Краткая архитектура пилотируемой миссии на Марс с учётом радиации, жизнеобеспечения и ISRU, оценка рисков, подготовительная фаза и социально‑экономические факторы.
1) Концепт‑архитектура (основные элементы)
- Транспортный сегмент (транзитный корабль): жилой модуль с долговременной ECLSS, «штормовой» укрытие для солнечных вспышек, система терморегуляции, работающий на многоразовой тяге (варианты: ядерный термический (NTP) или хим/SEP для уменьшения времени полёта).
- Надповерхностный комплекс на Марсе: спускаемый аппарат + многофункциональный поверхность‑хаб (жильё, лаборатория, мастерская), энергетика (ЯРБ или крупные солнечные массивы с аккумулированием), мобильная техника для ISRU.
- ISRU комплекс: извлечение воды из реголита/леда, получение кислорода из марсианского CO2 (SOE/электролиз/MOXIE‑тип или Sabatier + электролиз), производство/заправка топлива при выбранной архитектуре возврата.
- Назад‑наземь/возврат: асцендер на марсианской поверхности + стыковочный модуль для возвращения на Землю.
2) Радиационная защита (архитектурные решения и числа)
- Угрозы: галактические космические лучи (GCR) и солнечные событийные потоки (SPE). Цель — минимизировать суммарную дозу за карьеру ниже допустимых лимитов.
- Комбинация пассивной и оперативной защиты:
- Основная оболочка с водо/полимерно‑богатым (водородным) слоем: использование резервуаров с водой/топливом/полиэтиленом вокруг жилых отсеков как экрана.
- Штормовое укрытие с эквивалентной площадной плотностью порядка $\sim 30\text{–}50g/c{\mathrm{m}}^2$ для защиты от SPE (при коротких событиях достаточно); выдерживание GCR требует значительно больших эквивалентов ($\gtrsim 100\text{–}1000g/c{\mathrm{m}}^2$) — массоштампно неэффективно.
- Оперативные меры: прогнозы активности Солнца, предупреждения, манёвры ориентации, использование лунко/орбитальной подготовки для снижения дозы.
- Активные магнитные или электрические щиты — перспективны, но технологически тяжёлы (мощность, охлаждение, масса); рассматривать как опцию среднего/долгого срока.
- Рекомендация: архитектура с водосодержащим экраном + штормовым укрытием на борту + сокращение времени транзита (NTP/SEP) как наиболее реалистичный баланс массы/защиты.
3) Система жизнеобеспечения (ECLSS)
- Цель — высокий цикл замкнутости: вода восстановления $\ge 98\%$, кислородная замкнутость $\ge 95\%$.
- Базовые потоки и расчёт (для примера для $N$ членов экипажа):
- Потребность кислорода: ${\text{O}}_2\approx 0.84kg/day\times N$.
- Пути получения/восстановления: регенерация O2 из CO2 (Sabatier + электролиз воды или прямой SOE), резервы на аварии.
- Вода: исходное потребление до рециклинга $\sim 3\text{–}5kg/day$ на человека; после ECLSS дозаправка только пополнения потерь. Цель — подпитка из ISRU/запасов до $\lesssim 0.5kg/day$ makeup на человека.
- Архитектура: многоуровневый контроль атмосферы (CO2 scrubbers, VOC removal), продублированные насосы и системы фильтрации, модульность для замены на поверхности.
4) ISRU — вода, кислород, топливо (расчёты и подход)
- Получение O2 из атмосферы: реакция SOE/электролиз CO2:
- Стехиометрия: $2{\mathrm{CO}}_2\to 2\mathrm{CO}+{\mathrm{O}}_2$. Для получения массы O2 необходимо перерабатывать:
$$M_{C{O}_2}\approx \frac{44}{16}{M}_{O_2}\approx 2.75M_{O_2}.$$ - Для экипажа из $N$ человек требуется $M_{O_2}\approx 0.84N$ кг/сутки, значит CO2 надо обрабатывать $\approx 2.31N$ кг/сутки.
- Вода из реголита/льда:
- Если содержание воды в реголите $f_w$ (массовая доля), то масса реголита для получения $M_{water}$ равна
$$M_{reg}=\frac{M_{water}}{f_w}.$$ - Пример: для $N=4$ и требуемого пополнения $M_{water}=2kg/day$ (по 0.5 кг/чел) при $f_w=0.05$ нужно $M_{reg}=40kg/day$.
- Производство топлива (Sabatier/электролиз) для возврата требует значительных потоков: производство десятков тонн топлива требует переработки/добычи сотен тонн воды или реголита — крупная масса и длительный срок подготовки.
- Рекомендация: начать с O2 и воды (для жизнеобеспечения) как первоочередной ISRU; производство возвратного топлива — целесообразно только при развитой базе и гарантированной производительности ISRU.
5) Ключевые технологические риски (с кратким пояснением)
- Радиация: ограниченная эффективность практических щитов против GCR; риск хронической дозы и когнитивных эффектов.
- Надёжность замкнутого ECLSS: деградация фильтров, биогем, накопление непредвиденных загрязнений.
- ISRU: вариабельность содержания воды в целевых регионах, эффективность извлечения, износ оборудования пылью и абразивами.
- Вход/посадка/подъём тяжёлых полезных нагрузок (EDL): обеспечение мягкой посадки многотонных модулей.
- Энергетика: надёжный источник — крупные солнечные поля сложны в пыльной среде; ЯРБ даёт массу/политические ограничения.
- Автономность и связь: задержки, необходимость автономного техобслуживания и ремонта.
- Психология/медицинские риски: длительная изоляция, экстренные медицинские ситуации.
6) Фаза подготовки на Луне или орбите — варианты и влияние
- LEO предварительная подготовка (стандартизованные модули, испытания ECLSS, ISRU‑демонстраторы на Земле/LEO):
- Плюсы: более дешёвый доступ, отлаживание систем в контролируемой среде.
- Минусы: не проверяет марсианские ISRU и высокое излучение межпланетного пространства.
- Cislunar/Lunar staging (станция на орбите Луны или на поверхности Луны):
- Плюсы: испытание долгосрочных систем в глубококосмических условиях, частичный «полигон» для ISRU (лунный реголит), возможно использование лунского H2O как ресурс.
- Минусы: дополнительная логистика, высокий бюджет, технически тоже непростой этап.
- Рекомендация: гибридный путь — довести ECLSS/радиационную архитектуру в LEO, затем развернуть cislunar платформу как испытательный полигон для длительных систем и ISRU‑демонстраций перед отправкой на Марс. Это снижает риск «чистого» первого полёта на Марс.
7) Социально‑экономические факторы, влияющие на выбор сценария
- Стоимость vs время: бюджетные ограничения склоняют к поэтапному подходу; наличие больших коммерческих носителей (например, сверхтяжёлые ракеты) может позволить прямые варианты.
- Политическая воля и международное сотрудничество: разделение затрат и технологий (ECLSS, ЯРБ, ISRU) уменьшает риск.
- Коммерческий интерес (научные и технологические спины): стимулирует инвестиции в ISRU и модульность.
- Риск‑аппетит общества: большая вероятность одобрения «безопасных» поэтапных программ; прямые амбициозные проекты требуют сильной политической поддержки.
- Инфраструктура на Земле: подъём/логистика, заводы для производства компонентов, кадровая база.
- Долгосрочная ценность (научная/геополитическая/экономическая): сценарии с ISRU и повторным использованием дают лучшие экономические перспективы через снижение массы поставок с Земли.
8) Итоговая рекомендация (концентрат)
- Выстраивать миссию поэтапно: разработка высокоэффективного замкнутого ECLSS и штормового радиационного укрытия; кратчайший трансфер (NTP/SEP) для уменьшения дозы; запуск ISRU‑пилота на Марс с приоритетом O2 и воды; производство возвратного топлива только после доказанной устойчивой добычи.
- Подготовка: LEO → cislunar испытания длительных систем и ISRU → Марс‑экспедиция. Социально‑экономически оптимально развивать международные и коммерческие партнёрства для распределения затрат и технологий.
Если нужно, могу дать конкретные числовые примеры расчёта ресурсов для заданного размера экипажа (например, $N=4$) и длительности экспедиции.