15.03.2021
Сколтех
6
1 912

В Сколтехе и MIT предложили оптимальную архитектуру лунного модуля

5.1

Исследователи из Сколтеха и Массачусетского технологического института (MIT) проанализировали несколько десятков вариантов и выбрали оптимальный по эффективности и стоимости вариант преодоления «последней мили» в рамках будущего полета на Луну − доставки астронавтов с орбитальной лунной станции на поверхность спутника Земли и обратно.

Посадочный модуль “Аполлон-11” / ©Getty images

Статья с описанием результатов исследования опубликована в журнале Acta Astronautica. С тех пор как в декабре 1972 года экипаж корабля «Аполлон-17» вернулся на Землю, человечество не расстается с мечтой вновь побывать на Луне. В 2017 году правительство США запустило программу «Артемида», цель которой – полет «первой женщины и следующего мужчины» на южный полюс Луны к 2024 году.

В программе «Артемида» планируется использовать новую лунную орбитальную платформу-шлюз Lunar Gateway в качестве постоянной космической станции, откуда многоразовые модули будут доставлять астронавтов на Луну. Реализация новой концепции потребовала разработки новых оптимальных схем посадки на поверхность Луны. Сегодня частные компании по заказу НАСА проводят исследования с целью создания новых многоразовых посадочных модулей, однако о ходе и результатах проводимых исследований пока не сообщается.

Студент магистратуры Сколтеха Кир Латышев, аспирант Никола Гарзанити, доцент Алессандро Голкар и профессор MIT Эдвард Кроули разработали математические модели для оценки наиболее перспективных схем посадки на Луну для программы «Артемида». В исторической программе «Аполлон», например, использовался лунный модуль из посадочной и взлетной ступеней, который доставлял двух астронавтов на Луну и обратно на корабль, оставляя посадочную ступень на Луне.

Исследователи исходили из предположения, что платформа Lunar Gateway будет располагаться на почти прямолинейной гало-орбите около точки Лагранжа L2 – эта орбита на сегодняшний день – предпочтительный вариант размещения станции, позволяющий высадку астронавтов на южном полюсе Луны. Ученые смоделировали вариант, в котором экипаж в составе четырех астронавтов проведет на Луне около семи суток, варьируя количество ступеней и тип топлива. В общей сложности было проанализировано 39 вариантов будущей системы посадки человека на Луну. В том числе, проведено сравнение наиболее многообещающих вариантов по стоимости проекта

Команда использовала комплексный подход к оценке альтернативных конфигураций посадочных модулей, проанализировав множество вариантов с помощью скрининговых моделей. Сначала специалисты определили базовый набор архитектурных решений, включая количество ступеней и тип топлива для каждой ступени посадочного модуля.

Полученные данные были обобщены в виде математических моделей, с помощью которых ученые провели комплексное численное исследование вариантов построения системы, комбинируя различные архитектурные решения. На заключительном этапе проанализировали полученное пространство решений и отобрали предпочтительные варианты, которые могут быть интересны специалистам, участвующим в проектировании лунных посадочных модулей.

Проведенный анализ показал, что для систем одноразового использования типа посадочных модулей «Аполлон» наиболее удачным решением с точки зрения суммарной массы топлива, сухой массы космического аппарата и стоимости запуска будет двухступенчатая архитектура. Однако для многоразовых кораблей, которые планируется использовать в рамках программы «Артемида», одноступенчатые и трехступенчатые системы быстро начинают конкурировать с двухступенчатыми.

Учитывая все допущения, сделанные в статье, можно утверждать, что «безусловный» лидер среди решений для краткосрочных лунных миссий — многоразовый одноступенчатый модуль на жидком кислороде и жидком водороде (LOX/LH2). Однако авторы подчеркивают, что это лишь предварительный анализ, в котором не учитываются такие факторы, как безопасность экипажа, вероятность успеха миссии, а также риски управления проектом. Для учета этих факторов потребуется более детальное моделирование на последующих этапах программы.

Кир Латышев отмечает, что в рамках программы «Аполлон» инженеры НАСА проводили аналогичный анализ и остановили свой выбор на двухступенчатой конфигурации модуля. Однако в то время лунная программа строилась на принципиально иной архитектуре, в которой отсутствовала лунная орбитальная станция, где можно было бы разместить лунный модуль в интервале между полетами. Это означает, что все полеты приходилось выполнять с Земли, используя одноразовые лунные модули, то есть создавая новый аппарат под каждую миссию. Кроме того, в отсутствии лунной орбитальной станции использование трехступенчатой системы посадки, которая рассматривается в наше время, не представлялось возможным.

«В исследовании мы получили интересный результат: если рассматривать одноразовые аппараты, оказывается, что даже при наличии орбитальной станции можно создать двухступенчатый посадочный модуль (аналогичный модулю «Аполлон») с меньшей массой аппарата и топлива и более низкими затратами, что в целом соответствует концепции, принятой в программе «Аполлон». Но использование многоразовых модулей все меняет.

Хотя одно- и трехступенчатые аппараты по-прежнему превосходят двухступенчатые по своей массе, они позволяют многократно использовать большую часть своей массы (приблизительно 70-100 процентов, а не 60, как в случае двухступенчатых модулей), при этом обеспечивая экономию затрат на производство и доставку новых аппаратов на орбитальную станцию, что ведет к удешевлению лунной программы в целом», − рассказывает Латышев.

Он добавляет, что важный фактор при проектировании пилотируемых космических систем — безопасность экипажа, но рассмотрение этого вопроса выходит за рамки исследования. «Безопасность – важный фактор, от которого зависит выбор схемы посадки. Использование многоступенчатых модулей может обеспечить больше возможностей для безопасного возврата экипажа на лунную орбитальную станцию в случае аварийной ситуации, что выгодно отличает многоступенчатый модуль от нашего «лидера» − одноступенчатой системы.

В отличие от одноступенчатого модуля, двух- или трехступенчатая система позволяет использовать для возврата экипажа как взлетный, так и посадочный модуль. В то же время ожидается, что в силу большей сложности у двух- и трехступенчатых систем будет выше риск возникновения технических сбоев по сравнению с одноступенчатыми системами.

То есть, выбор здесь снова неоднозначен – каждая схема имеет свои преимущества и недостатки», − добавляет Латышев. В будущем ученые планируют расширить рамки своей работы и провести комплексное исследование системной архитектуры всей исследовательской инфраструктуры, являющейся неотъемлемой частью всех перспективных программ пилотируемых космических полетов на Луну.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Вчера, 17:39
Илья Ведмеденко

(16) Психея – одно из самых необычных небесных тел в Поясе астероидов. Она может дать людям не только понимание о происхождении планет, но и невероятные по своим объемам ресурсы. Правда, придется подождать: миссия по исследованию астероида находится лишь в самом начале долгого и сложного пути.

21 января
Илья Ведмеденко

В конце 2021 года российским ВКС передали два новых Су-57. О поставке первого серийного истребителя пятого поколения сообщили в 2020-м.

Вчера, 09:18
Мария Азарова

Множество людей по всему миру привились вакциной CoronaVac китайского производства. По данным ученых из США и Доминиканской Республики, судя по всему, этот препарат практически не защищает от распространяющегося в последние месяцы омикрон-штамма с несколькими десятками мутаций в S-белке.

21 января
Илья Ведмеденко

В конце 2021 года российским ВКС передали два новых Су-57. О поставке первого серийного истребителя пятого поколения сообщили в 2020-м.

Вчера, 09:18
Мария Азарова

Множество людей по всему миру привились вакциной CoronaVac китайского производства. По данным ученых из США и Доминиканской Республики, судя по всему, этот препарат практически не защищает от распространяющегося в последние месяцы омикрон-штамма с несколькими десятками мутаций в S-белке.

21 января
Илья Ведмеденко

Российские специалисты приступили к сборке первого спутника, оснащенного плазменным двигателем VERA. Такие аппараты можно будет применять для дистанционного зондирования Земли, выявления стихийных бедствий и других задач.

26.12.2021
Александр Березин

Российская тяжелая ракета имеет все шансы взлететь после Starship, хотя ее начали создавать на 20 лет раньше, да и по параметрам она радикально уступает детищу Илона Маска. Попробуем разобраться, почему любая попытка создать классическую ракету в наши дни — пустая трата времени и средств. А заодно дать ответ на вопрос, какую космическую ракету на самом деле стоит создавать России.

12 января
Алиса Гаджиева

Дополнительное исследование вулканических пород формации Кибиш в Эфиопии изменило датировку найденных там костей Homo sapiens.

20 января
ТГУ

Ученые факультета физической культуры Томского государственного университета в рамках гранта, поддержанного РНФ, исследуют особенности механизма усвоения глюкозы при сахарном диабете второго типа. Для этого был организован масштабный четырехмесячный эксперимент на 240 мышах, подобного которому в мире еще никто не проводил. Животные с искусственно сформированным диабетом подвергались физической нагрузке. Установлено, что вечерние тренировки лучше снижали вес мышей мышей, а утренние – приводили к уменьшению уровня глюкозы. Предположительно, фактором, стимулирующим утилизацию глюкозы, выступил стресс. Ученые намерены проверить эту гипотезу.

[miniorange_social_login]

Комментарии

6 Комментариев

Исследование ради исследование без результатов исследования.
Так и непонятно в итоге, что лучше. Модель моделью (и что там за модель -?) , но в итоге "если так - то этак, а если этак - то так".
    15.03.2021
    -
    0
    +
    Ну самый экономичный способ доставки грузов на Луну испробовали еще в 1959 г. На АМС Луна-2 вообще обошлись без двигателей, станция просто врезалась в Луну на скорости 3 км/с, но вымпелы доставила. Интересно бы глянуть что от них осталось. Предполагалось что шарик с медальками взорвется при "посадке" и тем притормозит часть из них. Те вымпелы которым повезло лететь в правильном направлении должны уцелеть.
    +
      ещё комментарии
      Это известная история. Шаров с вымпелами было два, разных размеров. Любопытно, что в шарах была за взрывчатка - она должна быть, по идее, с очень низкой скоростью детонации, чтобы своим бризантным действием не подробить эти вымпелы. Остаться должны были вымпелы, отбрасываемые назад - по расчётам, если со скоростью 3 км/с, то относительно поверхность их скорость обнулялась. Но мгновенно разогнать осколок до 3 км/с подрывом тесно прилегающей взрывчатки - в моём понимании, очень высокий риск подробить его.
15.03.2021
-
1
+
Исследование которое не учитывает безопасность экипажа, а только эффективность доставки мягко говоря неполно.

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: