars til lav bane. Ifølge R. Zubrin ville bruk av Sabatier-reaksjonen (CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2 H 2 O) etterfulgt av elektrolyse (2 H 2 O → 2 H 2 + O 2 ) gjøre det mulig å bruke 6 tonn hydrogen som ble ført videre på område med karbondioksid fra atmosfæren på Mars for å danne opptil 112 tonn av en blanding av metan og oksygen som brukes som drivstoff av rakettmotoren over en periode på 10 måneder . Utstyret som produserer disse forbruksartiklene, ville være forhåndsposisjonert flere måneder før mannskapet ankom, både for å sikre at de fungerer som de skal og for å produsere nødvendige forbruksvarer på forhånd.
Den psykologiske faktoren er en viktig risiko i et marsoppdrag:
Besetningsmedlemmer må velges nøye ut både på grunnlag av deres evne til å løse problemer, men også for å vedta riktig oppførsel i kritiske eller konfliktsituasjoner. Erfaringen fra langvarige oppdrag ombord på romstasjoner har vist at til tross for bruk av psykologiske kriterier for valg av astronauter, kan det oppstå konflikter. Utvelgelseskriteriene for et marsoppdrag er fortsatt vanskelige å fastslå. Det er også debatt om behovet for å ikke velge et blandet og flerkulturelt mannskap (for eksempel russisk / amerikansk).
Grundig screening for potensielle medisinske problemer, opp til genetisk undersøkelse, utføres fordi risikoen for sykdomsutvikling er høy gitt lengden på oppdraget.
Avhengig av scenariene som følge av kjente studier, består mannskapet fra 3 til 6 personer (4 for Zubrin, 6 for NASA-referansescenariet). Den øvre grensen bestemmes av den ekstra massen som kreves av et ekstra lagmedlem. Minimum antall resultater fra risikostyring (dobbel redundans), fra summen av oppgavene som skal utføres og spesialitetene som skal mestres. Gitt antall misjonsparametere som for tiden er udefinert, er disse tallene kun veiledende. I følge NASA skal følgende spesialiteter mestres av minst en person og utgjøre en sekundær spesialisering for andre: kirurg / lege , geolog , biolog , mekaniker, elektriker / elektronikk , kommando. Zubrin anbefaler et mannskap på to mekanikere (overlevelsen av oppdraget avhenger av mannskapets evne til å overvinne feil), en geolog og en biogeokjemiker. Zubrin ignorerer spesialister som utelukkende praktiserer medisin, pilot eller utelukkende dedikert til kommandoen for ekspedisjonen.
På grunn av kompleksiteten til et bemannet marsoppdrag, vil utvikling, testing og kvalifisering av et stort antall systemer koste titalls eller hundrevis av milliarder euro. Når disse systemene er kvalifiserte, vil kostnaden per kilo brakt til Mars fortsatt være relativt høy. I henhold til scenariet og tallene fra NASA er den nyttige massen som må plasseres på Mars 80 tonn (unntatt nedstigningsfasen som ikke lenger er nyttig en gang på Mars-jord) fordelt på to moduler:
NASA-scenariet, som er basert på flere futuristiske tekniske løsninger for å optimalisere massen som skal settes i bane, planlegger å lansere 25.000 tonn fra bakken (omtrentlig masse på syv Ares V- bæreraketter og en Ares I- bærerakett med usikkerhet om massen til Ares V launcher ), for å ha 1024 tonn i bane med lav jord og resultere i 80 tonn på Mars. Imidlertid, med nåværende bæreraketter, koster lanseringen i en lav bane på et tonn mellom 10 og 20 millioner dollar. I følge denne tariffen ville lanseringen av Mars-ekspedisjonen alene koste mellom 10 og 20 milliarder dollar (prisen skulle være lavere med en Ares V ). For å lande et tonn mer på Mars krever det i tillegg å lansere 12 tonn til i lav bane ved å bruke forholdet som brukes av NASA.
Som et resultat begrenser de fleste bemannede oppdragsscenarier for Mars massen til å lande på Mars til et absolutt minimum og prøver å forbedre forholdet mellom massen som sendes ut i en lav bane rundt jorden og den som utgjør Mars.
Under turen mellom Jorden og Mars (tur-retur) som varer mellom 360 dager (konjunkturscenario) og 610 dager (opposisjonsscenario), blir mannskapet utsatt for 3 fenomener som kan påvirke deres helse: solbluss , kosmiske stråler og vektløshet .
SolblussDe solstormer er toppene av aktiviteten i Sun som planlegger protoner har en stor energi. Aktiviteten til solen kjenner sykluser på 11-12 år der solaktiviteten øker og deretter avtar. I faser av høy aktivitet er solbluss både flere og sender en større strøm av protoner. Dosene som mottas av et ubeskyttet mannskap øker risikoen for å utvikle kreft noen år senere. De mest voldsomme solblussene som kunne studeres representerte en dose på 38 rems . I følge den amerikanske luftfartsingeniøren Robert Zubrin , hvis mannskapet blir advart (solfakkel er observasjon som tillater en viss forventning), kan de begrense dosen som mottas i gjennomsnitt til 5,5 rem under ut- og returtransitt, ved å ta tilflukt i et område på fartøyet beskyttet av utstyr plassert på utsiden. Materialer med høyt hydrogeninnhold, for eksempel vann, gir utmerket beskyttelse i forhold til dens tetthet. Hvis astronauten bare er beskyttet av en enkelt vegg, er den mottatte dosen i størrelsesorden tre ganger.
Kosmiske strålerDe kosmiske strålene er partikler med høy energi, de farligste er tunge ioner (for eksempel ionisert jern) fra det interstellare og intergalaktiske rommet. Strømmen er kontinuerlig uten betydelig topp. På dette energinivået utgjør ikke konvensjonell rustning noen få centimeter tykk en effektiv barriere, uavhengig av valgt materiale. I følge Robert Zubrin er mengden mottatt av mannskapet under tur / retur-transitt 32 rems . Konsekvensene av bombingen av celler av slike partikler er ikke kjent fordi fenomenet er vanskelig å reprodusere på jorden uten å påvirke sikkerheten til mennesker. De eneste eksisterende eksperimentene er astronautene som dro til månen og som krysset Van Allen-beltene som beskytter den lave banen og jordoverflaten mot kosmiske stråler.
RAD-instrumentet installert om bord på Curiosity- roveren, målt i 2012/2013 den kosmiske strålingen som ble gjennomgått under transitt mellom jorden og Mars og under oppholdet på Mars over en periode på omtrent 300 dager. RAD målte de to kildene til ioniserende stråling : den av solopprinnelse som svinger i henhold til en 11-års syklus med solfakkel som kan være voldsom og den av galaktisk opprinnelse mye mer energisk. Perioden hvor målingene ble tatt tilsvarer toppen av 11-års syklusen av solaktivitet . Imidlertid er toppen av denne syklusen (syklus 24) spesielt svak.
