Орбитальные путевые станции могут уменьшить количество топлива, которое космический корабль должен доставлять с Земли, а с меньшим количеством топлива на борту ракета может запускать более тяжелые полезные нагрузки, такие как крупные научные эксперименты.За последние несколько десятилетий ученые предложили различные конструкции, такие как строительство станции по производству топлива на Луне и отправка танкеров для пополнения плавучих баз.
Но за большинство идей стоит немалая цена, требующая долгосрочных вложений.Команда Массачусетского технологического института разработала два рентабельных проекта депо, которые не требуют таких долгосрочных обязательств. Обе конструкции используют тот факт, что каждая лунная миссия несет запас «топлива на случай непредвиденных обстоятельств» — топлива, которое предназначено для использования только в чрезвычайных ситуациях.
В большинстве случаев это резервное топливо не используется и либо остается на Луне, либо сжигается при повторном входе экипажа в атмосферу Земли.Вместо этого команда Массачусетского технологического института предлагает использовать топливо на случай непредвиденных обстоятельств из прошлых миссий в качестве топлива для будущих космических кораблей.
Например, когда миссия возвращается на Землю, она может сбросить резервуар с запасом топлива на складе, прежде чем отправиться домой. Следующая миссия может забрать топливный бак по пути на Луну в качестве собственного запаса на случай чрезвычайной ситуации.
Если в конечном итоге ему не понадобится дополнительное топливо, он также может сбросить его на складе для следующей миссии — такая схема команда называет подходом «устойчивого состояния».На складе также может накапливаться топливо на случай непредвиденных обстоятельств из нескольких миссий, что является частью подхода, который исследователи называют «накоплением запасов». Космический корабль, направляющийся на Луну, будет нести запас топлива, как обычно, сбрасывая бак на складе на обратном пути на Землю, если он не нужен; со временем в депо накапливается большой запас топлива. Таким образом, если в будущем будет запущена большая лунная миссия, ее ракете не потребуется большой запас топлива для запуска более тяжелой полезной нагрузки.
Вместо этого он может остановиться на складе, чтобы собрать запас топлива для своей посадки на Луну.«Какие бы ракеты вы ни использовали, вы хотели бы в полной мере использовать свою грузоподъемность», — говорит Джеффри Хоффман, профессор кафедры аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института. «Большая часть того, что мы запускаем с Земли, является ракетным. Так что, что бы вы ни сэкономили, вы можете взять с собой гораздо больше полезного груза».Хоффман и его ученики — Коки Хо, Кэтрин Герхард, Остин Николас и Александр Бак — описывают архитектуру своих депо в журнале Acta Astronautica.
Самовывоз и высадка в космосеИсследователи разработали базовую стратегию миссии по возвращению людей на Луну, которая немного отличается от таковой в миссиях Аполлона.
В эпоху Аполлона космические корабли кружили близко к лунному экватору — маршрут, который требовал небольшого изменения направления и небольшого количества топлива, чтобы оставаться на правильном пути. В будущем к лунным миссиям может применяться более гибкий подход, со свободой изменения курса для исследования более дальних уголков Луны, таких как полярные шапки, на предмет наличия воды — стратегия, которая потребует от каждого космического корабля дополнительных топливо для изменения орбиты.Исходя из предположения о более глобальной стратегии исследования, исследователи разработали базовую архитектуру, включающую серию автономных миссий, каждая из которых исследует поверхность Луны в течение от семи до 14 дней.
Этот план миссии требует, чтобы космический корабль, возвращающийся на Землю, при необходимости менял свою орбитальную плоскость. Согласно этому базовому сценарию, миссии могут работать в рамках существующей инфраструктуры без топливных складов, а это означает, что каждый космический корабль будет нести свой запас топлива на случай непредвиденных обстоятельств.
Затем исследователи разработали два проекта депо, чтобы повысить эффективность базового сценария. В обоих проектах склады будут размещены в точках Лагранжа — областях в космосе между Землей, Луной и Солнцем, которые поддерживают гравитационное равновесие. Объекты в этих точках остаются на своих местах, сохраняя то же положение относительно Земли и Луны.
Хоффман говорит, что в идеале для перекачки топлива между хранилищем и космическим кораблем нужно просто вовлекать космонавтов или роботизированную руку, поднимающую бак. Альтернатива — перекачивание топлива из бака в бак, как в случае с автомобилем, — немного сложнее, поскольку жидкость имеет тенденцию плавать в среде без гравитации. Но, говорит Хоффман, это выполнимо.«При строительстве Международной космической станции каждый раз, когда добавлялся новый модуль, нам приходилось подключать новые гидравлические соединения», — говорит Хоффман. «Это нетривиальная дизайнерская проблема, но ее можно решить».
«Создание ценности… против политической неопределенности»Основные недостатки обеих конструкций депо включают техническое обслуживание; удержание складов в пределах точки Лагранжа; и предотвращение явления, называемого «выкипание», при котором топливо, которое не хранится при достаточно низких температурах, может выкипеть.
По словам Хоффмана, если ученые найдут способы обойти эти проблемы, заправочные станции в космосе могут стать эффективным способом поддержки крупных исследований Луны.«Одна из проблем с крупными космическими программами заключается в том, что вы вкладываете огромные средства в создание инфраструктуры, а затем программа отменяется», — говорит Хоффман. «С архитектурой депо вы создаете ценность, устойчивую к политической неопределенности».Эта статья была подготовлена ??на двух курсах Массачусетского технологического института, которые преподавал Хоффман: 16.851 (Спутниковая инженерия) и 16.89 (Разработка космических систем), на которых студенты также рассмотрели реконструкцию лунного посадочного модуля и оценили различные подходы к посадке на Луну.Джеймс Хед, профессор геологических наук в Университете Брауна, говорит, что два подхода группы оптимизируют возможность как окололунных миссий, так и более амбициозных и длительных миссий в более отдаленные места.
«В настоящее время НАСА снова рассматривает возможность окололунных операций человека и разработку архитектуры для полета на Марс», — говорит Хед. «Таким образом, этот документ чрезвычайно важен и своевременен в контексте разработки планов НАСА по исследованию человека за пределами низкой околоземной орбиты».