Не долетим мы до Марса, говорят - помрём по дороге Опции

[AtomInfo.Ru]

http://atominfo.ru/newse/l0374.htm

[VBVB]

По сути космонавтов необходимо защитить от высокоэнергетичных протонов, ядер гелия, электронов и вторичного потока нейтронов и жесткого рентгена.
Разве это настолько невыполнимая задача?
Уверен, что разработка такой многослойной и полифункциональной защиты на сегодняшний день вполне реальна, только стоит будет денег немалых и времени, плюс добавочный вес в массу корабля, а это конкретные дополнительные затраты на вывод с Земли. Но все таки, к экипажу все таки надо относится как к живым людям, а не смертникам-автоматам для полета в один конец, и на биозащиту марсианской миссии придется тратить средства.
Магнито-плазменный щит, питаемый частично от конвертированного тепла ЯРД, сможет отвести определенную часть опасного излучения от защищаемой части корпуса с биоотсеком. Многослойные композиты на основе органопластиков/арамидопластиков/углепластиков/боропластиков/графитопластиков/свинца/алюминия толщиною метр-полтора вполне способны отсечь большую часть опасных частиц и излучения, прошедших плазменный щит, вдобавок обеспечив надежную баллистическую защиту экипажа, компьютеров и приборов от микрометеоритов.
Работать над этой задачей надо плотно, какого хрена куча народа в университетах профильных и НИИ разных околокосмического профиля сидит и зарплату получает. Очевидно, что не россияне на Марсе первые будут, но все равно над разработками космической биозащиты полезно и нашим поработать, поскольку и на земной орбите опасных частиц и радиации немало и в других приложениях эти разработки пригодились бы (УТС, защита спутников и МКС, ликвидация аварий на АЭС).
Уж для такого великого события, как полет на Марс мировое сообщество могло бы скинутся и мозгами и средствами и ресурсами производственными для разработок адекватной биозащиты.
А если послушать НАСА, то получается, что задумыватся о космических полетах далее орбиты Земли вообще не стоит. Однако те же американцы планируют свое первенство в высадках на астероиды и Марс.

Сообщение отредактировал VBVB - 31.5.2013, 1:19

[Denis_Hliustin]

космонавтов необходимо защитить от высокоэнергетичных протонов, ядер гелия, электронов и вторичного потока нейтронов и жесткого рентгена. Разве это настолько невыполнимая задача?
Уверен, что разработка такой многослойной и полифункциональной защиты на сегодняшний день вполне реальна, только стоит будет денег немалых и времени, плюс добавочный вес в массу корабля, а это конкретные дополнительные затраты на вывод с Земли.

Конструкцию защиты от ионизирующих излучений в космосе легко придумать: в основном будет состоять из запасов H2O.
Станция должна быть оборудована электролизёром для разделения воды на H2 и O2, и устройством их сжижения для хранения кислорода в компактных тонкостенных баках. Вода используется по прямому назначению, кислород - для дыхания астронавтов, водород - для ядерного ракетного двигателя. Запасы воды вокруг жилого модуля в качестве радиационной защиты.

При полётах на низкой орбите где сейчас МКС летает, т.е. ниже радиационных поясов Земли, при аварии всегда можно на Землю вернуться в течение полчаса. Корабль "Союз" при стартовой массе РН на уровне 300 тонн выводит на 200-километровую орбиту 6 тонн и берёт трёх астронавтов.

В дальнем космосе всё должно делаться основательнее, пропорция будет выше чем 2 тонны на человека. Предположим запас воды по 20 тонн, тогда уже 100-местный компактный жилой модуль может быть экранирован достаточно толстым слоем воды. Подобный аппарат, если будет иметь модульную конструкцию, может быть выведен на орбиту 10 - 15 запусками существующих ракет на химическом топливе, таких как "Энергия" или "Сатурн-5".

По мере выработки воды ракетным двигателем, радиационный фон в жилых отсеках будет повышаться, как от космического излучения так и от ядерных реакторов. Однако даже при отсутствии радиационной защиты, уровень облучения находится в границах выживаемости. Действующий сейчас норматив для группы "А" - 5 рентген в год (вернее, 5 Бэр).
В 1960-е, когда новые типы реакторов активно создавались, он формально составлял 15 рентген в год, в военное время для солдат было установлено не более 50 рентген в год. Многие известные физики и радиохимики, дожившие до старости, за профессиональную карьеру получили свыше тысячи рентген: летальная доза 400 р. относится к одноразовому случаю.

Астронавты относятся к группе "А" по ионизирующему излучению, 20 лет по пять рентген в год = 100 рентген, считается допустимым уровнем.
Таким образом, полёт к Марсу и обратно, даже без радиационной защиты находится в пределах выживаемости человека.

Рассмотренный многоместный корабль относится к эпохе регулярных полётов (если таковая когда-то наступит), в первом полёте не обязательно заполнять все места. Просто из этого примера видно, что многоместный корабль с неизбежными запасами водорода для реактора и кислорода для дыхания, запасённых в форме воды, "автоматически" позволяет создать жилую область, объёмом несколько кубометров на человека как в плацкартном вагоне поезда, в ней не будет радиации.

Проявляется эффект масштаба. Тот же, что и в самолётах на 200 мест: по сравнению с одноместным, сопротивление воздуха растёт как квадрат линейного размера, запас топлива - как куб, обеспечивая выигрыш в дальности кратный кубическому корню из числа мест, в данном примере 6 раз.

Сообщение отредактировал Denis_Hliustin - 1.6.2013, 19:06

[Dozik]

Астронавты относятся к группе "А" по ионизирующему излучению, 20 лет по пять рентген в год = 100 рентген, считается допустимым уровнем.
Таким образом, полёт к Марсу и обратно, даже без радиационной защиты находится в пределах выживаемости человека.

Это не совсем так. 100 рентген за 20 лет и за один год - "две большие разницы". Условно, можно сказать, что за пару месяцев организм переваривает 90% дозы от гамма излучения, т.е. восстанавливается. Поэтому, 100 за 20 - это фактически 10 рентген, за короткий период. А защита Куриосити была - кроме дозы от "галактических космических лучей" было еще несколько солнечных вспышек - а они могли бы сильно попортить здоровье без защиты.

Сообщение отредактировал Dozik - 2.6.2013, 11:33

[Denis_Hliustin]

100 рентген за 20 лет и за один год - "две большие разницы". Условно, можно сказать, что за пару месяцев организм переваривает 90% дозы от гамма излучения, т.е. восстанавливается. Поэтому, 100 за 20 - это фактически 10 рентген, за короткий период. А защита Куриосити была - кроме дозы от "галактических космических лучей" было еще несколько солнечных вспышек - а они могли бы сильно попортить здоровье без защиты.

Разница конечно есть, однако доза облучения именно в пределах выживаемости.
Основных компонент облучения три: Галактические лучи, солнечные вспышки и излучение реакторов.
В отличие от галактических протонов высокой энергии, создающих каскады, средняя энергия солнечных протонов меньше 100 Мэв, от них эффективнен относительно тонкий поглотитель. Для реакторов в космосе ~R**-2 и теневой поглотитель.

На первое время, когда корабли небольшие и радиационная защита гораздо тоньше земной атмосферы (1 kg/cm**2 азота и кислорода, по массе эквивалентный 10 метрам воды) наиболее эффективным средством может оказаться сокращение времени полёта. Если с минимальной достаточной скоростью 11.35 km/sec стартовать к Марсу, время в полёте 8.5 месяцев. При увеличении на пару км/сек стартовой скорости (увеличивающей и торможение около пункта назначения), время в полёте уменьшается в два раза. Время экспедиции от старта до возврата на Землю может быть уменьшено до 1 года.

При ядерных ракетных двигателях это реалистично. Есть интересное совпадение: кинетическая энергия космического корабля, массой на уровне МКС (450 тонн, объем герметичных отсеков 1100 куб.м) для полёта на Марс и обратно, порядка килограмма делящегося материала. В несколько раз больше энергии содержится в отбрасываемом водороде. Полагая выгорание реактора ЯРД на уровне 10% тяжёлых атомов, критмасса плутония и даже урана-235 не ограничивает полёты в космосе. Даже если реакторы не на промежуточном спектре нейтронов, а на быстрых (17 кг критмасса плутония в дельта-фазе кристаллической решётки и 52 кг для U235 при 90-процентном обогащении).

Марсианский корабль видимо потребует пять ЯРД: один на разгон с земной орбиты, второй на торможение у Марса, третий на разгон с марсианской орбиты, четвёртый на торможение у Земли, пятый в резерве. Итого несколько десятков кг плутония нужны, из них несколько кг делится в осколки деления, чтобы слетала туда-обратно станция на несколько пассажиров, масштабов действующей МКС.

Получается любопытная пропорция. Предположим, у нас в стране вся энергетика переведна на быстрые реакторы имеющие КВ=1,3. Энергообеспеченность 1600 Вт(эл) на жителя, при населении 130 миллионов имеем нынешние 200 ГВт(эл) при 500 ГВт(тепл). Соответствуют ежегодной наработке 200 тонн осколков деления и 60 тонн дополнительного плутония. Пусть половина его используется в корабельных реакторах, тогда на космические полёты 30 тонн в год, из них половина на Марс. В лучшем случае один-два ежедневных запуска лёгких аппаратов масштаба МКС на несколько пассажиров. При самых оптимистичных предположениях связанных с рециркуляцией ОЯТ ЯРД, после полёта имеющих 10-процентное выгорание, получается возможность работы на Марсе нескольких тысяч астронавтов, если они снабжаются с Земли.

Интересно отметить, что отбрасывать осколки деления ядерным ракетным двигателем (0.85 Mev на нуклон соответствует порядка 10 тысячам километров в секунду) при полётах внутри солнечной системы невыгодно: в этом случае, чтобы разогнать до 20 км/сек тысячу тонн, нужны 2 тонны делящегося материала (у нас их всего 30 в год). Оптимальным будет сделать ЯРД со скоростью истечения рабочего вещества порядка двух-трёх характеристических скоростей полёта, в случае Марса 40 - 60 км/сек. Нагревание водорода в реакторе, чтобы вольфрам не плавился, обеспечивает только 9. Если выбрасывается не молекулярный, а диссоциированный на атомы водород, появляется ещё корень из двойки засчёт меньшей атомарной массы.

Пока не ясно, позволят ли ЯРД взлетать с Марса без ракет на химических топливах, т.е. должен ли основной корабль совершать посадку на Марс или оставаться на его орбите.
Вероятно, первое время ЯРД не будут обеспечивать ускорение 0.38g необходимое для взлёта с Марса: наиболее реалистичен вариант ЯРД мощностью на уровне 1 ГВт с компактной активной зоной обеспечивающей ограниченный теплосъём, каждый разгон будет занимать порядка суток, расход водорода порядка 3 кг/сек, тяга двигателя порядка 6 тонн.

В отношении фантастических вариантов увеличения скорости отбрасывания массы, сразу хочется отметить (для электроракетных, фотонных и т.п. двигателей), время набора конечной скорости при полёте к Марсу (и при торможении около него) не должно превышать месяца, сразу отпадает любая экзотика кроме нагрева водорода в реакторе, дающем приемлемое ускорение порядка нескольких процентов земного тяготения.

Всё это реалистично на современном уровне знаний, однако стоимость приемлема только в рамках международного проекта.
Есть хороший пример аналогичного проекта, не только создать (он уже был создан), даже эксплуатировать который оказалось экономически неподъёмным для современной России:
http://www.buran.ru/htm/table48.htm
Сайт о проекте "Энергия-Буран", там выложены характеристики и чертежи системы.



Сообщение отредактировал Denis_Hliustin - 2.6.2013, 15:58