Overflaten på planeten er mye mindre godt beskyttet mot kosmisk stråling enn jordens fordi Mars ikke har et magnetfelt for å avvise ioniserende partikler. I tillegg representerer atmosfæren, mye tynnere, mindre enn 1% av jordens. Strålingen av galaktisk opprinnelse består av partikler (ioner, elektroner) som har en energi mellom 10 megaelektronvolt og mer enn 10 gigaelektronvolter som kan trenge gjennom flere meter i marsjorden mens partiklene av solopprinnelse hvis energi er mindre enn 150 MeV generelt er blokkert av atmosfæren og overflaten. Bortsett fra en voldsom solepisode, mister solstråling det meste av energien når den passerer gjennom Mars-atmosfæren, som representerer en gasskolonne på 20 g / cm 2 . De målinger som utføres indikere på overflaten av Mars en stråledose av galaktisk opprinnelse fra 210 ± 40 mikro gråtoner per dag med variasjoner som følge av årstid og dag / natt syklus. I rommet, under gjennomgangen mellom jorden og Mars, er strålingen mye mer intens (480 ± 8 mikrograder) fordi romskipet verken er beskyttet av jordens jord, som blokkerer mer enn 50% av partiklene eller av atmosfæren. Solstråling målt på overflaten under toppaktivitet utgjør omtrent 50 mikrograder. Ifølge disse dataene ville astronautene til et bemannet oppdrag til Mars som respekterte NASA-referansescenariet (transitt på 180 dager og opphold på 500 dager) motta en ekvivalent dose (vektet i henhold til energien til partiklene) totalt på omtrent 1,01 sievert , hvorav 320 millisieverts under oppholdet på Mars og to ganger 331 millisieverts under ut- og returreiser. Som referanse er den gjennomsnittlige årlige dosen av naturlig stråling mottatt på jordens overflate 2,5 millisievert, den som mottas av en astronaut på den internasjonale romstasjonen under sitt vanlige 6-måneders opphold er 75 millisievert.
Eksponering for vektløshetUnder tur-retur Earth-Mars er tyngdekraften som standard null i fartøyet som bærer mannskapet. Vektløshet over lange perioder forårsaker avkalkninger som gjør beinene sprø og atrofi av muskler, inkludert hjertets. I følge erfaringene fra astronautens lengre opphold i romstasjoner, kommer de seg ikke umiddelbart etter at de har kommet tilbake til jorden. Dette fenomenet kan elimineres ved å skape kunstig tyngdekraft .
For å lage denne består den enkleste løsningen i å ta ombord en liten sentrifuge med kort arm (løsning anbefalt av ESA og CNES) og å forplikte astronautene til en regelmessig operasjon.
En annen løsning er å rotere fartøyet rundt hovedaksen (sideveggene blir deretter gulvet). Ulempen med denne løsningen er at stasjonens lille diameter genererer veldig urovekkende effekter: forskjell i tyngdekraften mellom hodet og føttene (tyngdekraftsgradient), Coriolis-kraft som gjør bevegelse vanskelig. Robert Zubrin, blant annet, foreslår i Mars Direct å trekke en kabel mellom et tomt rakettstadium og habitatet og å sette helheten i langsom rotasjon og gjenskape en kunstig tyngdekraft i romskipet ved hjelp av den genererte sentrifugalkraften.
Opprettelsen av en kunstig tyngdekraft genererer en økt kompleksitet av transportsystemet mellom jorden og Mars så snart man ønsker å skape et ikke-forstyrrende tyngdefelt. Erfaringene akkumulert takket være romstasjonene viser at mannen ser ut til å tåle fraværet av tyngdekraften over lange perioder, selv om dette forårsaker uopprettelig skade. NASA, gitt den relative kortheten til Earth-Mars-transitt, har ikke planlagt å lage et kunstig tyngdekraftsfelt.
Mark Strauss fra National Geographic påpeker at “de spesielle områdene der liv på jorden kan finne sted er også områdene der man sannsynligvis vil finne et innfødt liv i Mars. Dette betyr - med mindre vi er veldig, veldig forsiktige - at vi kan ødelegge sjansene våre for å oppdage utenomjordiske organismer, bare ved å gå på jakt etter dem ” . Selv om det virker usannsynlig på grunn av mange såkalte "biocidale" faktorer som stråling eller terrestriske giftstoffer, kan ikke utviklingen av terrestriske organismer på Mars knyttet til romfartøyer utelukkes med tanke på at organismer på jorden har evnen til å trives ekstremt. miljøer. Regler som tar sikte på å begrense disse risikoene er utstedt av Committee on Space Research (COSPAR); NASA tok den ekstra forholdsregelen "for å ekskludere spesielle regioner fra listen over potensielle landingssteder, inkludert områder av Mars som har is nær overflaten . " Planetary Society ledet av Bill Nye støtter en tilnærming som er begrenset til Mars bane før en grundig søken etter Mars-livet blir startet, for å unngå irreversibel forurensning av planeten og bringe søket etter livet på Mars i fare . Noen kritikere mener at planetbeskyttelse er en sløsing og kostbar innsats som bremser leteforsøk og anser at Mars allerede er forurenset.
Transitt mellom jord og mars bruker mye drivstoff for å akselerere og bremse fartøyene som er nødvendige for ekspedisjonen på den utgående reisen og skyte returfartøyet til jorden. Jakten på en mer effektiv fremdrift kan spare hundrevis av tonn på massen som skal plasseres i bane med lav jord. Blant de planlagte teknologiene gir termisk kjernefysisk fremdrift teoretisk en betydelig gevinst mens den er relativt realistisk. Denne teknologien er den som brukes i NASA-referansescenariet ("DRA 5.0"). Den spesifikke impulsen til denne typen fremdrift (900 s.) Er det dobbelte av de beste kjemiske fremdriftssystemene som brukes i dag (hydrogen / oksygenpar), noe som betyr at hvis den tomme massen er identisk for de to typer fremdrift, må du ta på deg halvparten drivstoffet for å produsere samme skyvekraft. I årene 1960-1970 ble det utført eksperimenter rundt NERVA- motoren , noe som viser gjennomførbarheten, men det er imidlertid store ulemper: motorens masse straffer seg, hydrogentankene, veldig klumpete, kompliserer en mulig aerocapture , strålingsbeskyttelsen må økes og til slutt må atomreaktoren startes i høyere høyde av sikkerhetsmessige årsaker. Andre lovende teknikker er under utredning, for eksempel VASIMR- thrusteren , men implementeringen av dem på store scener kan bare tenkes på veldig lang sikt.
