Зачем использовать марсианский орбитальный аппарат для возвращения на Землю для возврата образцов?

План НАСА состоит в том, чтобы использовать две отдельные миссии, чтобы доставить домой образцы бурового керна, которые возьмет марсоход Perseverance. Планируется, что образцы будут подобраны приземляющейся миссией и запущены на орбиту Марса. Там образцы состыкуются с другим космическим кораблем, который доставит их на Землю.

Почему бы вместо этого не состыковать два запуска на околоземной орбите, чтобы на Марс можно было высадить достаточно массы, чтобы забрать образцы и доставить их домой? Например, сначала запустите полностью заправленную верхнюю ступень, которая может доставить эту штуку на Марс, затем запустите транспортное средство для подъема, подъема и возврата, чтобы состыковать их. Если в этом процессе произойдет сбой, можно будет предпринять новую попытку, не потеряв образцы, на сбор которых Perseverance потратит несколько лет.

Стыковка на НОО стала рутиной с сотнями успешных операций и, думаю, только двумя неудачными в истории. Но автономная стыковка на орбите Марса никогда не предпринималась. Зачем пытаться сделать это сложным путем?

Итак, вы высаживаете топливо для возвращения на Марс, а затем запускаете его обратно на марсианскую орбиту, для чего?
При покорении Южного полюса здесь, на Земле, исследователи использовали аналогичный подход: вместо того, чтобы брать с собой все припасы, чтобы добраться до Южного полюса с половиной оставшихся запасов и израсходовать их на обратном пути, они сначала начали экспедицию, которая оставляла «базы», ​​небольшие склады с припасами по пути примерно на полпути к полюсу, затем возвращались - и в следующий раз они использовали половину припасов с баз, затем, миновав последнюю базу, они начинали оставив новые в два раза меньше, поэтому к тому времени, когда они достигли полюса, запасы почти закончились.
На обратном пути они просто истощили базы, путешествуя налегке, имея припасов ровно столько, чтобы добраться до следующей базы.
@ user3528438 Потому что было бы проще и безопаснее не рисковать потерять драгоценную марсианскую грязь. В сбор образцов на поверхности Марса вложено 3 миллиарда долларов, поэтому, возможно, еще четверть миллиарда или около того инвестиций в дополнительные ракеты-носители были бы хорошим управлением рисками.
Другая проблема заключается в том, чтобы ракету можно было использовать в марсианских условиях. В реальности он должен быть в состоянии ждать доставки марсианского грунта месяцами, если не больше, из-за неопределенности точки посадки. К сожалению, не так много подробностей об архитектурном исследовании Mars Sample Return доступно. Но по задумке художника похоже, что взлетная ракета должна быть термокондиционирована.
Как стыковочные запуски на околоземной орбите могут помочь или помешать чему-либо, происходящему на Марсе?
@СФ. Интересует только повторное "На обратном пути..." -> что и убило Скотта и его команду. Депо, к которому они стремились, располагалось недалеко (примерно в 20 милях от памяти). Они знали это, но если бы это было там, где изначально планировалось, они бы (весьма вероятно) жили. Основная причина [tm] заключалась в том (неосознанно для них), что на уровне нагрузки им требовалось 8000 калорий в день, и они не получали столько, поэтому они медленно морили себя голодом до смерти. | Может быть трудно превратить это в хорошую метафору возвращения образца Марса :-);.
@RussellMcMahon Вот почему вы не можете пропустить рандеву. Амундсен выполнил свой маршрут без заминок.
@СФ. Даиш. Если бы Скотт знал то, что знаем мы... || Чрезмерная зависимость Скотта от рабочей силы плюс отсутствие адекватного понимания потребности в калориях по сравнению с подходом Амундсена имели (или даже) фатальное значение. Даже команда поддержки, которая прошла половину пути со Скоттом, а затем была отправлена ​​обратно (как и планировалось), была на волосок от смерти. Удивительная сказка. || Достаточно хорошо известно: один участник, который должен был вернуться с командой поддержки, вместо этого был включен в состав полярной группы, в результате чего он достиг полюса и погиб.

Ответы (2)

Рандеву на околоземной орбите — это метод применения грубой силы. Mars Orbit Rendezvous на самом деле повышает эффективность, потенциально намного.

Возвращение образца на Марс (или, если уж на то пошло, прямая миссия с экипажем на Марс) должно выполнить следующее по порядку:

  1. Запуск с Земли (*)

  2. Выйти на переходную орбиту к Марсу (*)

  3. Приземлиться на Марсе с готовым транспортным средством

  4. Взлететь с Марса и выйти, как минимум, на марсианскую орбиту (*)

  5. Выйти на переходную орбиту к Земле (*)

  6. Либо приземлитесь на Землю, либо вернитесь на околоземную орбиту.

Элементы, отмеченные звездочкой , требуют значительного количества дельта-V — любое транспортное средство, которое их выполняет, с технологиями настоящего или ближайшего будущего, будет в основном топливным и будет иметь массу, как минимум, в несколько раз превышающую их полезную нагрузку. Это тирания ракетного уравнения Циолковского.

Пункты 0 и 3 абсолютно нуждаются в ракете большой тяги, что, к сожалению, сегодня означает химическое топливо, что означает ужасный удельный импульс и огромные ускорители по отношению к полезной нагрузке.

Earth Orbit Rendezvous предоставляет метод сборки очень, очень большого космического корабля на околоземной орбите, когда у вас нет достаточно большой ракеты-носителя, чтобы запустить его целиком. Это подразумевает как минимум два запуска дорогостоящих ракет-носителей большой грузоподъемности, и сегодня у нас есть довольно тяжелые ракеты-носители, а в будущем у нас будут еще более тяжелые ракеты (Starship, SLS).

Небольшая сложность заключается в том, что при отправке беспилотных космических аппаратов к другим планетам мы часто используем ракету-носитель для обеспечения начального импульса на их переходную орбиту (полезная нагрузка намного меньше, чем максимальная полезная нагрузка ракеты-носителя на НОО), вместо того, чтобы заставлять их летать с НОО на места назначения своим ходом. Тем не менее, это в основном просто операционная деталь.

Но давайте посмотрим на этот список маневров. Ракета для пересадки на Землю (№4) — вещь весьма существенная (как минимум, в несколько раз превышающая массу доставляемого на Землю полезного груза), и на задачах 2 и 3 она не нужна.

Если мы выведем на орбиту Марса, а затем сбросим марсоход и состыкуемся с летательным аппаратом, возвращающимся на Землю, то и летательный аппарат, возвращающийся на Землю, и марсианский аппарат могут иметь примерно одинаковый вес: в несколько раз больше полезной нагрузки, направляемой на Землю.

Если мы создадим ступенчатую ракету для запуска на орбиту Марса с возвращаемым на Землю транспортным средством, а затем запустим возвращаемый на Землю корабль, чтобы вернуться на Землю, подъемный корабль на Марс должен быть в несколько квадратных раз больше полезной нагрузки, направляемой на Землю. Это НАМНОГО больше, особенно если «несколько» больше похоже на 10, чем, скажем, на 3.

Вы можете поспорить, что увеличение и утяжеление этой ракеты также значительно усложнит посадку и в первую очередь потребует затрат на доставку всего этого на Марс.

Хороший ответ и хорошо написанный. Подход Mars Orbit Rendezvous перекликается с подходом Lunar Orbit Rendezvous, принятым программой Apollo после признания массовой экономии.
Я хотел бы увидеть немного более точный расчет того, насколько больше дельта-V или массы топлива потребуется для посадки полного возвращаемого с Земли корабля на Марс, а не удержания возвращаемого с Земли корабля на орбите Марса. Неужели ближе к 10, чем в 3 раза больше "в квадрате"? Советская космическая программа могла вернуть образцы прямо с Луны в 1970-х годах. Сила тяжести на поверхности Луны составляет 0,16 от земной, на Марсе — 0,37. Разве для этого недостаточно двух ракет Falcon 9?
@LocalFluff Мне нужно сделать некоторые расчеты. Это приводит к большому количеству предположений, в основном о сухой массе различных объектов. Цифра в квадрате - это масса топлива или полная масса транспортного средства, а не дельта-V. Стоит отметить, что запуск на орбиту, а затем на пересадку потенциально тратит впустую некоторую дельта-V.
@LocalFluff, что именно ты делаешь с этими двумя ракетами Falcon?
@ikrase Что теперь НАСА предлагает делать со своими двумя ракетами Falcon 9, но на орбите Земли, а не на орбите Марса. Советская космическая программа могла вернуть образцы с Луны одним запуском.
@LocalFluff об этом единственном запуске: space.stackexchange.com/q/36677/6944 Он даже не управлялся . Впечатляющий.
О да; защитники окружающей среды не хотят, чтобы мы использовали en.wikipedia.org/wiki/Project_Orion_(nuclear_propulsion) Old Boom Boom, поэтому мы не можем быть энергоэффективными.
@Joshua Джошуа Я сам больше люблю ядерные ракеты с газовым сердечником, проект Орион - это много вещей, но он не энергоэффективен .
@ikrase: у нас это еще не работает. :( Но почти любой ядерный метод превосходит химические ракеты, которые мы используем.
@ Джошуа Орион не энергоэффективен. Это просто приносит с собой столько энергии, что в этом нет необходимости.
@LocalFluff Чего вам не хватает, так это того, что стоимость дополнительной дельты-v экспоненциальна . Вы ищете минимум 3800 м/с, чтобы покинуть Марс, и еще 2500 м/с, чтобы вернуться домой. 10x звучит вполне разумно по цене.

В этом вопросе я предположил, что, на первый взгляд, зондирующая ракета SS520-5 может поднять около 5 кг с поверхности Марса на траекторию столкновения с Землей. Эта ракета (трехступенчатая твердотопливная ракета) при старте весит 2,6 тонны. Давайте сделаем довольно большое предположение, что я не пропустил ни одной проблемы (кто-то уже предложил холод как проблему). Тогда вам также нужно будет приземлить какую-то облегченную версию стартового рельса и связанных с ним систем, которые обычно используются с SS520. На Земле это целый грузовик, но давайте будем очень оптимистичны и скажем, что мы можем уменьшить его до 1,4 тонны, что составляет 4 тонны, которые нам нужны, чтобы приземлиться на поверхность Марса.

Работая в обратном направлении, нам нужно обернуть это теплозащитным экраном и системой посадки. Для Curiosity масса этой системы примерно в 3 раза превышает массу посадочного модуля, так что давайте, опять же, оптимистично — посадка больших объектов на Марс сложна — возьмем такое же соотношение, поэтому нам нужно 16 тонн, выведенных на марсианскую трансферную орбиту. . На самом деле это соответствует возможностям Falcon Heavy, ракеты, которая не была доступна, когда разрабатывались эти миссии, но лишней не так много.

Забегая вперед, наша полезная нагрузка весом 5 кг должна справляться с любыми корректировками траектории на пути к Земле, связью и питанием для полета, входом в атмосферу на космической скорости и какой-то посадкой, а также полезной нагрузкой, и все это в бюджете массы около 1/. 3 из того, что было у кубсатов MarCo.

Таким образом, профиль миссии, который вы разработали, на самом деле не противоречит законам физики и даже не требует рандеву на околоземной орбите, хотя это может купить еще несколько килограммов, но для посадки многотонного корабля потребуются новые и неиспытанные технологии. космический корабль на Марсе, а затем построить 5-килограммовый полезный груз, способный доставить все полезное на Землю в целости и сохранности. Рандеву на марсианской орбите кажется мне гораздо менее рискованным.

Это определенно значительно меньший космический корабль, если вам не нужно приземлять топливо для переброски Марс-Земля с помощью вашего взлетного корабля, хотя я не могу отделаться от мысли, что было бы полезно посадить на марсианскую поверхность что-то значительно большее в качестве практики. бежать за пилотируемым кораблем Mars Ascent.
Зачем использовать марсианский орбитальный аппарат для возвращения на Землю для возврата образцов?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v