Экспедиция на Марс - Конференции &quot

Государственное образовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа № 591 города Москвы
И на Марсе будут яблони цвести
Исаченков Илья
9 «а» класса
Руководитель проекта:
Учитель физики
Шило Людмила Леонидовна
Москва 2011
2
Оглавление
1.Краткий экскурс в историю вопроса…………………………………..…3 стр.
2.Планета Марс………………………………………………………………..4 стр.
3.Есть ли жизнь на Марсе……………………………………………………7 стр.
4.Экспедиция на Марс………………………………………………………10 стр.
5.Как можно полететь на Марс………………………………………….…12 стр.
6.Когда полететь на Марс…………………………………………………..14 стр.
7.Посадка на Марс………………………………………………………...…16 стр.
8.Как можно передвигаться в космическом пространстве………….…18 стр.
9.Эксперимент «Марс-500» в Москве…………………………………..…19 стр.
10.Заключение……………………………………………………………..…20 стр.
11.Используемая литература…...…………………………………………..22 стр.
3
Краткий экскурс в историю вопроса
Марс – первая после Земли планета Солнечной системы, к которой
человек
проявил особый интерес. В начале нынешнего столетия многие
астрономы необоснованно верили в существование развитой цивилизации на
Марсе. Сейчас этот миф полностью развеян. Марсиан нет, и, по-видимому, если
там и возможна какая-то форма жизни, то лишь в виде очень примитивной
живой материи. Более вероятно, что планета вообще безжизненна. Несмотря на
это, Марс больше других планет похож на Землю и он определенно должен
быть первой после Луны целью для посылки космической экспедиции.
Само положение Марса в солнечной системе открывает перспективы для
дальнейшего
исследования
космоса.
Расположенный
между
Землей
и
астероидным поясом, он мог быть отличной отправной площадкой для
дальнейших экспедиций. Так как сила тяжести на Марсе в 2,7 раза меньше, чем
на Земле, то запустить космический корабль с Марса проще, чем с Земли.
Привлекателен Марс и с геологической точки зрения – он может
расширить наши представление о развитии подобных планет, так как Марс
намного старше Земли. На Марсе есть полезные ископаемые, которые здесь
добыть проще и которых мало на Земле.
Наконец, Марс мог бы стать в перспективе резервной базой человечества
на случай глобальной катастрофы, например, столкновения с астероидом.
Некоторые исследователи полагают, что подобные столкновения неизбежны,
уже происходили на Земле и способны стереть существования цивилизации.
Представители Роскосмоса считают, что пилотируемый полет на Марс
технически возможен уже сейчас.
Цель моей работы изучить историю «пути» человека к Марсу, некоторые
аспекты будущего полета экспедиции на Марс, смоделировать сам перелет на
планету и сделать выводы о возможности такой экспедиции.
4
Планета Марс
Планету Марс1 (рис. 1) в древности назвали в честь бога войны за свой
кроваво-красный цвет, который сразу же бросается в глаза и еще более заметен
при наблюдениях в телескоп.
Рис.1
Марс – первая после Земли планета Солнечной системы, к которой
человек проявил особый интерес с надеждой, что там есть развитая внеземная
жизнь. Вряд ли какая-нибудь планета вызвала у людей столько споров и
дискуссий, как Марс. Спорили не только учёные, но и люди самых различных
профессий, занятий и возрастов.
Марс обращается вокруг Солнца по орбите радиусом 1,524 а. е. за
687 земных суток. Эксцентриситет 0,093 сравнительно высок, поэтому орбита
1
Изображение Марса, составленное компьютером из сотни фотографий с «Викинга». Овальные пятна слева –
гигантские вулканы. CD диск «Открытая Астрономия», 2.6., Физикон.
5
Марса вытянута. Расстояние до Солнца меняется в течение года на 21 миллион
километров, а энергия, которую получает Марс, изменяется в 1,45 раза.
Наклонение орбиты к эклиптике – 1°51´, а средняя скорость движения
составляет 24,1 км/с. Расстояния от Земли меняется от 56 до 400 миллионов км.
Расстояния между Землей и Марсом в моменты противостояний изменяются от
55 до 102 миллионов км, при этом все противостояния, когда расстояние между
двумя
планетами
меньше
60 млн.