Romskipet som ble brukt til mannskapets transitt mellom jorden og MarsRomskipet som brukes av mannskapet for transitt mellom jorden og Mars (MTH-modul eller Mars Transit Habitat for NASA) må tillate overlevelse av det over en lang periode (opptil 900 dager i tilfelle et problem i luften). ( ankomst til Mars-bane i visse scenarier) i fullstendig autonomi. To arkitekturer kan vurderes:
Det første alternativet, beholdt i Mars Direct og Mars semidirekte scenarier , gjør det mulig å unngå montering av et stort romfartøy i jordbane, ved å favorisere møtet på Mars-overflaten med et sekundært habitat, og muligens et møte i Mars bane med det semi-direkte retur-til-Mars kjøretøyet. Med små fartøy anses implementering av aerocapture som gjennomførbart, noe som gir en betydelig besparelse i drivstoffmasse. Når det gjelder Mars Direct, blir habitatet som brukes til retur returnert av raketten som tar av fra marsjord. Det kan bemerkes at dette alternativet ikke har blitt studert av NASA. I sitt referansescenario tilbyr NASA faktisk et spesialisert habitat som gir Earth-Mars shuttle tur-retur. For et oppdrag som varer 1000 dager med et mannskap på 6, vil hovedtrekkene være som følger:
Ulike veier blir studert for å redusere massen: reduksjon av boarealet fra 25 til 23 m 3 per person, eliminering av romvandringer (risikabelt bortsett fra å ha veldig sofistikerte roboter, hvis teknikk gjenstår å utvikle), outsourcing av fremdriften modul, forbruksvarer til reduksjon ...
I de fleste scenarier lander ikke skipet med mannskap eller last direkte på Mars, men lander først i en lav bane rundt planeten:
For å plassere seg i lav bane, må romfartøyet redusere hastigheten til minimum 2,4 km / s (mer hvis varigheten av transitt er mindre enn 260 dager, noe som pålegger en høyere ankomsthastighet i forstedene til Mars).
Innføringen i Mars-bane kan gjøres i henhold til 3 alternativer: luft fange , Airbrake eller fremdriftsbremse. Dette er en strukturerende parameter for oppdraget, fordi det valgte valget kan føre til en ikke ubetydelig reduksjon i mengden drivmidler som skal bæres, derfor i størrelsen på fartøyene og i kompleksiteten til en mulig montering i bakken.
Beregninger gjort for et romfartøy på 100 tonn som setter inn et skjold med en diameter på 15 meter foran, for å bestemme at inngangen må være i en korridor noen grader bred hvis romfartøyet navigerer med minimum jordoverføringshastighet. Bredden på korridoren faller under 1 ° (som er grensen for nøyaktigheten oppnådd for Mars-sonder som er sendt så langt) hvis skipet når 9 km / s . Problemet blir mer komplisert av variasjonene i tettheten til Mars-atmosfæren: det påvirkes både av årstidene og av støvstormer. Disse kan multiplisere med 10 det aerodynamiske trykket som utøves på fartøyet under passasjer i lav høyde. I dag er fenomenet dårlig modellert og derfor vanskelig å forutse.
Generelt er luftfangst det foretrukne alternativet forutsatt at ankomende skip ikke er for stort, for komplisert i form eller for raskt.
Landing on Mars (Entry, Descent and Landing EDL) er en avgjørende fase. De tekniske løsningene som kan implementeres, har store konsekvenser for evnene og kostnadene ved et marsoppdrag. Uansett scenario, er det nødvendig å lande fartøy med en masse mellom 30 og 100 tonn (20 til 50 ganger den største roboten som hittil har landet på Mars) med, i scenariet til NASA, en nøyaktighet på noen titalls meter (nøyaktighet flere hundre ganger større enn den hittil oppnådde).
Å gå ned til bakken krever å senke skipets horisontale hastighet til 0. Ved ankomst til Mars (da romfartøyet gikk i lav bane), er denne hastigheten omtrent 4,1 km / s ( 1,6 km / s for månen og 8 km / s for jorden). For å avbryte denne hastigheten er det to metoder: bruk dragkreftene som for luftfangst, det vil si friksjonen i atmosfæren. Dette er hva bemannede romskip gjør når de kommer tilbake til jorden ved å avta noe, noe som får bane til å avta for å starte prosessen. Atmosfæren gjør så alt arbeidet, og den eneste vektstraffen er massen på varmeskjoldet som beskytter skipet mot den veldig sterke temperaturstigningen under bremsefasen (massen av dette skjoldet kan likevel være betydelig). Når en planet ikke har noen atmosfære som på månen, kanselleres hastigheten ved å ty til rakettmotorkraft. Men denne løsningen er ekstremt dyr fordi den krever å bruke en stor del av fartøyets masse til brukt drivstoff. Massen som må ofres er proporsjonal med planetens tyngdekraft: plassering av Apollo-modulen på månen ofrer dermed halvparten av vekten til fartøyet til fordel for drivstoff med en hastighet som skal avbrytes 3 ganger lavere enn på Mars.
Den svært lave tettheten av Mars atmosfære (1% av jordens) plasserer den, for nedstigningsscenariet, i en mellomsituasjon mellom jorden og månen. Mars Science Laboratory- roboten , som landet på Mars i 2012, ble tvunget til å bruke motorer for å bremse seg selv fra en høyde på 1500 meter. Problemet blir desto mer akutt ettersom belastningen som skal plasseres er tung, eller Marsfartøyene i NASA-referansescenariet har en masse på mellom 45 og 65 tonn. Det andre problemet som er reist av svakheten ved atmosfærisk luftmotstand på Mars, er at hastigheten bare blir mindre enn Mach 1 når skipet er veldig nær bakken: Skipet og mannskapet har veldig lite tid til å endre landingsstedet hvis banen av fartøyet bringer det over et område strødd med hindringer eller tar det for stor avstand fra målplasseringen. I tillegg forbyr denne begrensningen landing i områder som ligger i for høye høyder (nesten 50% av Mars overflate).
Det forskes på NASA for å forbedre bremseeffektiviteten i en atmosfære med lav tetthet. Ulike teknikker studeres:
I løpet av den siste fasen kan et kranetappe som Mars Science Laboratory- roboten brukes til å oppnå nesten null vertikal hastighet ved landing.
