Аэрокосмический инженер в Воронеже: «Если все получится, до Марса мы долетим к 2060 году»

В среду, 12 апреля, в России отмечают День космонавтики. Накануне в рамках фестиваля науки «Кстати» состоялось мероприятие, организованное Информационным центром по атомной энергии (ИЦАЭ) Воронежа, на котором выступил молодой аэрокосмический инженер, популяризатор науки, изобретатель и член Русского космического общества Никита Матасов. Он прочитал лекцию «Как работает марсоход?».

Корреспондент РИА «Воронеж» побывал на встрече и записал самые интересные высказывания изобретателя. Как устроена научная лаборатория на колесах, почему на современных марсоходах нет солнечных батарей и когда человечество полетит на Марс – расскажем в нашем материале.

Запас прочности

Марсоход – это сложнейшая машина, которую когда-либо создавал человек. Научная лаборатория на колесах стоит несколько миллиардов долларов. Для того чтобы марсоход мог успешно выполнять поставленные цели, он должен обладать огромным запасом прочности. На Марсе нет сотни слесарей, которые смогут обслуживать машину в случае, если у нее сломается колесо. Поэтому в него сразу вложен такой ресурс, чтобы он мог работать десятилетиями.

Сейчас на планете находятся шесть марсоходов. Четыре из них – «мертвые», два – в рабочем состоянии. Это Perseverance и Curiosity.

Марсоходы каждый день присылают на Землю данные о том, какова погода на Марсе. Если мы отправимся туда в «курортное» время года, то нас с вами будет ждать относительно комфортная температура – минус 18 °C. А ночью будет «небольшое» похолодание – до минус 80 °C. Но это еще «курортный денек». Если мы прилетим на Марс зимой и приедем на марсоходе ближе к полярным шапкам, то днем температура там будет минус 80 °C. В такой некомфортной обстановке технике приходится работать годами.

Три поколения

Марсоходы первого поколения можно было сравнить с детскими электрическими машинками. Это были небольшие шестиколесные аппараты с солнечной батареей. Машины второго поколения были уже больше и продвинутее. Марсоход «Кьюриосити», который сейчас работает на поверхности Марса, относится к третьему поколению. По габаритам его можно сравнить с автомобилем-внедорожником. Масса «Кьюриосити» – 900 кг, а его максимальная скорость – всего 144 м/час.

Шасси и колеса

Первая система, которая необходима марсоходу, чтобы он мог успешно справляться со своей миссией, – шасси и колеса. Колеса должны обладать повышенной проходимостью и быть долговечными. Именно поэтому их делают не из резины, а из металла – специального прочного алюминиево-магниевого сплава, который производится без единой детали.

Все шесть колес машины имеют свой собственный привод и электродвигатель. Даже если один двигатель сломается, остальные пять примут на себя всю нагрузку. Передние и задние колеса могут поворачиваться независимо друг от друга, что делает «Кьюриосити» очень маневренным.

У колес марсохода есть целая рама – это независимое шасси. Оно позволяет машине преодолевать крупные препятствия – в это время марсоход поочередно поднимает три пары своих колес.

Нежная электроника

Марсоход оснащен тремя камерами, которые стоят несколько сотен миллионов долларов, и очень чувствительной электроникой, которую нельзя трясти, перегревать и охлаждать. Поэтому для ее сохранности на научной лаборатории используется независимая конструкция шасси, которая сделана за счет независимых подвижных шарниров. Благодаря этому, даже если с одной стороны марсохода находится овраг, а с другой – какая-то возвышенность, эти колеса независимо друг от друга поменяют ориентацию так, что коробочка с датчиками будет все время находиться перпендикулярно к поверхности планеты.

Как утепляют марсоход?

Марсоходу нужна система терморегулирования. Чтобы увеличить срок годности машин на поверхности Марса, используется специальный материал. Корпус делается из специальных металлов, которые хорошо проводят тепло.

Для термоизоляции также используется специальная прочная фольга, которая делается на основе полимеров. С одной ее стороны напыляют очень тонкий слой алюминия, с другой – золота. Золотая сторона отлично отражает солнечный свет, а алюминиевая – очень хорошо держит тепло изнутри.

Чтобы электроника внутри марсохода на 99% была герметична (абсолютной герметичности нет нигде), используются силиконовые герметики и прокладки. Обычная резина, которая используются на Земле в качестве герметика, на Марсе неэффективна – на сильном морозе она рассыпается в крошку и пыль. Поэтому для изоляции электроники на марсоходе используют резину на основе каучука, которая выдерживает большие минусовые температуры и сохраняет свою эластичность. Применяются и специальные космические герметики.

Источник питания

Марсоходы первого и второго поколений работали на солнечных батареях. Для марсоходов третьего поколения такие батареи не используются вообще. Дело в том, что на Марсе сильные пылевые бури, которые продолжаются полгода. Солнечные батареи очень быстро выходят из строя из-за того, что забиваются слоем пыли и грязи. Им тяжело вырабатывать энергию – как следствие, они очень быстро «умирают».

Это не только источник энергии, но и источник тепла. Несмотря на то, что на Марсе может быть минус 120 °C, внутри «сердца» машины, его бортового компьютера и его электроники тепло.

Поэтому на современных марсоходах используется источник бесперебойного питания – радиоизотопный термоэлектрический генератор. Внутри него находится радиоактивный элемент. Например, кусочек урана-235, который постоянно распадается. Он помещен в так называемую камеру Вильсона, заполненную либо инертным газом, либо жидкостью. Каждую секунду от кусочка урана в разные стороны с большими скоростями разлетаются элементарные частицы.

Термоэлектрический генератор – преобразователь, принцип действия которого основан на эффекте Пельтье: возникновении разности температур при протекании электрического тока. Один кусочек этого элемента очень холодный, второй – горячий, он нагревается за счет радиоактивного элемента. Электроны – заряженные частицы – начинают метаться от одного конца элемента к другому. Так вырабатывается электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц. Благодаря этому марсоход может работать десятилетиями без подзарядки.

Семь минут ужаса

Во время перелета к Марсу «Кьюриосити» находился внутри капсулы, присоединенной к перелетному модулю. Лобовая часть капсулы была закрыта теплозащитным экраном.

Само место посадки марсохода выбирается искусственными спутниками, которые снимают поверхность Марса. По снимкам понятно, кратер перед нами или ровная поверхность.

Вход марсохода в атмосферу Марса ученые называют «семью минутами ужаса». В это время радиосвязь с машиной полностью теряется. Если она сломается или в программном обеспечении произойдет ошибка, мы ничего не сможем с этим сделать – марсоход упадет и разобьется.

При входе в атмосферу Марса капсула с марсоходом отделяется от перелетного модуля и начинает самостоятельное снижение. Выбрать нужную ориентацию капсуле помогают небольшие реактивные двигатели. На высоте около 10 км открывается парашют – ближе к поверхности планеты он затормаживает скорость снижения капсулы. В этот момент марсоход вместе с посадочным модулем отделяется от капсулы.

Посадочный модуль марсохода называется «небесный кран». Это платформа с ракетными двигателями, которые помогают замедлить скорость спуска почти до нуля. Платформа опускает «Кьюриосити» на поверхность Марса на трех нейлоновых тросах. После этого тросы отсоединяются, а «небесный кран» улетает в сторону и совершает жесткую посадку.

Почему марсоходы должны быть стерильны?

Марсоходы должны быть стерильными. Представьте, что к нему случайно прилипла кишечная палочка и полетела на Марс. Если там есть зачатки или остатки жизни и микрофлора с Земли попадет на другую планету, она может просто все уничтожить. Из-за этого все космические аппараты, которые летят на другие планеты, проходят тщательную обработку – на 99,9% они стерильны.

Как управляют марсоходом?

С Земли марсоходом управляет оператор. В лучшем случае радиосигнал со скоростью света с Земли до Марса летит около 11 минут. Приняв сигнал, бортовой компьютер марсохода посылает ответ на Землю. Для этого снова требуется 11 минут. Поэтому оператор только через 22 минуты узнает, что марсоход принял сигнал – словом, он вынужден управлять машиной с задержкой в 22 минуты.

Если бы марсоход ездил со скоростью 36−40 км/час, представляете, что бы с ним случилось буквально за несколько минут? Он мог бы упасть в овраг – и миссии был бы конец. Поэтому марсоход очень медленно двигается. Он продвигается на метр-два вперед, фотографирует все вокруг себя и посылает изображения оператору. Тот смотрит, чтобы рядом с марсоходом не было оврагов и гор, – и посылает сигнал марсоходу двигаться дальше. Поэтому по поверхности Марса «Кьюриосити» двигается очень медленно.

Когда человечество полетит на Марс?

Чтобы человек мог полететь на Марс, нужно создать мощную ракету-носитель. Она должна быть достаточно тяжелой, чтобы могла долететь до Марса и доставить туда несколько людей и первоначальную инфраструктуру. Сейчас занимаются созданием такой ракеты. Как только будет готов этот космический аппарат, полет будет возможен – первоначальная инфраструктура уже есть.

Кислорода на планете почти нет. Уже создали прибор, который из углекислого газа путем химических преобразований делает кислород. Как показала практика, этот прибор реально работает. Поэтому, когда первые люди прилетят на Марс, они смогут установить купол и наполнить его кислородом.

Инфраструктура для освоения Марса будет создаваться в ближайшие 20−30 лет. Думаю, что к 2060 году, если все получится, до Марса мы долетим.

Первый полет на Марс для добровольцев, которые отправятся туда, будет билетом в один конец. Обратного пути пока не предполагается. Но если удастся создать многоразовую ракету-носитель, люди смогут возвращаться обратно на Землю.

Для функционирования лунной базы требуется 12 человек. Экипаж, который отправится на Марс, должен быть в два раза больше.

Марсианскую базу нельзя будет строить прямо на поверхности Марса. Магнитного поля там почти нет, а атмосфера не защищает от опасного излучения Солнца, поэтому на Красной планете – мощная радиация. Поэтому базу, в которой будут жить первые люди, нужно будет закопать либо придумать надувные конструкции из водорода, которые будут поглощать радиацию.