Данное исследование нацелено на разработку новых материалов для космических скафандров, предназначенных для миссий на поверхность Марса. В рамках исследования проводится анализ характеристик существующих скафандров, а также атмосферы Марса и её отличий от земной атмосферы и космического пространства. Предлагается вариант модернизации скафандров, используемых для выхода в открытый космос с Земли с целью возможности посещения Марса. Эта модернизация включает замену верхнего слоя скафандра на современные материалы и защитные покрытия, обеспечивающие защиту космонавтов от солнечного излучения, космической радиации и пылевых бурь.
Ключевые слова : космические скафандры, Марс, полиуретан, аэрогель, графен, атмосфера Марса, космическое пространство.
This research is aimed at developing new materials for space suits for missions to the surface of Mars. The study analyzes the characteristics of existing spacesuits, as well as the atmosphere of Mars and its differences from the Earth's atmosphere and outer space. An option is proposed to modernize spacesuits used for spacewalks from Earth to enable a visit to Mars. This modernization includes replacing the top layer of the spacesuit with modern materials and protective coatings to protect astronauts from solar radiation, cosmic radiation and dust storms.
Keywords : space suits, Mars, polyurethane, aerogel, graphene, Mars atmosphere, outer space.
Исследование Марса представляет собой одну из наиболее амбициозных задач человечества в области космической исследовательской деятельности. Вопросы, связанные с его атмосферными условиями, температурными колебаниями и сложными территориальными условиями, требуют глубокого понимания и инженерных решений на самом высоком уровне.
Для изучения Марса были разработаны различные программы, включая как автоматические миссии, так и планируемые пилотируемые высадки. Автоматические миссии, такие как Mars Pathfinder и Mars Science Laboratory (Curiosity), собирали ценные данные о поверхности и атмосфере планеты, предоставляя фундаментальную базу для будущих исследований. SpaceX под руководством Илона Маска разработала многоэтапную программу по исследованию и колонизации Марса, известную как «Mars Program» по доставке оборудования и ресурсов с целью создания устойчивой человеческой колонии.
Однако, помимо автоматических миссий, существует неотложная необходимость в человеческих высадках на Марсе, которые позволят значительно расширить возможности научных исследований и экспериментов на поверхности планеты.
Марс, как планета, обладает рядом уникальных факторов, которые влияют на условия исследований:
-
Атмосферные условия. Атмосфера Марса состоит из углекислого газа– 95 %, азота — 2,7 % и аргона — 1,6 %. Атмосферное давление разреженное (около 0,6 кПа). Плотность атмосферы составляет примерно 0,020
- Температурные колебания. Температуры на Марсе могут меняться от +133 К в ночное времядо + 393 К днем, что требует применения специальных теплоизоляционных материалов и технологий для защиты оборудования и инструментов.
- Пылевые бури. Пылевые бури на Марсе могут охватывать большие территории и продолжаться неделями, представляя вызовы для солнечных панелей и аппаратуры, а также ограничивая видимость и радиосвязь с Землей.
- Радиация. На Марсе космическая радиация представляет значительную угрозу для людей и технических систем из-за отсутствия плотной атмосферы, способной эффективно блокировать высокоэнергетические частицы и излучение.
Эти аспекты подчеркивают значимость разработки передовых технологий и материалов, необходимых для обеспечения безопасности и успеха предстоящих миссий на Марсе.
Для обеспечения безопасности человека на Марсе изучаются различные варианты существующих скафандров, созданных для защиты от неблагоприятных условий на поверхности планеты.
Поскольку большинство характеристик космического пространства вблизи Земли схожи с теми, которые присутствуют в космическом пространстве в целом, для выбора скафандра, пригодного для высадки на Марс, рассматривается существующий космический скафандр «МК Орлан». Этот скафандр в настоящее время используется в нашей стране для выходов в открытый космос и может служить базовым вариантом благодаря своей адаптированности к аналогичным условиям в космосе.
Космический скафандр «МК Орлан» (модернизированный, компьютеризированный) является российской разработкой, предназначенной для выполнения выходов и работы в открытом космосе. Вес данной модели составляет 110 килограммов.