Hvis den dyre metoden for å bruke rakettmotorer for en betydelig del av flyet blir brukt (for å produsere retardasjon mellom 0,9 og 1,4 km / s , ofres 20 til 30% av fartøyets masse til fordel for drivstoff ifølge studien av Braun and Manning), er implementeringen vanskelig fordi hypersonisk hastighet utløser gasser fra motorene forstyrrer den aerodynamiske strømmen.
Stedet er valgt i henhold til sin geologiske interesse, samtidig som det er enkelt å lande.
Levekår på MarsMannskapet må tilpasse seg naturlige forhold som er fiendtlige for mennesker:
Tyngdekraften på Mars er lik 37,5% av jordens, noe som gjør det mulig å løfte relativt store belastninger , men krever å lette eksisterende romdrakter som på Månen var akseptable med en tyngdekraft lik ~ 1/6 e til g .
UtstyrFor oppholdet på Mars bruker mannskapet flere typer utstyr: et habitat de bor i når de ikke utfører romvandringer, roverser som ikke er under trykk, slik at de kan utforske en større region med bedre produktivitet, et kraftverk for å produsere energi og , valgfritt, vitenskapelige instrumenter (meteorologisk stasjon, laboratorium), utstyr for å tillate bruk av in situ ressurser (produksjon av oksygen eller vann fra atmosfæren), en drill for å bringe kjerner fra bakken, fjernstyrte robotrovers ...
Mannskap på 6 landere med en kapasitet på 40 t . |
Mannskap på 4 landere med en kapasitet på 20 t . |
|||
---|---|---|---|---|
Utstyr | Antall | Enhetsmasse | Antall | Enhetsmasse |
Forbruksvarer | - | 7 940 kg | - | 7 940 kg |
Vitenskapelig materiale | - | 1200 kg | - | 1200 kg |
Robotere | 2 | 200 kg | 2 | 200 kg |
Drill maskin | 1 | 250 kg | 1 | 250 kg |
Rover uten trykk | 1 | 200 kg | 1 | 200 kg |
Rover under trykk | 2 | 7.500 kg | 2 | 7.500 kg |
Drivstoffoverføringssystem | - | - | 2 | 400 kg |
Habitat | 1 | 24.560 kg | 1 | 19 870 kg |
Kraftverk | 2 | 7 800 kg | 2 | 7 800 kg |
ISRU | 1 | 1230 kg | 2 | 1230 kg |
Launcher / kapsel tilbake til bane (tom) | 1 | 9 til 12 t . | 1 | 9 til 12 t . |
Ergols | - | 8 til 10 t . | - | 8 til 10 t . |
Habitatet inkluderer en luftsluse for utganger på Mars-jord. I visse scenarier, inkludert NASA, gjør et oppblåsbart anbud (derfor lett å transportere) det mulig å øke tilgjengelig volum. Miljøet må ha nødvendig forsyning, vann og oksygen for et opphold på 500 dager. Det er ikke mulig på dette stadiet å produsere frukt eller grønnsaker på stedet. NASA-rapporten anbefaler at hvert medlem av mannskapet har et personlig rom som foruten sengen har et rom som han kan tilpasse, et skrivebord, en datamaskin samt et oppbevaringsskap for personlige eiendeler. Plassen skal ordnes ikke bare slik at han kan hvile, men også slappe av og utføre personlige aktiviteter. For å tillate hver astronaut å ha et rom med privatliv, samtidig som det begrenser risikoen for en tendens til isolasjon, anbefaler rapporten rom for 2 med en flyttbar skillevegg som gjør at rommet kan kuttes etter behov. 2. Lite er kjent om effekten av Mars ' redusert tyngdekraft (0,38 g ) over lange perioder, og forskning på dette området må videreføres. Det er sikkert at habitatet må forsyne mannskapet med treningsutstyr for å bekjempe effekten av lav tyngdekraft. Tegneleksjoner fra installasjonene i romstasjonen, anbefaler NASA at utstyret inkluderer en leken side for ikke å forårsake utmattelse, og at de installeres i et godt ventilert rom og vekk fra de viktigste trafikkveiene i habitatet.
To marshabitater (kilde NASA)
Elektrisitetsproduksjon av en atomgenerator (kilde NASA)
Eksempel på en trykket rover (kilde NASA V5)
Bruk av motoriserte kjøretøy på Mars-jord er berettiget av flere grunner. Jakten på et gunstig landingssted og derfor flat risikerer å pålegge et installasjonssted langt fra steder av vitenskapelig interesse, men som oftest er preget av lettelser eller skråninger. På den annen side er det sannsynlig at alle stedene innen gangavstand har blitt utforsket under et 18 måneders opphold, selv om antall romvandringer vil forbli begrenset. Til slutt gjør et kjøretøy det mulig å redusere tiden som brukes til å reise til et sted, og dermed forbedre produktiviteten til vitenskapelig arbeid og også redusere forbruksvarer ved å begrense den fysiske innsatsen som astronauter pålegges. Som en del av Apollo-programmet ble det målt at bruken av roveren resulterte i en betydelig gevinst fra en avstand på 100 meter.
Avhengig av scenariet har mannskapet ett eller flere kjøretøy som kan øke utforskningsradiusen. Det kan være uten trykk og lett som månens rover eller under trykk med større autonomi. Mannskapet på det trykksløse kjøretøyet brukte det med romdrakten. Denne typen kjøretøy kan ha tanker som gjør det mulig å fylle på forbruksvarer (energi, vann, oksygen). Kjøretøyet har et navigasjons- og telekommunikasjonssystem; det tillater transport av verktøy og prøver. Boreutstyr kan transporteres i en spesiell tilhenger. Det trykksatte kjøretøyet øker handlingsområdet og ekspedisjonens varighet betydelig. To rovere av samme type anbefales i NASA-scenarier for å la et kjøretøy repareres av tvillingbilen.
Mengden energi som kreves for å betjene en rover er en viktig begrensning for rovers under trykk som vil bli drevet med elektriske motorer som kjører på batterier. Ifølge NASA må en mellomstor rover (7 x 4 m ) som kan frakte to personer for utforsking som varer en uke mens du reiser 100 km i fullstendig autonomi (vekt 7,5 tonn), ha 2, 5 tonn batterier og 400 m 2 solcellepaneler (installert når de står stille) hvis den kjører med en gjennomsnittsfart på 3 km / t . Ved å senke bevegelseshastigheten til 0,5 km / t og ved hjelp av i tillegg radioisotop generatorer, kan overflaten av solcellepaneler senkes til 40 m 2 og massen av batteriene til 300 kg .
