Проект модели пилотируемого планетохода для работы на поверхности Марса

Государственное бюджетное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

Луганской Народной Республики

«Первомайский колледж»

Проект пилотируемого марсохода
DOC / 2.65 Мб

ПРОЕКТ

МОДЕЛИ ПИЛОТИРУЕМОГО ПЛАНЕТОХОДА ДЛЯ РАБОТЫ НА ПОВЕРХНОСТИ МАРСА

Разработчики проекта:

учащиеся группы 1-С по профессии «Автомеханик» Дурмаджи Виктор Сергеевич Салиенко Артур Вячеславович

Руководитель проекта:

Заместитель директора по УПР Евков Анатолий Анатольевич

2021

Актуальность проекта

Мечта о полете человека на планету Марс имеет давнюю историю, но только сегодня наука подошла к возможности ее исполнения. Во многом интерес к Марсу был связан с ожиданием встречи братьев по разуму. И хотя рассчитывать на обнаружение на Марсе разумных существ не приходится, какие-то формы жизни там, вероятно, можно отыскать. Кроме этого значение полета человека на Марс выходит за пределы поиска жизни во Вселенной. Марс – единственная планета, перспективная с точки зрения колонизации. Существовало мнение, что на Марс следует отправлять не экипаж, а автоматические станции, которые способны заменить человека-исследователя. Несмотря на это, работы по осуществлению полета ведутся и в том числе в России. В институте медико-биологических проблем ведутся эксперименты по моделированию полета.
Работы над возможностью полета человека на Марс ведутся с 1960 года. Первый отечественный проект корабля для посадки человека на поверхность Марса был выполнен в ОКБ-1, возглавляемом Сергеем Павловичем Королевым. Сейчас это Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева. В проекте 1960 года было принято принципиально новое техническое решение: использовать для межпланетной экспедиции электроракетные двигатели. Это решение РКК "Энергии" осталось неизменным для всех последующих модификаций проекта полета человека на Марс, и именно оно позволило во многом решить проблему безопасности.

По предварительным расчетам перелет с орбиты Земли на орбиту Марса займет 2-2,5 года. Корабль, в котором все это время должен жить и работать экипаж, имеет массу 500 тонн, и топлива ему требуется сотни тонн. Именно масштабность задачи отличает полет человека на Марс от полетов сравнительно небольших автоматических аппаратов. Общая масса всего пилотируемого комплекса становится значительно больше, чем могут вывести на орбиту даже самые мощные ракеты-носители. Поэтому создавать гигантскую ракету для выведения с Земли всего межпланетного комплекса не имеет смысла. Проще отправлять его на околоземную орбиту по частям, из этих частей и собирать там комплекс, используя уже отработанные технологии сборки на орбите.

Современные космические технологии подошли к новому решению проблемы космического движителя, а именно – атомного. При его использовании время перелета к Марсу значительно сократится, что делает проект еще более реальным в ближайшие годы. Применение такого двигателя для буксира не с многократным включением двигателей, как планировалось для имеющихся реактивных двигателей, а его длительной работы.

Межпланетный экспедиционный комплекс будет состоять из четырех основных функциональных частей: корабля, в котором работает экипаж и размещается все основное оборудование; межпланетного буксира, обеспечивающего перелет по межпланетной траектории; взлетно-посадочного комплекса и корабля возвращения на Землю.

Роскосмос, НАСА и EKA объявили полет на Марс своей целью в XXI веке. Идея доставки экспедиции на Марс как первого шага в колонизации Марса является проявлением экспансии человечества в космос. Более близкая цель – прямое включение человеческого разума в исследование Марса, как части окружающего мира.

Присутствие людей на Марсе предполагает их перемещение по планете на значительные удаления от места постоянного базирования в исследовательских целях, а так же доставки на базу грузов с посадочных модулей и иных работ.

Данный проект является разработкой варианта транспортного средства для передвижения колонистов по поверхности Марса.

Постановка задачи

При разработке аппаратов, оборудования связанного с выводом в космос и последующим возвращением на Землю в первую очередь учитывается вес изделия. Кроме этого значимость имеет его стоимость, зависящая от материалов и сложности изготовления.

Исходя из этого, можно определить технологические требования к изготовлению марсохода, а с учетом планетарных условий его эксплуатации определим требования к его основным техническим характеристикам.

технологические требования к изготовлению:

в целях сокращения стоимости при изготовлении – использование базы существующего транспортного средства (ТС) с последующими доработками;

минимизирование веса выбранного ТС;

использование существующего движителя для установки в конструкцию ТС, или адаптация такового к работе в условиях атмосферы Марса;

упрощение за счет уменьшения количества передач КП, следовательно, снижение массы коробки передач;

использование системы жизнеобеспечения и герметизации жилого модуля марсохода идентичных используемым на космических кораблях.

Моделирование марсохода

Анализ существующих отечественных ТС показал, что наиболее удовлетворяющим технологическим требованиям к изготовлению пилотируемого марсохода по ряду основных требований подходит БТР-80 или в модификации ГАЗ-59037 – гражданского внедорожника, рис.1.

рис.1

Основные характеристики БТР-80

Тип - амфибийная, колесная, бронированная

Колесная формула 8 х 8

Масса - 13,6т

Размеры: Длина корпуса 7650 мм; Ширина корпуса 2900 мм; Высота 2350-2460 мм; База 4400мм; Колея 2410 мм; Клиренс 475 мм;

Экипаж - 2 чел.

Десант - 8 чел.

Силовая установка: двигатель, тип, марка - дизельный, КамАЗ-7403, максимальная мощность 191кВт (260л.с.)

Трансмиссия механическая

Подвеска независимая, рычажная, торсионная

Скорость движения: по шоссе не менее 80 км/ч; на плаву не менее 9 км/ч

Запас хода по топливу: по шоссе 600 км

Преодолеваемые препятствия: подъем 30град; ширина рва до 2,0м.

От данного ТС оставляем днище, раму и ходовую часть, т.е. практически все кроме бронекорпуса, всей системы водяного движителя и боевого отделения с башней, за счет чего значительно снижается масса и освобождается внутреннее пространство.

Все десантное отделение будет использоваться для размещения грузов и оборудования в кузове марсохода.

Плюсы конструкции – повышенная прочность, надежность, сниженная масса в сравнении со стальными корпусами других ТС, ходовая часть допускающая потерю нескольких колес без потери подвижности, заложенный в конструкции ходовой части уменьшенный радиус разворота.

Технические характеристики марсохода определяются исходя из среды, в которой он будет эксплуатироваться, и предполагаемых функций, которые нужно будет выполнять с его помощью.

Изучим среду, т.е. планетарные условия. Исходя из многочисленных данных, полученных от исследовательских станций и автоматических аппаратов, работавших на поверхности планеты, имеются достоверные характеристики:

Температура на планете колеблется от −153 °C на полюсах зимой и до +20 °C на экваторе летом (максимальная температура атмосферы, зафиксированная марсоходом «Спирит», составила +35 °C), средняя температура – около −63 °C. В средних широтах температура колеблется от −50 °C зимней ночью до 0°C летним днём, среднегодовая температура −50 °C.

По данным NASA (2004), атмосфера Марса состоит на 95,32 % из углекислого газа; также в ней содержится 2,7 % азота, 1,6 % аргона, 0,145 % кислорода, 210 ppm водяного пара, 0,08 % угарного газа (СО), оксид азота (NO) — 100 ppm, неон (Ne) — 2,5 ppm, полутяжёлая вода (HDO) 0,85 ppm, криптон (Kr) 0,3 ppm, ксенон (Xe) — 0,08 ppm (состав приведён в объёмных долях).

Разреженность марсианской атмосферы и отсутствие магнитосферы являются причиной того, что уровень ионизирующей радиации на поверхности Марса существенно выше, чем на поверхности Земли. Мощность эквивалентной дозы на поверхности Марса составляет в среднем 0,7 мЗв/сутки (изменяясь в зависимости от солнечной активности и атмосферного давления в пределах от 0,35 до 1,15 мЗв/сутки) и обусловлена главным образом космическим излучением; для сравнения, в среднем на Земле эффективная доза облучения от естественных источников, накапливаемая за год, равна 2,4 мЗв, в том числе от космических лучей 0,4 мЗв. Таким образом, за один-два дня космонавт на поверхности Марса получит такую же эквивалентную дозу облучения, какую на поверхности Земли он получил бы за год.

По данным NASA на 2004 год, давление атмосферы на среднем радиусе составляет в среднем 0,00636атм, меняясь в зависимости от сезона от 0,004 до 0,0087атм.

Климат, как и на Земле, носит сезонный характер. Угол наклона Марса к плоскости орбиты почти равен земному и составляет 25,1919°; соответственно, на Марсе, так же, как и на Земле, происходит смена времён года. Особенностью марсианского климата также является то, что эксцентриситет орбиты Марса значительно больше земного, и на климат также влияет расстояние до Солнца.

Средняя температура составляет −63°C. По данным посадочных аппаратов «Викинг», суточный температурный диапазон составляет от −89 до −31°C, а скорость ветра 2-7 м/с (лето), 5-10 м/с (осень), 17-30 м/с (пылевой шторм).

Весеннее таяние полярных шапок приводит к резкому повышению давления атмосферы и перемещению больших масс газа в противоположное полушарие. Скорость дующих при этом ветров составляет 10-40 м/с, иногда до 100 м/с. Ветер поднимает с поверхности большое количество пыли, что приводит к пылевым бурям. Сильные пылевые бури практически полностью скрывают поверхность планеты.

Полушария Марса довольно сильно различаются по характеру поверхности. В южном полушарии поверхность находится на 1-2 км выше среднего уровня и густо усеяна кратерами. Эта часть Марса напоминает лунные материки. На севере большая часть поверхности находится ниже среднего уровня, здесь мало кратеров и основную часть занимают относительно гладкие равнины, вероятно, образовавшиеся в результате затопления лавой и эрозии.

Элементный состав поверхностного слоя грунта, определённый по данным посадочных аппаратов, неодинаков в разных местах. Основная составляющая почвы — кремнезём (20-25 %), содержащий примесь гидратов оксидов железа (до 15 %), придающих почве красноватый цвет. Имеются значительные примеси соединений серы, кальция, алюминия, магния, натрия.

Рис.2.Фото поверхности Марса.

У Марса было зафиксировано слабое магнитное поле. Согласно показаниям магнитометров станций «Марс-2» и «Марс-3», напряжённость магнитного поля на экваторе составляет около 60 гамм, на полюсе – 120 гамм, что в 500 раз слабее земного. Магнитное поле Марса крайне неустойчиво, в различных точках планеты его напряжённость может отличаться от 1,5 до 2 раз, а магнитные полюса не совпадают с физическими.

Исходя из приведенных данных можно определить требования к отдельным элементам, узлам и агрегатам, а также определиться с выбором некоторых материалов:

Температурный режим требует теплоизоляции внутреннего пространства и не дает возможности применения стандартных автомобильных колес с резиновыми покрышками. Применение металлов для кузова даст большой вес кузова и высокую теплоотдачу. Анализируя синтетические материалы можно остановиться на применении кевлара:

Кевлар — пара-арамидное волокно (полипарафенилен-терефталамид), выпускаемое фирмой DuPont. Кевлар обладает высокой прочностью. Впервые кевлар был получен группой Стефани Кволек — американского химика и сотрудницы фирмы DuPont в 1964 году, технология производства разработана в 1965 году, с начала 1970-х годов начато промышленное производство. Кевлар сохраняет прочность и эластичность при низких температурах, вплоть до криогенных (−196 °C), более того, при низких температурах он даже становится чуть прочнее. При нагреве кевлар не плавится, а разлагается при сравнительно высоких температурах (430-480 °C). Температура разложения зависит от скорости нагрева и продолжительности воздействия температуры. При повышенных температурах (более 150 °C) прочность кевлара уменьшается с течением времени. Например, при температуре 160 °C прочность на разрыв уменьшается на 10-20 % после 500 часов. При 250 °C кевлар теряет 50 % своей прочности за 70 часов. Кевлар обладает сравнительно небольшим весом, при этом значительной силой внутреннего трения, которая позволяет быстро рассеивать кинетическую энергию при столкновении.

Кузов марсохода (между и поверх несущих дуг), а так же металлическая основа обшивается кевларом или органотекстолитом на его основе.

Многослойный кевлар в форме верхней части обычной автомобильной покрышки используется для покрытия колес марсохода для снижения механического износа рабочей части колеса, более равномерного распределения нагрузки на «спицы», которые он будет стягивать и исключит излом и неосевые деформации.

Так же учитывая температуру планеты использование железа и его сплавов нецелесообразно ввиду повышенной хрупкости сталей при низких температурах. Сплавы на основе алюминия легче, но имеют те же недостатки как и у железа. Для наружных металлических частей марсохода (незащищенных от воздействия низких температур), в том числе и колес, целесообразно использовать сплавы с «памятью формы» на основе никеля и титана (Ni-Ti).

Колеса изготавливаются в виде диска, крепящегося болтами к ступице, С-образных «спиц», направленных через одно навстречу друг-другу, для снижения передачи ударов на ходовую часть и корпус марсохода. Верхняя часть «спиц» обтянута многослойным кевларом, рис.3.

Рис.3.

Состав атмосферы и давление на Марсе свидетельствует о следующем:

Стандартный ДВС в атмосфере планеты работать не будет, следовательно будет использоваться многотопливный ДВС на метане и кислороде.

Внутри марсохода необходимо применение автономной системы жизнеобеспечения (давление, состав воздуха, влажность, температура).

При выходе на поверхность из марсохода в конструкции ТС обязательна шлюзовая камера, которая исключит разгерметизацию внутреннего пространства.

Слабое и нестабильное магнитное поле потребует вместо магнитного компаса применение секстанта с привязкой к электронным картам поверхности.

Неспособность атмосферы Марса эффективно защищать человека на поверхности планеты от космического излучения в оболочке марсохода требуется применение материалов, защищающих от жесткого излучения. Кроме этого целесообразно применение покрытия наружной поверхности кузова отражающими составами, которые при повреждении можно восстанавливать фрагментарным напылением, в отличии от сложного ремонта покрытия из специального материала.

Предполагаемые основные функции марсохода:

Транспортировка грузов на значительные расстояния;

Расчистка площадок для жилых и технических модулей;

Буровые работы на небольшие глубины;

Научно-исследовательские работы вдали от жилых модулей;

Транспортировка людей и грузов между жилым и исследовательским модулем установленным на удалении от первого;

Аварийно-спасательные работы на разном удалении от жилых и технических модулей.

Из установленных предполагаемых функций в конструкции марсохода необходимо наличие таких элементов, как:

автоматическая лебедка (в конструкции БТРа она присутствует, необходимо заменить железный трос на трос из углеродного волокна);

буксировочные крюки (в конструкции БТРа они присутствуют);

бульдозерный отвал (в конструкции БТРа присутствует);

элементы для закрепления перевозимых грузов на кузове марсохода;

манипулятор для погрузки-разгрузки и перемещения грузов на небольшие расстояния;

съемное внешнее буровое оборудование, управляемое изнутри марсохода;

выдвижные опоры для работы манипулятора или буровой установки;

оборудование дальней связи с внешней антенной, защищенной от пыли;

камеры внешнего обзора;

окна-илюминаторы внешнего обзора при отказе камер или невозможности их использования при попадании в пылевую бурю;

оборудование навигации на основе гирокомпаса;

внешнее освещение при работе ночью или в условиях запыленности;

локатор для определения рельефа перед марсоходом при работе ночью или в условиях запыленности;

шлюзовое устройство для выхода из марсохода без разгерметизации внутреннего помещения.

Предполагаемые основные характеристики марсохода:

Тип - колесная

Колесная формула 8 х 8

Масса - 8т

Размеры: Длина корпуса 7700 мм; Ширина корпуса 2900 мм; Высота 3000 мм; База 4400мм; Колея 2410 мм; Клиренс 475 мм;

Экипаж – 2 чел.

Пассажиры – научные работники или другие специалисты 2 чел.

Силовая установка: двигатель внутреннего сгорания (ДВС), тип, марка - многотопливный, КамАЗ, МАЗ или ГАЗ, максимальная мощность 160-180л.с.

Трансмиссия механическая

Подвеска независимая, рычажная, торсионная

Скорость движения: по ровному твердому грунту не менее 50 км/ч

Запас хода по топливу: по ровному твердому грунту 500 км

Преодолеваемые препятствия: подъем 30град; ширина рва до 2,0м.

Предполагаемый внешний вид марсохода изображен на рис.4.

Двецы безскафандрового входа/выхода Дверца шлюза для выхода на поверхность Металло-кевларовый корпус

Рис.4.

Трансмиссия доработана для уменьшения радиуса разворота и увеличения маневренности за счет придания углов поворота задних колес симметрично-зеркально передним. Это уменьшит и износ поверхности задних пар колес при трении о поверхность рис.5.

Рис.5.

Обоснование целесообразности проекта

Изготовление марсохода, предложенного в проекте, не требует новых научных и инженерных разработок кроме технологических расчетов, связанных с изготовлением колес, которые должны выдерживать заданные нагрузки.

Для изготовления марсохода используется база транспортного средства находящегося в производстве, технологический процесс которого налажен.

В конструкции марсохода используются узлы, агрегаты и материалы уже выпускаемые промышленностью.

Процесс вывода на орбиту Земли и выгрузку на Марс марсохода без демонтажа реален, так как ракетоносители, например серии «Энергия», способны выводить на орбиту Земли от 100т полезной нагрузки. Следовательно, один ракетоноситель этого класса за один выход на орбиту может взять два марсохода в сборе с основным и резервным запасом топлива, запасными частями к ним, инструментом для ремонта и обслуживания, что может составить около 20т полезной нагрузки. В остатке – 80т полезной нагрузки для других грузов, необходимых для установки и функционирования жилых и технических модулей на Марсе.