Команда университета предложила выдвижные, прессurized тоннели для миссий на Марс

NASA и китайское национальное космическое агентство планируют отправить экипажные миссии на Марс в ближайшие десятилетия. В рамках архитектуры миссии NASA "Луна на Марс" предполагается использование инфраструктуры, созданной в ходе программы Artemis, для отправки экипажей на Красную планету в 2030-х или 2040-х годах. Эти миссии, подобно Artemis, завершатся созданием обитаемых модулей, которые будут способствовать долгосрочным исследованиям и исследованиям. Однако это также создает множество вызовов, включая длительные транзиты в глубокий космос и опасности, связанные с длительным пребыванием в микрогравитации.

При этом экипажные миссии столкнутся с серьезными проблемами по прибытии, такими как опасности работы в тонкой, непригодной для дыхания атмосфере Марса, экстремальные температурные колебания и повышенные уровни радиации. К счастью, эти трудности вдохновляют на инновационные концепции от космических агентств, их исследовательских институтов и коммерческих партнеров. В недавнем отчете команда Bioastronautics and Life Support Systems (BLiSS) Университета Мичигана предложила активную, прессurized систему тоннелей для соединения обитаемых модулей на поверхности Марса.

Их концепция описана в статье "LATCH: Легкие активируемые тоннели для обитаемых модулей", представленном на ежегодный конкурс инноваций Moon to Mars eXploration Systems and Habitation (M2M X-Hab 2026). Этот отчет стал одним из нескольких проектов, выбранных NASA в рамках программы X-Hab, которая приглашает студентов университетов по всей стране предоставлять концепции, прототипы и уроки, которые помогут сформировать будущие космические миссии.

Полный тоннель с обозначениями компонентов. Кредит: команда BLiSS/NTRS

Доктор Нилтон Ренн, профессор планетарных наук и космической инженерии в Университете Мичигана, является основным исследователем команды BLiSS. Доктор Трейси Пратер, уважаемый аэрокосмический и механический инженер в Центре космических полетов Маршалла NASA и инженер по материалам и процессам в компании United Launch Alliance, выступила в роли спонсора проекта.

Проблемы

Независимо от местоположения — на Луне или Марсе — поддержание постоянного присутствия человека требует значительных перемещений. Это включает перемещение экипажей и грузов с поверхности на орбиту и между поверхностными объектами, такими как обитаемые модули, транспортные средства и посадочные площадки. Учитывая особенности лунной и марсианской среды, экипажам придется надевать скафандры и проводить внекорабельные работы (EVA) каждый раз. Этот процесс требует много времени, включая часы подготовки (предварительное дыхание кислородом), одевание, разгерметизацию шлюза и уборку после EVA.

На выполнение этого процесса уходит целый день, и он также подвергает членов экипажа риску декомпрессии и воздействия повышенной радиации. Аналогично, экипажи должны оставаться в скафандрах при входе или выходе из Марсианского подъемного аппарата (MAV), что неудобно из-за размеров самих скафандров. Необходимость в скафандрах во время подъема и спуска также увеличивает массу общего груза аппарата, что повышает затраты и потребность в топливе. Как описывает команда в своем отчете:

"Предварительный анализ Марсианского подъемного аппарата (MAV), используемого экипажем для перемещения к и от поверхности Марса, показывает, что каждый скафандр EVA требует на 560 килограммов больше топлива, чем скафандр для внутриполетной активности (IVA). Кроме того, скафандры EVA занимают объем в ракете-носителе, примерно равный размеру человека. Это потребует увеличения размера кабины, что в свою очередь потребует большего количества топлива."

Чтобы устранить эту проблему, команда HATCH предложила "легкую прессurized систему тоннелей, которая может обеспечить активное позиционирование и причаливание между обитаемыми поверхностными объектами на Марсе". Эта концепция предполагает тоннели, которые можно развернуть по мере необходимости для транзитов, а затем втянуть, когда они не используются. Такие тоннели сократят время транзита к обитаемым модулям и посадочным площадкам с целого дня до всего лишь нескольких минут.

"Проект предполагает разработку концепций для 'легкой прессurized системы тоннелей', которая может 'обеспечить активное позиционирование и причаливание между обитаемыми поверхностными объектами на Марсе'," - отмечает команда.

Полная модель тоннеля с различными видами. Кредит: команда BLiSS/NTRS

Дизайн

Каждый тоннель состоит из надувной оболочки, структурных колец, механизма пассивного расширения (управляемого моторами и актуаторами), выдвижных поручней и дорожек, а также единиц с протекторами, смонтированных на каждом сегменте. Эти тоннели интегрируются с каждым шлюзом на обитаемом модуле, который экипаж может развернуть с помощью пользовательского интерфейса (UI). UI также позволит членам экипажа и наземным операторам отслеживать статус тоннеля, который будет регулярно контролироваться датчиками на предмет утечек, загрязнений или неисправностей системы.

Процесс начинается с того, что член экипажа выбирает пункт назначения (MAV или другой поверхностный объект), а затем инструктирует UI развернуть тоннель к его люку. Механизм пассивного расширения также позволяет членам экипажа вносить тонкие корректировки в его путь, в то время как данные с датчиков и мониторинг наземными операторами обеспечивают обратную связь для выравнивания и коррекции траектории. Как только тоннель полностью развернут и оба конца закреплены, тоннель медленно заполняется кислородом и азотом.

После прессуризации и подтверждения безопасности окружающей среды датчиками и наземным контролем, тоннель используется для перемещения до двух членов экипажа с грузами. Во время их транзита члены экипажа, не использующие тоннель, будут проинформированы UI о любых внезапных проблемах безопасности. В случае чрезвычайной ситуации системы оповещения будут активированы автоматически (освещение, поручни и другие необходимые системы поддержки), чтобы помочь членам экипажа безопасно добраться до другой стороны тоннеля.

Когда тоннели не используются, они будут разгерметизированы и втянуты. Это предотвратит накопление радиации внутри и марсианской пыли снаружи. Поддержание тоннелей в втянутом положении между использованием также обеспечивает их меньшую уязвимость к повреждениям от обломков.

Тестирование и оценка рисков

В рамках своего предложения команда BLiSS предоставила полные модели с использованием компьютерного моделирования (CAD) и прототип демонстратора тоннеля и системы активации (включая программное обеспечение управления) для тестирования. Кроме того, была разработана комплексная матрица рисков для выявления и оценки потенциальных опасностей, которые могут повлиять на успех будущих миссий. Это позволило команде BLiSS определить различные технические, временные, финансовые и связанные с безопасностью риски, которые могут поставить под угрозу функциональность и безопасность их системы.

Одним из заметных рисков является возможность обрушения конструкции, когда астронавты находятся внутри, что может привести к травмам или смерти. Чтобы смягчить этот риск, они предложили добавить дополнительные балки пола и/или раскладывающийся пол для поддержки увеличенных нагрузок или несчастных случаев (например, падение груза). Команда также приняла меры для снижения риска неточной стыковки, которая может сделать систему непригодной для использования, включая подход с мультидатчиковым слиянием с использованием LiDAR и компьютерного зрения. Это позволит проводить перекрестную валидацию между датчиками, обеспечивая коррекцию курса и обнаружение мелких движений.

Прототип двухтендоново актора, показывающий компоненты системы и независимую артикуляцию каждого сегмента. Кредит: команда Baldwin Wallace University/NTRS

"Реализуя надежные меры по смягчению последствий и постоянно контролируя и переоценивая риски на протяжении всего жизненного цикла проекта, мы стремимся минимизировать сбои и максимизировать эффективность нашей системы тоннелей в поддержке транспортировки экипажа между поверхностными объектами в ходе космических миссий," - заявляют они.

Похожая концепция, представленная Инженерным департаментом Университета Baldwin Wallace, называется Tunnel Ready Elements for Active Deployment (T.R.E.A.D). Их концепция также соответствует целям конкурса M2M X-Hab 2026: создать систему раздвижных тоннелей, которая соединит поверхностные элементы на Марсе, подчеркивая многоразовость и предотвращая накопление зданий и тоннелей на поверхности, которые больше не служат целям миссии.

Для своего предложения команда Baldwin Wallace разработала систему активации на основе двойных тендонов с прессurized баллонами. Каждый набор тендонов состоит из четырех отдельных кабелей, управляемых с помощью системы лебедки, при этом первый набор управляет первой половиной кривизны тоннеля, а второй контролирует финальную часть. Система тендонов также служит основным средством втягивания и обеспечивает необходимую гибкость для изгиба и подстройки к неровной местности.

Эти и другие концепции представляют собой лишь некоторые из последних предложений о том, как астронавты будут жить и работать в экзопланетной среде Марса. По мере приближения 2030-х годов NASA и другие космические агентства продолжат наращивать свои подготовительные усилия для отправки экипажных миссий на Красную планету. Методы и уроки, извлеченные из этих миссий, вероятно, станут основой для жизни вне Земли, если человечество выберет путь, ведущий нас к тому, чтобы стать "межпланетным" когда-нибудь.