EnergiproduksjonEnergiproduksjonssystemet spiller en sentral rolle i Mars-oppdraget. Den brukes til å betjene ISRU-type utstyr som produserer drivstoffet som brukes av raketten, slik at astronauter kan ta av igjen, varme opp og betjene habitatet, laste det forskjellige utstyret (drill, rover). Den nødvendige elektriske kraften er estimert til 92 kW topp for ISRU og rundt 15 kW for daglig bruk når mannskapet er på bakken. Det er tenkt to energikilder: et lite atomkraftverk eller bruk av solcellepaneler.
Flere faktorer har en betydelig innvirkning på den elektriske kraften som leveres av solcellepaneler. Solskinnet på Mars på grunn av avstanden til planeten fra solen er dobbelt så lavt som på jorden. Solstråling blir også kontinuerlig filtrert av støvet i Mars-atmosfæren, som blir tettere under lange stormer. Dette støvet legger seg på solcellepanelene under hele oppholdet på marsjord, noe som reduserer effektiviteten. Endelig har landingsstedets breddegrad en viktig innflytelse på ytelsen til panelene.
Aktiviteter på Mars-jordEtter landing vil mannskapet ikke være tilgjengelig for kritiske oppgaver i flere dager om ikke flere uker hvis de har hatt en lang periode med vektløshet under transporten mellom jorden og Mars.
Tre letestrategierNASA har studert tre strategier for å utforske Mars gjennom et bemannet oppdrag som avviker både etter omfanget av det utforskede området og betydningen av romvandringer utført av mannskapet:
Miljøet som i løpet av landingsfasen brukte sine begrensede interne energireserver av vektårsaker, må raskt kobles til en ekstern energikilde: solcellepaneler (skal distribueres) eller en atomgenerator. Varmespredningssystemet er på plass, så vel som telekommunikasjonsantennene som tillater høyhastighets kommunikasjon med jorden, så vel som modulene, kjøretøyene og satellittene som ligger på Mars. Livsstøttesystemet med lukket sløyfe startes til slutt på nytt eller kontrolleres på annen måte. Så snart det har kapasitet, vil mannskapet måtte gjennomføre romvandringer for å distribuere de første eksperimentene i nærheten av habitatet, sette de transporterte kjøretøyene i stand, fjerne utstyret fra skipets lasterom. Hvis det finnes et oppblåsbart habitat, installeres det og kobles til resten av habitatet.
UtforskningDen første aktiviteten er feltgeologi : øyet og den menneskelige evnen til syntese gjør det mulig å oppdage ledetråder som en robot ikke finner. Mennesket kan raskt velge letemetoden etter det han ser og implementere de riktige verktøyene. En del av utforskningen kan overlates til roboter som vil bli ledet av fjerndrift av astronautene, for eksempel for å utvide det utforskede området utover grensene som er pålagt av sikkerhetsreglene eller for å lage en første plassering. Prøvene som samles inn, kan bli gjenstand for en innledende analyse i et laboratorium på stedet, spesielt for å identifisere bergarten, dens tekstur, dens komponenter og tilstedeværelsen av livstegn ( fossiler , strukturer). Laboratoriet vil gjøre det mulig å studere de flyktige eller forbigående egenskapene til prøvene som ikke kan observeres ved slutten av retur til jorden.
Tilstedeværelsen av menn på stedet gjør det også mulig å utføre geofysiske og meteorologiske målinger : detaljert observasjon av støvstorm, seismiske og radarlyder for å studere underjordiske strukturer, spesielt for å søke etter tilstedeværelse av vann. Menneskets tilstedeværelse gjør at måleinstrumentene kan plasseres og kalibreres med presisjon. Dype underjordiske sonderinger kan utføres for å få tilgang til lag som inneholder steady-state vann, for å søke i sedimentære avsetningskjerne etter nærvær av utenomjordisk liv eller spesielle funksjoner som hydrotermiske avleiringer. Sonderende raketter og ballonger kan lanseres for å studere atmosfæren.
Til slutt kan det utføres eksperimenter for å teste bruken av Mars av mennesker som realisering av plantasjer på Mars-jord. Medisinske studier utføres på astronauter for å analysere menneskets tilpasning til marsmiljøet både når det gjelder helse og evner.
Utforskningen av flere steder i en stor radius rundt habitatet er en forutsetning for ekspedisjonens vitenskapelige suksess. NASA, i sitt referansescenario, forutsetter utforskning utført innen en radius på 100 km : det er planlagt å gjennomføre boring under disse ekspedisjonene til en dybde på 100 meter. Langdistanseekspedisjoner er forberedt på å optimalisere tiden som brukes på stedet: studier av satellittavlesninger, utsendelse av fjernstyrte roboter for å finne den beste tilgangsveien og foreta en innledende vurdering av interessen som presenteres av et nettsted. Tilgjengeligheten av kjøretøy er viktig, i tillegg til et navigasjonssystem som tillater astronauten å finne veien rundt. Romdrakten må gi astronauten tilstrekkelig bevegelsesfrihet til at han kan utføre sine oppgaver uten problemer. Mannskapets handlingsområde bestemmes av kjøretøyene som er utplassert, men også av kapasiteten og tilgjengeligheten til et redningsbil som må kunne gjenopprette en ekspedisjon i vanskeligheter lammet av svikt i utstyret eller en ulykke. Hvis det ikke leveres utrykningskjøretøy, settes reisegrensen av astronauternes evne til å gå tilbake til habitatet til fots. Ekspedisjonene inkluderer alltid minst to astronauter og teammedlemmer er tilgjengelige i habitatet for å sikre en permanent radiovakt og delta i en redningsexpedisjon. Ekspedisjoner bør planlegges i henhold til årstidene. Det anbefales ikke å gå ut om natten eller i støvstorm. Verktøy (spesielt boreverktøy), kjøretøy og romdrakter må kunne repareres på stedet når feilen ikke er for komplisert. For å øke handlingsområdet for ekspedisjonene, kan en utpost installeres i hjertet av et område som skal utforskes, slik at astronauter kan fjerne romdraktene, hvile der og fylle på forbruksartiklene. Denne utposten kan være en trykket rover eller et oppblåsbart habitat.
Laboratoriearbeid Livet i habitatet Vedlikehold og reparasjon av installasjoner ReturforberedelserFor å komme tilbake til jorden, må mannskapet rive seg vekk fra Mars tyngdekraften og deretter injiseres på en sti tilbake til planeten vår. Flere scenarier er mulige. I det såkalte "direkte" scenariet brukes romfartøyet som tar av fra overflaten av Mars også for retur til jorden. Dette krever på den ene siden et fartøy som er utstyrt for å la mannskapet oppholde seg i løpet av de 6 månedene av returen og i stand til å utføre en atmosfærisk gjeninnføring med høy hastighet inn i jordens atmosfære og på den annen side en tilstrekkelig kraftig bærerakett. skipet ved å unnslippe Mars-trekk. Dette scenariet er Mars Direct, men mangelen på realisme (massen til å starte var for viktig) fikk det generelt til å forlate til fordel for Mars Semi-direkte scenario. I denne, som også er den som er anbefalt av NASA, fungerer romfartøyet som ble lansert fra overflaten av Mars bare som en taxi og fortøyd til romfartøyet plassert i bane rundt Mars og ansvarlig for å bringe mannskapet tilbake til jorden. I referansescenariet til NASA er dette et fartøy som har reist utover, mens det i det semi-direkte scenariet er et fartøy som bare er sjøsatt for å sikre at mannskapet kommer tilbake. Møtet mellom de to skipene utgjør en av de mest risikofylte fasene i oppdraget.
I de to scenariene nevnt ovenfor bruker raketten som tar av fra Mars drivmidler som delvis er produsert på stedet takket være det lille kjemiske anlegget som trekker ut oksygen fra Mars-atmosfæren siden romfartøyet landet på Mars, dvs. nesten 4 år. NASA har studert flere arkitekturer:
Bemannede oppdrag til Mars har vært gjenstand for et stort antall studier. Et NASA-dokument fra 2001 oppførte nesten 1000 mer eller mindre detaljerte prosjekter, produsert siden 1950 i den amerikanske romfartsorganisasjonen eller i andre institusjoner.
To bemannede oppdragsscenarier til Mars har hittil vært spesielt detaljerte på teknisk nivå: scenariet til NASA Design-referansemisjonen , der den første versjonen går tilbake til slutten av 1990-tallet, har blitt jevnlig forbedret siden. Den nåværende versjonen (5.0) er den for et tungt oppdrag som krever plassering i en bane med lav jord mellom 850 og 1250 tonn nyttelast takket være lanseringen av ti SLS-raketter. Scenariet til Mars Society- foreningen som bringer sammen entusiaster og opprettet av en romfagperson Robert Zubrin anbefaler "Mars Direct" -scenariet som tar sikte på å redusere kostnadene betydelig ved å begrense antall lanseringer til to eller tre (Mars Semi-Direct). Nødvendig takk spesielt til bruk av multifunksjonsmoduler, til reduksjon av størrelsen på mannskapet og en mer nøyaktig beregning av arrangementene.
Karakteristisk | NASA-scenario | Mars Direct-scenario |
---|---|---|
Mannskap størrelse | 6 | 4 |
Oppdragets varighet | 900 dager inkludert 540 på Mars (konjunkturscenario) | |
Antall lanseringer | Omtrent ti | 2 |
Low Earth Orbit Assembly | Ja | Nei |
Masse i bane med lav jord | ca 1000 tonn | ca 240 tonn |
Messe på marsjord | ca 80 tonn | |
Fartøy brukt til mannskapsoverføring i jordbane | Orion | HAB |
Habitat brukt for Earth-Mars transit | MTV | HAB |
Habitat brukt på marsjord | HAB | HAB |
Rakett brukt til oppstigningen | MIN V | VRE |
Habitat brukt til Mars-Earth-transitt | MTV | VRE |
Fartøyet brukes til mannskapet tilbake til jorden | Orion | VRE |
Type jord-Mars fremdrift | Termisk kjernefysisk (NTR-trinn) | Kjemisk |
Kunstig tyngdekraft under transport | Nei | Ja |
Teknikk som ble brukt i bane rundt Mars | Aerocapture / Propulsion | Aerocapture |
Energiproduksjon på Mars | Kjernereaktor | Kjernereaktor |
Rover | opptil 5 rovers inkludert 2 robot og 2 under trykk | En liten trykket rover |
Teknikk brukt for nedstigningen på bakken til Mars | I studien | Ikke spesifisert |
Bruk av lokale ressurser for drivmidler til raketten som ble lansert fra Mars | Ja | Ja |
I 2015 publiserte NASA en rapport om strategien som er planlagt for å oppnå et bemannet oppdrag på Mars-jord i 2030-årene. Dette dokumentet, ikke veldig presist om de tekniske midlene som er implementert for Mars-oppdragene, beskriver målene som skal fullføres gradvis og de foreløpige oppdrag som inkluderer flyvninger rundt, fangst av en asteroide og landing på Mars-satellitten Phobos . SLS- bæreraketten og det internasjonale romfartøyet Orion , under utvikling i 2015, spiller en sentral rolle.
I 2016 presenterte Elon Musk sitt bemannede oppdrag til Mars-prosjektet på en konferanse i Mexico.
I 2010 ser det ut til at nedleggelsen av budsjettmessige grunner for Constellation-programmet , som hadde som mål å bringe mennesket tilbake til månen, varsler tilbaketrekningen av det amerikanske bemannede romprogrammet til en bane med lav jord. Samme år bestemte NASA seg imidlertid for å fortsette utviklingen av en tung SLS- bærerakett og det Orion interplanetære romfartøyet . Disse romfartøyene skal brukes til å utføre interplanetære oppdrag av økende kompleksitet med det endelige målet om å deponere menn på Mars. Strategien som er definert på denne måten, kalt "Fleksibel sti", er mye mer progressiv enn det som var tenkt i tidligere Mars-prosjekter. Før du plasserer mennesket på Mars, er det planlagt å utføre oppdrag rundt Månen, på nærliggende asteroider og deretter på Marsmånen Phobos for å utvikle materialer og få erfaring. De første SLS- og Orion-oppdragene til cislunar-rommet ble gradvis definert i løpet av de påfølgende årene. Strategien for å utforske Mars-systemet er imidlertid fortsatt vag.
Mellomoppdrag: landing av et mannskap på overflaten av en asteroide og PhobosTo typer oppdrag ment for å forberede seg på Mars-oppdraget er tenkt innenfor rammen av den fleksible banen :
I oktober 2015, NASA publiserer en rapport med tittelen "NASA's Journey to Mars, Pioneering Next Steps in Space Exploration" som definerer hovedmålene og planlagte oppdragskonsepter for å resultere i utsendelse av et mannskap på Mars-jord. Dokumentet legger frem en gradert tilnærming som integrerer oppdragene som allerede er avgjort, og de arkitektoniske valgene som er gjort rundt den tunge SLS- bæreraketten og det interplanetære romfartøyet Orion . Den beskriver ikke metodene som er implementert for å nå og holde seg på overflaten av Mars, og tar ikke opp spørsmålet om finansiering av dette Mars-programmet. Tre faser er identifisert:
For å oppnå Mars-oppdraget identifiserte NASA i sin rapport en rekke beslutninger som skulle tas, inkludert de som allerede er tatt:
Tidsfrist | Beslutning tatt / skal tas |
---|---|
Beslutninger tatt | Forlenge den internasjonale romstasjonens levetid til 2024 |
Utvikle kraftigere versjoner av SLS-bæreraketten: "Exploration Upper Stage" og deretter kraftigere booster thrustere | |
Sett et grunnleggende scenario for et asteroidefangstoppdrag | |
Valg av scenario før lasting for lasteskip og infrastruktur | |
Beslutninger som skal tas i årene som kommer | Utvikle en romdrakt for romvandringer fra Orion-romfartøyet |
Definer kapasiteten til habitatet som brukes i det interplanetære rommet | |
Velg fremdriftssystemet som brukes til å reise i interplanetarisk rom | |
Identifiser Mars-robotoppdrag som skal lanseres etter mars 2020 for å forberede seg på et mannskapsoppdrag på Mars-jord | |
Definer fremtidige oppdrag som kan tenkes i cislunar-rommet | |
Beslutninger som skal tas i løpet av det neste tiåret | Definer oppdragene til fase 3 (Phobos, Mars ...) |
Definere ISRU- teknologiens rolle i logistikken til Mars-oppdrag | |
Designe habitatene som er avsatt på overflaten av Mars | |
Utvikle energiproduksjonssystemet som brukes på overflaten av Mars |
Den SLS tunge launcher spiller en nøkkelrolle i realiseringen av Mars-program. Som en del av en sluttproduktrapportjuli 2015(“Evolvable Mars Campaign: Status Update to SLS Evolvability TIM”), NASA presenterer en tidslinje med suksessive launcher-oppdrag som gir innsikt i hvordan romfartsorganisasjonen planlegger å fortsette for å oppnå et landingsmannskap på Mars-jord. Tre versjoner av SLS-bæreraketten, med økende kraft, må brukes: blokk I (kapasitet: 70 tonn i lav jordbane), blokk IB (105 tonn ) og blokk II (130 tonn ).
Datert | Oppdragskode | Launcher | Nyttelast | Objektiv | Ytterligere beskrivelse av oppdrag |
---|---|---|---|---|---|
2018 | EM-1 | SLS-blokk I | Orion | SLS Orions første testflyging testet utover lav bane |
Oppdrag til cislunar plass uten mannskap |
2020 | ARRM | SLS-blokk I | Orion, SEP-modul og asteroidfangstsystem | Første test av SEP (elektrisk fremdriftsmodul) | Ubemannet asteroidefangst. |
2021 | EM-2 | SLS-blokk IB | Orion | Første SLS-versjon IB- fly Første mannskap Orion-fly |
Cislunar-oppdrag med mannskap |
2022 | EM-3 | SLS-blokk IB | Orion og interplanetarisk habitatmodul | Første test av den interplanetære habitatmodulen | Cislunar-oppdrag med mannskap |
2023 | EM-4 | SLS-blokk IB | Orion og interplanetarisk habitatmodul | Cislunar-oppdrag med mannskap | |
2024 | EM-5 | SLS-blokk IB | Orion og interplanetarisk habitatmodul | Cislunar-oppdrag med mannskap | |
2025 | EM-6 / ARM | SLS-blokk IB | Orion, SEP og asteroide capture system | Crewed asteroid capture | |
2027-2028 | EM-7 og 8 | SLS-blokk II | Orion og interplanetarisk habitatmodul | Cislunar-oppdrag med mannskap | |
2028 | x | SLS-blokk II | Mars-nedstigningsmodul prototype | Validering av ankomstteknikker på Mars-jord | Lander på Mars av en ubemannet tung modul |
2028-2033 | x | SLS-blokk II | Diverse | In situ-studie av Marsmånen Phobos av et mannskap Utvikling av 7 av de 16 hovedkomponentene som kreves for oppdraget til Mars. |
10 SLS-flyvninger (inkludert 2 med mannskap) |
2034-2039 | x | SLS-blokk II | Diverse | Første oppdrag av et mannskap på bakken til Mars | 12 SLS-flyreiser |
2038-2043 | x | SLS-blokk II | Diverse | Andre oppdrag av et mannskap på bakken til Mars | 10 SLS-flyreiser |
Mellom 1988 (NASA- casestudier ) og 2009 forbedret NASA et bemannet oppdragsscenario til Mars basert på den påfølgende lanseringen i en bane på lav jord av forskjellige romfartøy samlet i bane med lav jord og deretter rettet til Mars. Versjon 5 av dette scenariet oppdateres jevnlig, og et tillegg ble produsert i 2014.
V5-referansesaken fra 2009Den siste versjonen ble produsert i Februar 2009(Mars Design Reference Architecture 5.0). Scenariet bruker de to bærerakettene som er under utvikling som en del av Constellation-programmet - Ares I designet for å skyte opp bemannede fartøy og Ares V som er i stand til å sette 188 tonn nyttelast i lav bane - samt det bemannede romfartøyet Orion .
Arkitektoniske valgDe mest strukturerende anbefalingene i studien er som følger:
lanseringsdato |
Nyttelast | Komponenter som brukes til fremdrift |
Total masse i bane med lav jord |
Antall forskjellige SLS-
lanseringer |
---|---|---|---|---|
t-28 måneder |
![]() |
|||
( 3 ) Habitat | ( 1 ) Atomfremdriftstrinn ( 2 ) Fast hydrogentank |
246,2 t . | 2.5 | |
t-28 måneder |
![]() |
|||
( 3 ) Løftetrinn ISRU atomkraftverk |
( 1 ) Atomfremdriftstrinn ( 2 ) Fast hydrogentank |
246,2 t . | 2.5 | |
t |
![]() |
|||
( 4 ) Habitat brukt for Earth-Mars transit ( 5 ) Orion fartøy ( 6 ) Telekommunikasjonssystem, kryokjøler og solcellepaneler ( 7 ) Docking port for fartøyet som tar av fra Mars |
( 1 ) Atomfremdrivningstrinn ( 2 ) Fast hydrogentank ( 3 ) Utløsbar hydrogentank |
356,4 t . | 4 |
De viktigste egenskapene til scenariet er som følger (diagram motsatt):
NASAs referansescenario er basert på en rekke tekniske innovasjoner, hvis utvikling medfører betydelige kostnader, risiko og forsinkelser. En variant som velger mye større gjenbruk av tilgjengelig teknologi foreslås i 2009. De viktigste egenskapene til dette scenariet er som følger:
Som svar på en forespørsel fra USAs president, gjennomførte NASA en studie om de bemannede leteprosjektene til Månen og Mars som skulle overta fra den internasjonale romstasjonen . Den resulterende rapporten, kalt 90-dagers studien , foreslo en langsiktig plan for å fullføre den internasjonale romstasjonen som ble ansett som et viktig skritt og deretter tilbake til Månen for å etablere en permanent base og til slutt sende menn til Mars. Denne rapporten ble mye kritisert som for ambisiøs og for dyr, og alle midler beregnet på menneskelig leting utenfor jordens bane ble kuttet av Kongressen.
NASA Design referanseoppdrag (sent 1990)På slutten av 1990-tallet definerte NASA flere bemannede letescenarier for Mars. En av de mest bemerkelsesverdige og ofte siterte er Design reference mission 3.0 (DRM 3.0). Studien ble utført av Johnson Space Center (JSC) Mars Exploration Team . Personer som representerer forskjellige NASA-forskningssentre har definert et referansescenario for menneskelig utforskning av Mars. Planen beskriver de første oppdragene til Mars ved å utvikle konseptene som brukes og teknologiene som er implementert. Denne studien er basert på tidligere studier hovedsakelig på arbeidet til Synthesis Group (1991) og Zubrin (1991) for bruk av drivstoff produsert fra Mars-atmosfæren. Hovedmålet med denne studien var å stimulere tenking og oppdagelse av alternative tilnærminger som kan forbedre gjennomførbarheten samt redusere risiko og kostnader.
NASA Design referansemisjon 5.0 (2007)NASA har skissert de endelige detaljene i det bemannede oppdragsscenariet til Mars i dette dokumentet . Dette ble oppdatert ijanuar 2009.
Mars Direct-scenariet ble designet for å demonstrere at et bemannet oppdrag til Mars kunne oppnås relativt billig (sammenlignet med scenarier etablert av NASA) ved hjelp av eksisterende teknologi og mye av håndverket.
En gang på Mars tilbringer teamet 18 måneder på overflaten med å gjøre vitenskapelig forskning. På slutten av oppholdet bruker mannskapet ERV for å forlate marsjord og deretter reise Mars-Earth.
Kostnaden for Mars Direct ble estimert til 20 milliarder dollar, inkludert utviklingskostnader, dvs. 30 til 35 milliarder dollar i dag.
Siden begynnelsen av astronautikken har det blitt foreslått et stort antall oppdragsscenarier.
Det tunge bemannede interplanetære romfartøyet (kjent for russerne under akronymet TMK) var et letefartøy, foreslått på 1960-tallet, designet for å fly over Mars og Venus uten landing. Romskipet skulle lanseres i 1971 og utføre et 3-årig oppdrag. Under flyturen over Mars skulle prober slippes. TMK-prosjektet var ment som et svar på amerikanske månefly. Prosjektet ble aldri realisert blant annet fordi det brukte N1- bæreraketten som aldri klarte å fly.
de 14. januar 2004, et prosjekt for å utforske Månen ved bemannte oppdrag, med tittelen Vision for Space Exploration , er publisert på initiativ av USAs president George W. Bush . Dette foreslåtte romprogrammet sørger for etablering av en utpost på månen rundt 2020. Tidligere oppdrag i løpet av tiåret 2010-2020 bør tillate utvikling av nødvendige teknikker. de24. september 2007, Michael Griffin, daværende administrator for NASA , antyder at det som en videreføring av dette prosjektet kan bli lansert et bemannet oppdrag til Mars rundt 2037. NASA planlegger også den gang å starte oppdrag til Mars fra månen. Dette alternativet er imidlertid utelukket fordi det krever installasjon av et reelt industrikompleks på satellitten vår som vil være vanskelig å betjene og vedlikeholde. The Constellation-programmet , som skal gjøre retur av mannen til månen en realitet, ble lansert i 2004. Men prosjektet lider av finansieringsproblemer og manglende ambisiøse mål. I en kontekst av økonomisk krise satte president Obama en stopper for Constellation-programmet, og utsatte ethvert forsøk på et oppdrag til Mars til en veldig fjern dato.
En rekke konsepter og forslag er laget av russiske forskere . Datoene for lanseringen var mellom 2016 og 2020. Mars-skipet skulle bære et mannskap på 4 til 5 kosmonauter som skulle holde seg 2 år i verdensrommet. I 2009 fullførte de russiske og europeiske romfartsorganisasjonene et psykologisk eksperiment som en del av Mars500- programmet bestående av å isolere et mannskap på 6 personer (4 russere, 1 tysk og 1 fransk) i 105 dager for å simulere et marsoppdrag. Ifebruar 2010Den russiske føderale romfartsorganisasjonen (Roskosmos) kunngjør at en bemannet flytur til Mars ikke er en del av Russlands umiddelbare romfartsprogram, men spesifiserer at den planlegger å utvikle atomdrevne thrustere for å nå Mars raskt.
Russisk og europeisk fellesoppdrag Et forslag til et felles russisk og europeisk oppdrag laget i 2002 er basert på utsendelse av to fartøy, det ene med 6 mannskap, og det andre som leverer oppdraget. Oppdraget ville vare i 440 dager og tillate et mannskap på 3 å utforske overflaten av Mars i to måneder. Hele prosjektet ble verdsatt til 20 milliarder dollar, hvorav 30% ble bidratt av Russland.Det er et betydelig antall studier publisert i tidsskrifter og vitenskapelige kongresser. De kan klassifiseres i henhold til den type fremdrift som er foreslått for turen til Mars: kjemisk, solenergi, kjernekraft, kjernekraft.
Mars semi-direkteOpprinnelig foreslått av Zubrin for å avhjelpe kritikk av Mars Direct (spesielt et fartøy når det skal ta av fra Mars), ble dette scenariet i stor grad tatt opp av NASA i sitt første referansemisjon i 1997, så vel som av Jean-Marc Salotti. , i en versjon "revisited" i 2016. Ideen er for den utreisen å sende det bemannede romskipet til å lande direkte på Mars uten avtale i Mars-bane. For retur går et lite dedikert fartøy tilbake i Mars-bane og blir med på et større fartøy som ble brakt dit bare for å gjennomføre returen. Utreisen er direkte og retur indirekte, derav begrepet semi-direkte. I følge Jean-Marc Salotti kan dette helt kjemiske scenariet med 3 astronauter imøtekomme flyfangsten , noe som gjør at den kan implementeres i 4 tunge oppskytninger av en SLS-rakett, i stedet for 9 i NASA-scenariet i 2014.
For at et marsoppdrag skal lykkes, må forskning først utføres på vitenskapelig og teknisk nivå.
Å sende et bemannet romoppdrag til Mars krever at det samles inn en viss mengde data om forholdene som hersker på Mars for at oppdraget skal finne sted under akseptable betingelser for pris, risiko og ytelse. Undersøkelsene bør fokusere på fire typer oppdrag: