«Ареоплан» – марсианское исследовательское транспортное средство.

Введение
Идея пилотируемого исследования планеты Марс набирает обороты с каждым днём. В данной статье мы также решили коснуться важного вопроса в изучении красной планеты – транспортировки грузов и людей по марсианской поверхности.
Хотя идея автора напоминает недавний проект НАСА Марсианская Миссия «АРЕС», наша идея универсального автономного марсианской самолета полностью отличается по своим принципам реализации.
Мы утверждаем, что ключевые технологии, необходимые для создания такого транспортного средства уже существует. Это означает, что можно с нетерпением ждать новых интересных глав в истории космических поселений, которое пишется на четвертой планете Солнечной системы прямо сейчас.
Авторская версия на английском доступна по адресу: http://www.newspaces.org/areoplane


Выбор транспортного средства
С самого начала космической эры в 1960-х годах, теме исследования и колонизации Марса было уделено много внимания. И в реальных исследованиях, и в литературных произведениях фантастов основным средством передвижения по другим планетам остаются марсоходы, обычно колёсные транспортные средства, имеющие постоянную опору на грунт. Этот вариант передвижения имеет существенные недостатки: ограниченный радиус действия, медлительность, сильная зависимость от рельефа местности. Однако общая площадь поверхности Марса приблизительно равна общей площади всей суши на Земле, что весьма много. Расстояния, которые предстоит преодолевать исследователям для полноценного и быстрого исследования этой планеты, для человека просто колоссальны!
Подходящий транспорт мы найдем на Земле, учитывая тот факт, что на Марсе тоже есть своя атмосфера, пусть и очень разреженная. Авиация имеет два неоспоримых преимущества: варьируемая скорость движения от зависания на месте до очень высокой скорости в полёте, что позволяет преодолевать значительные расстояния в короткие промежутки времени; слабая зависимость от рельефа местности, над которой перемещается летательный аппарат.
Тем не менее, мы считаем, что некоторые типы самолетов будет возможно эффективно применять на Марсе, а именно, экранопланы. Подъёмная сила у таких аппаратов возникает не только за счёт разности давлений газовой среды над верхней и нижней поверхностями крыла, но и за счёт экранного эффекта. Экранный эффект или эффект влияния земли — эффект резкого увеличения подъемной силы крыла и других аэродинамических характеристик летательного аппарата при полёте вблизи экранирующей поверхности. Эффект экрана связан с тем, что возмущения (рост давления) от крыла достигают земли (воды), отражаются и успевают дойти обратно до крыла.
Применение экранопланов видится эффективным по следующим причинам:
• не требует взлетной полосы при движении на воздушной подушке, при использовании обдува крыла и или вертикально расположенных подъемных двигателях;
• высокая экономичность очень высокая грузоподъёмность во время движения, так как подъемная сила крыла складывается с силой, образующейся от экранного эффекта;
• тип поверхности, создающей эффект экрана может быть любым, помехой являются только очень крупные препятствия;
• экранопланы относительно безопасны: неисправность двигателя не столь опасна для экранопланов ввиду того, что они имеют несколько двигателей, разделённых на стартовую и маршевую группу, и неисправность двигателя одной из групп может быть компенсирована запуском одного из двигателей другой группы;
• Скорость варьируется от зависания на одном месте (смотрите выше старт без взлетной полосы) до высоких скоростей.
Несколько десятилетий назад в СССР планировались транспортные и пассажирские экранопланы просто гигантских размеров, грузоподъёмностью до 4000 т.

Иллюстрация статьи про экранопланы журнала ТМ ("Техника Молодёжи") в советское время

Реально испытывались машины чуть меньшего размера, но все равно, по грузоподъемности превосходящие любой из созданных летательных аппаратов. Например, турбореактивный КМ прозванный «Каспийский Монстр» (грузоподъемность около 500 тонн), турбовинтовой «Орлёнок» и другие.

«КМ»– Корабль Макет, он же «Каспийский Монстр»
«Орлёнок» парит над землёй

Марсианский экраноплан может также нести достаточно большой груз на борту, в том числе: научное оборудование; силовые, энергетические агрегаты; роверы и другие вещи, необходимые для дальних исследовательских миссий на Марсе. Такое транспортное средство как марсианский летательный аппарат мы предлагаем называть "Ареоплан" (Арес – греч. Марс, план – англ. самолёт).

Для использования экранопланов на Марсе имеются несколько принципиальных трудностей, которые, однако, уже могут быть преодолены с помощью существующих технологий.

Тепловая защита
Низкая плотность атмосферы Марса обуславливает и очень низкую скорость звука. По имеющимся у автора данным около 100 м/с в высокогорном вулканическом плато региона Тарсис и до 230 м/с в области Равнины Эллада и области Долин Маринера).
В режиме сверхзвукового движения воздух впереди летательного аппарата сильно сжимается. Процесс сжатия сопровождается повышением температуры, что приводит к нагреву рассекаемых воздушных потоков, что в свою очередь сильно нагревает летательный аппарат.
В принципе, создаваемые сейчас технологии гиперзвуковых самолётов способны решить эту задачу. Стоит заметить, что во многом проблема теплозащиты летательных аппаратов была решена на космических челноках Спейс Шатл и Буран посредством жаропрочного металло-керамического покрытия (композит углерод-углерод с покрытием из карбида кремния и металла, например, ниобия или бора). Хотя космические челноки были сконструированы для кратковременных тепловых нагрузок, можно под теплозащитным покрытием расположить материалы- теплосъёмники, охлаждающиеся через подведённую сеть тоненьких труб с хладагентом, охлаждаемый в свою очередь через специальную холодильную установку на борту марсолёта.
Возможно, что хотя и создавались в США и СССР космические шатлы для военных целей, равно как и вся ракетная техника, но разработчики и конструкторы в глубине души лелеяли мечты о Марсе и Венере.

Движитель
Одним из важнейших аспектов для марсианских транспортных средств является принцип приведения аппарата в движение. Выбор не из легких. Ракетные двигатели требуют большого количества топлива и еще более крупные запасы окислителя. В условиях земной атмосферы окислитель (кислород) поступает в двигатель из окружающей среды. Марсианская атмосфера почти не содержит свободного кислорода, что делает перемещение с помощью реактивных двигателей малоэффективным.
Другим источником тяги, используемой многими самолетами на Земле, являются винтовые движители. Мы считаем такой принцип движения наиболее эффективным для долгосрочного использования на Марсе. Винты могут получать энергию от электродвигателей, подключенных к центральной силовой установке.
Большую сложность при использовании пропеллеров представляет околозвуковое и сверхзвуковое движение, из-за угрозы разрушения агрегата вследствие волнового кризиса при достижении конструкций ротора околозвуковых скоростей и перегрева деталей на сверхзвуковых скоростях.
Систему охлаждения пропеллеров в принципе можно решить таким же образом, как и охлаждение корпуса, за тем исключением, что нельзя использовать теплозащитный слой в виде отдельно наклеенных метало-керамических плиток. Это обусловлено запредельными динамическими нагрузками при вращении ротора. Поэтому сами пропеллеры должны быть выполнены цельно вместе с термозащитным слоем.
Проблема динамических нагрузок на пропеллер при околозвуковом и сверхзвуковом движении уже решена в прошлом веке. Для этого применяются винтовентиляторы. Винтовентилятор - это высоконагруженный высокооборотный сверхзвуковой воздушный винт с широкими саблевидными лопастями. Главное достоинство такого винта - высокие к.п.д. на высоких околозвуковых и сверхзвуковых скоростях полета, сравнимые с к.п.д. обычных воздушных винтов на средних скоростях полета.

Винтовентилятор самолёта Airbus A-400M

К недостаткам относится сложность моделирования при проектировании и чрезмерная шумность. Последнее обстоятельство едва ли будет беспокоить исследователей Марса.
Для увеличения тяги можно применить соосную схему с винтами, вращающимися в противоположные стороны, а так же применение вентиляторных двигателей дополнительно.
Главная проблема подобного рода движителей в условиях сильно разреженной атмосферы состоит в том, что размеры ротора должны быть поистине циклопическими, чтобы дать необходимую тягу. Это связано с тем, что тяга винта прямо пропорциональна коэффициенту тяги, плотности воздуха, квадрату числа оборотов (в секунду) и диаметру винта в четвертой степени. Т. е. наибольший прирост тяги достигается через увеличение диаметра винта. Отчасти размеры можно компенсировать увеличением числа оборотов. Для обеспечения требуемой тяги размах лопастей винта должн быть гораздо больше, чем у современного Airbus A-400M,(диаметр винта около 6 м) доходя до 15 м в диаметре. Создание движителя, удовлетворяющего основным запросам для использования в атмосфере Марса, представляется возможным при существующих технологиях.
Кроме того для облегчения взлета и посадки марсолёта, улучшения его летных характеристик могут быть использованы роторы с изменяющимся углом наклона оси вращения, как, например, конвертоплан из США Bell
Boeing V-22 Osprey "" (Белл-Боинг В-22 «Скопа»).

Два огромных ротора «Скопы» готовы к взлету
Горизонтальный полёт «Скопы»

Источник энергии
Учитывая требования высокой скорости вращения роторов, их большого размера и количества агрегатов в целом, ареоплан должен потреблять очень большое количество энергии. В этой связи использование ядерной энергетики на марсианских экранопланах представляется оправданным.
Принципиальный ответ на вопрос о компактной и мощной энергетической установке, можно найти в истории. В СССР и США в 50-е годы ХХ века проводились испытания атомолетов. Т. е. самолетов, приводимых в движение с помощью бортовой атомной силовой установки. Испытания были прекращены в основном по двум причинам: не было создано достаточно лёгкой радиационной защиты для экипажа, никому не хотелось иметь летающий ядерный реактор над головой, который может в любой момент упасть. Испытания в СССР проводились на бомбардировщике Ту-95ЛАЛ, который, кстати, был оснащён и сверхзвуковыми винтами.

Доставка на Марс
Перейдем к вопросам, связанным с доставкой большого исследовательского ареоплана на Марс.

Вход в атмосферу Марса
Наименьшие сложности представляет транспортировка аппарата на Марс на этапе входа в марсианскую атмосферу и торможения в ней, ведь корабль достаточно защищен от теплового воздействия. Это будет происходить так же, как до сих пор это делали шатлы в земной атмосфере. Кроме того, вторая космическая скорость , с которой самолет будет приближается к Марсу по Гомановской эллиптической орбите составляет около 5 км/с. Это больее чем в два раза ниже второй космической скорости на Земле (около 11 км/с), а также ниже, чем первая космическая скорость Земли (около. 8 км/с). Следовательно, требования к тепловой защите марсолёта будут мягче, чем таковые у Спейс Шатлов и Бурана.
Предположительно, съемный защитный кожух должен быть использован только для определенных наиболее страдающих от динамического нагрева частей конструкции, таких как: нос, нижней поверхности аппарата и больших винтов. Эта дополнительная защита необходима для нескольких минут при начале аэродинамического торможения при входе в атмосферу Марса. В дальнейшем кожухи-щиты отстреливаются, и ареоплану будет достаточно собственной тепловой защиты.

Подъём в космос с Земли
Одной из главных проблем такого проекта является отсутствие в настоящее время тяжелых ракет-носителей для поднятия гигантской конструкции марсолёта в космос с поверхности Земли.
Конечно, если сделать, где это возможно, ареоплан по модульному принципу, то завершить сборку конструкции и доукомплектовать космический корабль необходимыми грузами можно на земной орбите. Например, планер и тяжёлую энергетическую установку можно поднять в космос раздельно.
Кроме того, кабина марсолёта может разместить космонавтов во время процесса сборки, доукомплектации и проверки всех систем, служа своего рода временной орбитальной станцией.
Количество модулей и масса самого тяжелого из них определяют требования к средствам подъёма в космос.
Многочисленные проекты тяжелых ракет-носителей были рассмотрены и разработаны в США, такие как: семейство ракет класса «Нова», «Сатурн» в 1960-х годах, «Магна» была разработана в 1990-х. В настоящее время частная компания SpaceX сотрудничает с НАСА, чтобы создать новую тяжелую ракету-носитель в проекте «Фалькон 9 Хеви». А к 2017 году НАСА обещает создать ещё «Спейс Лоунч Систем» (SLS).
Название «Нова» было использовано более чем в тридцати проектах больших ракет. «Нова» конструкции Мартин Мариетта должна была использовать четырнадцать двигателей Ф-1 на первой ступени и выводить на НОО (Низкую околоземную орбиту Земли, она называется так же низкая опорная орбита) около 300 тонн, что в два с половиной раза больше, чем Saturn V. Реально построены были только лишь «Сатурны», с «лунной» ракетой «Сатурн V», грузоподъёмностью до 141 тонны на НОО. «Спейс Лоунч Систем» (SLS), разрабатываемая НАСА будет способна поднимать на НОО около 130 тонн.

Сравнение «Сатурн I», «Сатурн V» и «Нова»
Старт «Спейс Лоунч Систем» (SLS) в представлении художника

В СССР с 1950-х по конец 1980-х были предприняты также огромные усилия по созданию сверхмощных ракет с соответствующей полезной нагрузкой, выводимой на НОО: Н1Ф (до 100 тонн), УР-700 (150 тонн. – 230 тонн.), «Эне́ргия» (105 тонн), «Вулкан» (200 тонн).
Необходимо заметить, что до полётных испытаний дошли только Н1 и Энергия. Удачной оказалась только лишь «Энергия». Справедливости ради сообщим, что Вулкан – это модификация Энергии, где центральный блок ракетоносителя форсировался, а количество боковых блоков-бустеров (ракет-носителей «Зенит») увеличивалось с 4 до 8. Ракетный комплекс был спроектирован таким образом, чтобы создавать необходимые ракеты-носители путем добавления или уменьшения количества центральных ступеней и, главным образом, изменением количества боковых блоков, т. е. ракет-бустеров.

Старт ракеты-носителя «Энергия» с космическим кораблём «Буран»
Старт ракеты-носителя «Вулкан» в представлении художника

Проект был прекращен из-за развала СССР и нехватки финансирования. Можно сказать, что «Вулкан» был остановлен в нескольких шагах перед входом в летную испытательную фазу. РКК «Энергия», разработчик одноимённого РН и «Вулкана» в 2008 году заявила, что готова возродить „Энергию» и создать РН «Вулкан» через 6 лет, при условии достаточного финансирования программы. Хотя российское правительство сделало ставку на новые РН с меньшей грузоподъёмностью, но возрождение «Вулкана» в перспективе возможно.

Отлёт к Марсу
После окончательной сборки и комплектации ареоплана необходимым оборудованием и грузом, например, научно-исследовательской аппаратурой и роботами-марсоходами (роверами), будет пристыкован разгонный блок с баками и топливом (как вариант топливо заправляется на орбите отдельно).
После тщательной стадии тестирования систем аппарата экипаж законсервирует системы жизнеобеспечения и покинет марсолёт.
Стартует космический корабль в полностью автоматическом режиме. Для вывода аппарата на траекторию полёта к Марсу могут быть использованы химические или ионные двигатели. При использовании ионных двигателей разгон конструкции будет осуществляться очень медленно, зато этот способ уменьшит массу доставляемого с Земли топлива и сэкономит материальные и финансовые средства.
Приемлемой траекторией полёта является наиболее энергоэффективная известеная науке как Гомановская траектория (орбита Гомана — Ветчинкина — Цандера).
По прибытии на Марс, после торможения и приведение в рабочее состояние всех агрегатов, необходимых для передвижения на марсе, автоматика экраноплана снова тестирует все приборы и начинает исследование планеты в автоматическом режиме, дожидаясь прилета людей, которые смогут использовать аппарат и в пилотируемом режиме. Уже в автоматическом режиме марсолёт может выгружать и загружать исследовательское оборудование, марсоходы, собранный научный материал практически в любой точке планеты, интересующей учёных.

Решаемые задачи и достоинства ареоплана
Мы наметили идеи, лежащие в основе возможного устройства ареоплана, марсианского транспортного средства, использующего экранный эффект. Это универсальный долгоживущий с почти неограниченной практической дальностью автономный экраноплан, способный перемещать значительные грузы в условиях Марса. По нашим оценкам, скорость ареоплана может достигать 500 км/ч при почти 240 тонн общей массы. Это возможно из-за низкой гравитации: на Марсе ускорение свободного падения составляет лишь 3,7 м/с2, в отличие от 9,8 м/с2 на Земле. Это делает эффективный вес нагруженного ареоплана на Марсе, эквивалентным всего 90 тонн на Земле.
Для каких целей исследователям Марса нужен марсолёт? Как уже было упомянуто такой аппарат может почти беспрепятственно перемещаться по красной планете.
Он сделает возможным исследование Марса с помощью всего нескольких роверов, которые могут быть перемещены на ареоплане из одного места в другое, в зависимости от потребности в научных исследованиях. Ареоплан можно отправить на Марс задолго до пилотируемого полета. В автоматическом режиме будут произведены исследования местности на предмет оптимального размещения марсианской колонии. Даже ареологические (исследования грунта на наличие необходимых ресурсов) можно будет проводить с помощью одного – двух тяжелых роверов-автоматов, которые будет десантировать марсолёт, а после завершения исследований данной области он же быстро переместит исследовательские станции в любую другую точку планеты. Марсоходы-роверы могут изучать лишь небольшие участки планеты. Для полноценного исследования планеты только с посредством роверов необходима организация настолько большого количества миссий, что расходы на исследование с помощью ареоплана должны быть значительно меньше.
Кроме разведки, такой аппарат можно использовать для строительных работ, спасательных операций и многого другого, а электростанция на борту будет полезным источником энергии для любых мероприятий, необходимых колонистам в будущем.

Мы считаем, что ареоплан может обозначить новую веху в скорейшем освоении человеком красной планеты!

Авторская версия на английском доступна по адресу: http://www.newspaces.org/areoplane