км,
называются
великими
противостояниями, они повторяются каждые 15–17 лет. Последнее из них
было в 2003 году.
Период вращения вокруг оси – звездные сутки – равен 24,62 часа – всего на
41 минуту больше периода вращения Земли. Наклон экватора к орбите: 25°12´
(у Земли – около 23°). Это значит, что смена дня и ночи и смена времён года на
Марсе протекает почти так же, как на Земле. Есть там и климатические пояса,
подобные земным. Но есть и отличия. Прежде всего, из-за удалённости от
Солнца климат, вообще, суровее земного. Далее, год Марса почти вдвое
длиннее земного, а значит, дольше длятся и сезоны. Наконец, из-за
эксцентриситета орбиты длительность и характер сезонов заметно отличаются в
северном и южном полушариях планеты. Таким образом, в северном
полушарии лето долгое, но прохладное, а зима короткая и мягкая, тогда как в
южном полушарии лето короткое, но тёплое, а зима долгая и суровая.
Масса планеты составляет 0,107 M
(6,4∙1023 кг), плотность равна 3,94 г/см3, а
радиус в два раза меньше, чем у Земли, – 3 397 км.
Ускорение
свободного
падения
на
поверхности
планеты
составляет
g = 3,72 м/с2.
Предполагают, что несколько миллиардов лет назад на Марсе была атмосфера
плотностью 1–3 бар; при таком давлении вода должна находиться в жидком
состоянии, а углекислый газ должен испаряться. Мог возникнуть парниковый
эффект, могли протекать реки, которые и оставили русла, наблюдаемые в
настоящее время. Особенностью марсианских рек была их взаимосвязь с
6
явлениями, похожими на карст, – уход под поверхность в какой-нибудь точке.
Но Марс постепенно терял атмосферу
из-за своей малой массы. Парниковый
эффект уменьшался, появилась вечная
мерзлота и полярные шапки2 (рис.2),
которые наблюдаются и поныне.
Основная
составляющая
атмосферы
Рис. 2
Марса3 (рис. 3) – углекислый газ (95 %),
а среднее давление атмосферы на уровне
поверхности
около
6,1 мбар.
Это
в
15 000 раз меньше, чем на Венере, и в
160 раз
меньше, чем
у поверхности
Земли. В самых глубоких
давление
достигает
впадинах
12 мбар.
Зимой
углекислота замерзает, превращаясь в
сухой лед. Хотя атмосфера Марса не
губительна
для
специальное
Рис. 3
землян,
понадобится
оборудование,
чтобы
выделить из нее кислород для дыхания «Вояджер» обнаружил в атмосфере
редкие облака. Однако даже вся атмосферная влага, если бы она выпала на
поверхность, покрыла бы ее слоем не толще 0,01 мм. Над низинами и на дне
кратеров
в
холодное
время
суток
стоят
туманы,
а
«Викинг-2»
зарегистрировал в 1979 году выпадение снега, пролежавшего несколько
месяцев.
На Марсе зарегистрировано слабое магнитное поле B = 0,5 мкТл.
2
Фотография Марса, полученная космическим телескопом имени Хаббла
3
Химический состав атмосферы Марса
7
Есть ли жизнь на Марсе?
Несмотря на успехи исследований Марса с Земли и космоса, перед
астрономами неотступно стоял всё тот же вопрос: существует ли жизнь на
Марсе?
Американская программа «Викинг» готовилась несколько лет; два
космических аппарата были запущены 20 августа и 9 сентября 1975 года.
Район посадки имел довольно ровный рельеф (рис. 4) и представлял собой
песчаную пустыню с большим количеством камней, наполовину занесённых
слоем тонкой пыли. Условия в месте посадки4 блока оказались довольно
суровыми.
Рентгеновский
флуоресцентный
спектрометр
передал
предварительные сведения о составе марсианской почвы: 12–16 % железа, 13–
15 % кремния, 3–8 % кальция, 2–7 % алюминия, 0,5–2 % титана.
Поиск микроорганизмов на Марсе
Рис. 4
был основной задачей «Викингов».
Всех в первую очередь интересовали
результаты экспериментов по забору
и
анализу
образцов
грунта.
Американские учёные пришли в
крайнее возбуждение. Анализатор
газообмена после двух часов инкубации показал 15-кратное увеличение
содержания кислорода по сравнению с нормой. Спустя ещё 24 часа
концентрация кислорода выросла ещё на 30 %, а затем начала падать и спустя
неделю упала до нуля.
Во втором эксперименте часть пробы загружалась в резервуар с
питательным бульоном, в котором имелись радиоактивные атомы. Анализатор
4
Равнина Хриса – место посадки «Викинга-1»
8
детектировал выделявшиеся газы и обнаружил увеличение двуокиси углерода,
почти такое же, как при анализе биологически активных образцов земной
почвы. Но вскоре и в этом приборе уровень отчётов упал почти до нуля.
В третьем эксперименте регистрировалось поглощение изотопа углерода
предполагаемыми
органическими
Марсианский углекислый газ
12
соединениями
марсианского
С заменялся на радиоактивный
14
С
14
грунта.
С, грунт
освещался светом, подобным солнечному. В земных условиях микроорганизмы
хорошо усваивают углекислый газ. Затем проба грунта нагревалась, чтобы
обнаружить усвоенный радиоактивный углерод 14С. На Марсе этот эксперимент
дал неоднозначный результат: то углерод усваивался, то нет.
На «Викинге-2» выделение кислорода из образцов проходило гораздо
медленнее, чем на «Викинге-1». Однако американские учёные полагают, что
эти результаты нельзя объяснить одними химическими реакциями.
Основной вывод, который можно сделать по результатам этих экспериментов:
либо
количество
микроорганизмов (рис. 5) в
местах
посадок
«Викингов»
ничтожно мало, либо их нет
вообще.
7 августа
1996 года
НАСА
заявило, что на найденном в
Антарктиде
метеорите5,
Рис. 5
предположительно выброшенным Марсом 1,5–3,6 миллиардов лет назад и
столкнувшимся с Землей около 13 тысяч лет назад, обнаружены органические
соединения и окаменелые следы, напоминающие бактерии. Увеличение
количества этих следов с глубиной свидетельствовало об их космическом
происхождении.
5
Марсианский метеорит под микроскопом
9
С 2004 года на орбите Марса работает космический аппарат «Марс Экспресс».
В 2003 году к Марсу были запущены марсоходы «Спирит» и «Оппотьюнити».
За
год
работы
получены
ими
тысячи
фотографий.
получены
Учеными
свидетельства
присутствия воды6 (рис. 6)
на
основании
фотографий
шариков
и
осадочных
анализа
каверн,
слоистостей
марсианских
пород. Марсоходы также
просверлили
отверстия
в
крупных камнях и провели
спектральный
анализ
Рис. 6
грунта.
Жизнь на Марсе пока не найдена. Но мы не сомневаемся ни на минуту, что
когда-нибудь, и может быть, скорее, чем мы думаем, на пыльную почву Марса
ступит человек, посланец нашей родной Земли.
6
«Марс Экспресс» сфотографировал протоки, оставленные водой, в долине Реул
10
Экспедиция на Марс
В этом году ГКНПЦ им. Хруничева объявил, что разработал концепцию
сверхтяжелой ракеты для полетов на Марс. Но это событие могло произойти
еще в 1974 году. С.П. Королев еще до полета Гагарина приступил к реализации
мечты всей своей жизни: полет человека на Марс.
Для этого был разработан тяжелый межпланетный корабль ТМК и ракета
Н1, в десять раз превосходящая ракету Р7, поднявшую на орбиту Гагарина.
Разогнать этот корабль к Марсу предполагалось жидкостным ракетным
двигателем.
На первых этапах проблемой была невесомость, т. к. в то время никто не
знал, как она действует на человека. Другой проблемой была пища, поэтому
был спроектирован замкнутый биолого-технический комплекс на основе
оранжереи (рис. 7) площадью 60 м2. В ней размещались картофель, свекла, рис,
бобовые, капуста, морковь, салат. Была предусмотрена ферма с животными –
кроликами
или
курами,
и
система утилизации их отходов.
Отходы
жизнедеятельности
экипажа
тоже должны перерабатываться,
т.к. часть питьевой воды могла
быть восстановлена из жидких
отходов.
водоросли
Одноклеточные
типа
хлореллы
поглощали бы углекислый газ,
выдыхаемый космонавтами, и
давали бы в обмен кислород.
Рис. 7
11
Таким образом, планировалось в упрощенном виде воспроизвести замкнутые
биосистемы, действующие на Земле.
По форме Марсианский корабль7 представлял собой 5-этажный цилиндр
переменного диаметра. Один из этажей – жилой для космонавтов. На
остальных этажах располагалась
рубка для управления всеми системами,
медкабинет с тренажерами, мастерские, лаборатория, биологический отсек,
убежище от радиации, где мог укрываться экипаж во время солнечных
вспышек.
Снаружи
на
корпусе
ТМК
размещались
солнечные
батарее
и
концентраторы (с их помощью солнечные лучи доставлялись растениям в
оранжереи), радиаторы, жалюзи терморегулирования, антенны, люк
с
надувным шлюзом. К лету 1964 года проект располагал всеми исходными
материалами для привлечения к дальнейшим работам большой кооперации
предприятий, но помешал лунный проект, т.к. решили «Луну американцам не
отдавать!» и ракету Н1 пришлось переделывать под новые цели.
Сам С.П. Королев в лунный проект не верил, т.к. в это время американцы
уже три года работали над своим лунным проектом. И работы по марсианской
экспедиции отошли на второй план.
Полвека назад к полету на Марс мы были гораздо ближе, чем сейчас. И,
чтобы сегодня ставить новые задачи в космонавтике, нужно внимательно
проанализировать ошибки прошлого.
7
Аргументы и факты, № 5, 2011 год.
12
Как можно полететь на Марс
Движение
планет
определяет
время,
когда
можно
осуществить
экспедицию на Марс и продолжительность самой экспедиции. Рассмотрим
классический вариант.
Полет к Марсу возможен в течении всего 20 суток в так называемое окно
старта , которое начинается за 96 суток до очередного противостояния Марса.
Ближайшее великое противостояние Марса будет в июле 2018 года: в это
время расстояние между Марсом и Землей самое маленькое. Скорость при
старте с орбиты 200 км составляет 3,613 км/с. Траектория проходит по
касательной к орбите Марса. Это так называемая Гомановская траектория
(траектория I на рис 8 )
Рис. 8
13
Существуют еще две траектории (II и III), по которым начальные скорости
3,846 км/с и 4,046 км/с.
Время полета по траектории II 164,5 дня, а время перелета по траектории
III составляет 144,1 дня. Видно, что между I и II траекторией разница во
времени перелета составляет три месяца, что существенно. Таким образом,
наиболее рациональной для пилотируемого полета является траектория II, а для
грузового корабля траектория I.
Так как траектории II и III пересекают орбиту Марса, то возможна новая
встреча с планетой, если в первый раз это не удалось сделать. Поскольку
плоскость орбит Земли и Марса не совпадают, существуют дополнительные
трудности для перелетов в те или иные временные интервалы. Кроме того,
следует учитывать большой эксцентриситет орбиты Марса. Из-за этого
оптимальное время старта приходится на тот момент, когда Земля пересекает
линию узлов Марса (рис. 9)
Рис. 9
14
Когда можно лететь на Марс
Можно ожидать, что великое противостояние Марса наступит в начале июля
2018 года
Можно ожидать, что ситуация подобная великому противостоянию 1971 г.
повторится 2018 г. Тогда противостояние должно наступить в начале июля.
Соответственно прохождение Землей линии узлов будет происходить в начале
мая. Старт же следует осуществить за три месяца до противостояния или в
начале апреля.
Тогда мы получаем что, запустив корабль в начале мая, мы автоматически
попадем в плоскость орбиты Марса, так как старт происходит вблизи линии
узлов (рис.10). Такой перелет позволит увеличить массу полезной нагрузки.
Рис. 10
Если лететь по более быстрой траектории II, то прибытие ожидается конце
октября 2018 г.
15
На рис. 10 отмечены одинаковыми цифрами положения планет в один и тот
же момент времени.
Предположим, что окно для старта откроется в апреле 2018 г. Рассмотрим
возможный сценарий пилотируемой экспедиции.
Старт 15-20 апреля 2018 г. (1)
Перелет к Марсу 162 суток (синяя кривая).
Прибытие в окрестности Марса в сентябре 2018 г. (2)
20-25 сентября 2018 г.- выход на орбиту вокруг Марса (2).
Октябрь 2018 г. - стыковка с техническим модулем, начало
исследовательского этапа экспедиции (2).
Примерно 1.5 года проводятся исследования с орбиты Марса.
Высадка (3). Возможности для посадки на Марс рассмотрим дальше.
Март 2020 года завершение исследовательского этапа, подготовка к
возвращению.
20 апреля 2020 г. - старт к Земле (4).
Перелет к Земле - 160 суток (оранжевая кривая)
Посадка - октябрь 2020 г. (5)
Общая продолжительность исследовательского этапа на орбите Марса 1 год
и 6 месяцев.
Продолжительность экспедиции 2.5 – 2.7 года.
Однако перелеты могут быть совершены и за более длительный срок,
например, за 250 суток, тогда соответственно уменьшится время работы на
орбите Марса
Продолжительность экспедиции должна рассчитаться из выражения:
Тпол = Тс
Тз, где Тс = 780 суток (26 месяцев) или синодический период
для Марса. И надо прибавить удвоенный интервал от момента старта до
противостояния планет. Если старт происходит за 90 дней до противостояния,
то получим полную продолжительность 960 суток или 32 месяца, или 2 года и 8
месяцев. Скорее всего, более точные расчеты для сценария пилотируемого
этапа позволят сократить это срок на 1-2 месяца.
16
Посадка на Марс
Для посадки на Марс есть только два окна. Одно из них начинается вскоре
после прилета на орбиту Марса. Но сразу после прилета высаживаться не
рационально, т.к. следует детально исследовать и выбрать район посадки (Рис.
11).
Рис. 11
Удобный момент может наступить через три месяца, когда уже можно успеть
провести разведку. Это может быть середина декабря 2018 года. Однако
расстояние между Землей и Марсом в этот момент будет примерно 240 млн. км.
Время прохождения сигнала в один конец достигнет почти 14 мин. Если
высадку запланировать на более поздний период, то условия для связи станут
еще менее благоприятными, т.к. увеличится расстояние, да еще между
планетами будет располагаться Солнце.
17
Возможно, следует предусмотреть резервный канал связи через одну из
автоматических станций видимую, как с Земли, так и с Марса и которая уже
запущена с некой миссией в космос, например, к Венере.
За два года до начала основной экспедиции весной 2016 года должен
стартовать технический корабль, который прибудет к Марсу поздней осенью
2016 года, и до сентября 2018 года будет ожидать основную часть экспедиции.
Если в положенное время старт с орбиты Марса по тем или иным причинам не
произойдет, то экипажу предстоит «зимовка» на орбите Марса. В качестве
одной из мер безопасности будет подготовка к старту транспортного корабля.
18
Как можно передвигаться в космическом пространстве
Естественно применять для полета на Марс более эффективные
источники энергии – ядерные. Ядерные реакторы послужат источником тепла,
которое будет нагревать газ, заставляя его истекать из сопел двигателя и
создавать реактивную тягу. При этом «рабочего тела», то есть газа потребуется
меньше в два-три раза, чем топлива для жидкостных двигателей.
Еще более эффективной двигательной установкой стала бы ядерная
электрореактивная, важнейшей особенностью которой является очень высокая
скорость истечения газа. Если у реактивного двигателя, работающего на
жидком водороде и кислороде, она составляет около 2500 м/с, то у
электрореактивного она составляет 20000-50000 м/с. Рабочего тела при этом
потребуется уже в 15-20 раз меньше по сравнению с жидкостными
двигателями.
Можно передвигаться в космическом пространстве, используя давление
солнечного света. Впервые эта идея была сформулирована и обоснована
Ф.Цандером в 1920 году. При современном уровне техники и космической
технологии создание космических аппаратов, оснащенных солнечными
парусами- движетелями площадью в тысячи квадратных метров, считается
практически выполнимым, т.к. производство тончайших полимерных пленок,
необходимых для изготовления такого паруса возможно уже сегодня.
В целом можно сказать, что с точки зрения техники полет человека на
Марс представляется на
нынешнем этапе развития космонавтики не более
сложным мероприятием, чем в свое время экспедиция на Луну по сравнению с
пилотируемым полетом на околоземной орбите. Другое дело - способен ли сам
человек к столь длительному - минимум полтора года – пребыванию в космосе.
19
Эксперимент «Марс-500» в Москве
Экипаж из 6 человек в июне 2010 года «улетел» на Марс, не выезжая из
Москвы. Они вошли в наземный имитатор марсианского космического корабля
на 520 суток с целью получения экспериментальных данных о состоянии
здоровья и работоспособности экипажа находящегося в условиях длительной
изоляции.
«Перелет» с Земли на Марс займет 250 суток, в течение 30 дней
космонавты будут находиться на его поверхности и 240 суток займет
возвращение на Землю.
«Марсианский» космический корабль смонтирован в Москве в Институте
медикобиологических проблем и включает в себя экспериментальный , жилой и
посадочный модули, кладовую и мини-оранжерею. Отдельно построен модуль,
имитирующий поверхность Марса, туда будут высаживаться трое участников
эксперимента. Слава «первооткрывателей» достанется россиянам, французу,
итальянцу и китайцу. Связь с внешним миром будет осуществляться, в
основном, посредством электронной почты, с сорокаминутной задержкой в
поступлении сообщений.
20
Заключение
В результате деятельности по данному проекту, исследования некоторых
аспектов полета на Марс
пришел к выводу, что пилотируемый полет на
«красную планету» возможен и необходим. Очень бы хотелось, чтобы это
событие случилось уже при жизни моего поколения.
Освоение Марса в будущем весьма дорогостоящее и трудное дело,
требующее больших финансовых расходов, максимального применения
наиболее передовых и надежных технологий.
Отдельной и, возможно, главной проблемой является терраформирование
Марса. Терраформирование – процесс создания другой Земли. Формирования
условий (температура, атмосфера, экология), пригодных для жизни земных
животных и выращивания растений в диких условиях. Ученые предлагают
много способов создания искусственного климата на планете, но в самом
лучшем случае терраформированный Марс сможет приобрести черты сурового
и холодного мира, хотя и пригодного для жизни.
Надо заметить, что Марс обладает значительными запасами необходимых
строительных материалов и с учетом специфических особенностей планеты,
можно применять «земные технологии» для строительства поселений.
По расчетам специалистов в 100-200 лет земляне на Марсе будут жить в
специальных поселениях-базах соединенных между собой. Колонизация Марса
без сомнения станет самым трудным заданием, когда-либо встававшим перед
человечеством.
В настоящее время для полномасштабного начала освоения Марса
требуется
лишь
концентрация
политической
воли,
финансирование
и
осуществление эффективной программы пилотируемых полетов, совмещенных
с доставкой необходимого оборудования на поверхность «красной планеты».
На это потребуется концентрация усилий многих стран мира.
21
Людям потребуется столетия упорного труда и затрат, но в конечном
итоге каждый землянин показав пальцем на Марс скажет: «Там живут люди, мы
пришли туда…», и то же самое сможет сказать мать человека-марсианина:
«Посмотри, это наша Земля, наша прародина и колыбель, мы пришли оттуда».
Сформируется новая культура и самосознание цивилизации прошедшей за
короткий срок путь от лесов северной Африки и каменного топора, до звезд и
творения новых миров.
22
Используемая литература
1. Астрономический справочник, А. Виноградова, Л. Сапогов; издат. Арена;
Москва,1999 год.
2. Википедия http://ru.wikipedia.org
3. Информационные ресурсы Интернет: официальный сервер НАСА
www.nasa.gov
4. Красная планета, Н. Юрмчук; издат. Квэйк, Санкт-Петербург, 1998 год.
5. Научные сайты о Марсе www.marsacademy.com
6. Новый
иллюстрированный
энциклопедический
словарь»,
научное
издательство «Большая Российская энциклопедия», Москва 2000 год
7. Популярная энциклопедия «Наука и Вселенная», Москва, «Мир», 1983
год, том 1
8. Советский
энциклопедический
словарь,
издательство
«Советская
энциклопедия», Москва 1980 год
9. Тайны Марса, Г. Хэнхок, Р. Бьювэл, Дж. Григзби; издат. Вече, Москва,
1999 год.