Учитывая описанные выше негативные факторы, такие как пылевые бури и радиация на Марсе, является ясным, что основная проблема заключается в сохранении целостности наружного слоя скафандра, который подвержен повреждениям и может нарушить герметичность [1].
Рис. 1. Слои скафандра
1 — верхний слой; 2 — экранно-вакуумная теплоизоляция; 3 — противометеорная оболочка; 4 — силовая оболочка; 5 — основная герметичная оболочка; 6 — дублирующая герметичная оболочка; 7 — вентиляционный зазор; 8 — костюм с водяным охлаждением; 9 — нательное белье; 10 — тело человека
Для исключения влияния факторов, которые могут повлиять на работоспособность скафандра, проведено исследование различных материалов и определен необходимый объем нового наружного слоя. Учитывая, что масса играет ключевую роль в миссиях на Марсе, легкий вес скафандра становится одним из основных критериев. Выбор материала, обеспечивающего минимальную массу скафандра, существенно улучшит эффективность доставки экипажей на Марс и обеспечит успешное выполнение миссий. Учитывая, что гравитационная сила на Марсе составляет приблизительно 3,7 м/с², правильный выбор материала для скафандра становится критически важным аспектом для успеха миссии.
Исходными данными для основных вычислений согласно справочной информации принимаются следующие значения [4].
Площадь наружного слоя скафандра, S = 6
Толщина наружного слоя, h = 0,004 м.
где V — объем наружного слоя;
S — площадь наружного слоя;
h — толщина наружного слоя.
Таблица 1
Физико-механические свойства материалов
|
Материал |
Удельный вес (кг/
|
Предел прочности (МПа) |
Диапазон температур (К) |
Модуль упругости (ГПа) |
Теплопроводность (Вт/м
|
Коэффициент трения |
Коэффициент адгезии |
|
Полиуретан (НИЦ-ПУ 5-М) |
1050 |
20–80 |
+99 до +393 |
0,5–10 |
0,015–0,025 |
0,3 |
0,6 |
|
Аэрогель на основе оксида кремния (Pyrogel XT) |
3 |
0,1–1,5 |
+73 до +673 |
0,0001–0,003 |
0,01–0,05 |
0,05 |
0,35 |
|
Графен |
770 |
130000 |
+103 до +2000 |
1000 |
5000 |
0,05 |
0,75 |
Анализируя особенности Марса и возможные проблемы, с которыми могут столкнуться космонавты, первым материалом, рассмотренным в контексте использования в космических скафандрах для защиты от радиации, являлся полиуретан. Учитывая воздействие радиации на Марсе, Рассмотрены два способа улучшения внешнего слоя скафандра из полиуретана. Первый способ заключается во внедрении частиц графена в полиуретановый слой, что повышает его прочность и устойчивость к внешним воздействиям. Второй способ предусматривает внедрение частиц графена в полиуретановый слой с последующим нанесением на внешний слой аэрогеля на основе оксида кремния, что дополнительно улучшает защитные свойства и термостойкость материала.
Рассчитаем массу наружного слоя скафандра «МК Орлан», представленных в таблице 1.
1. Масса наружного слоя из полиуретана (НИЦ-ПУ 5-М)
где m — масса наружного слоя;
V — объем наружного слоя;
ρ — удельный вес полиэфира.
2. Аэрогель на основе оксида кремния (Pyrogel XT)
где V — объем наружного слоя;
По формуле (2) масса наружного слоя равна:
3. Полиуретан с внедрением частиц графена
Масса частиц графена, m = 0,04 кг
Масса наружного слоя (полиуретан (НИЦ-ПУ 5-М), m = 25,2 кг;
Для защиты от всех видов воздействий на Марсе лучше всего использовать полиуретановый слой с внедрением частиц графена и нанесением аэрогеля на основе оксида кремния. Этот материал обеспечивает максимальную прочность и устойчивость.
Исходя из расчетов, можно сделать вывод, что для миссий на Марс рекомендуется использовать полиуретан с внедрением частиц графена и нанесением аэрогеля на основе оксида кремния. Этот состав не только обеспечивает необходимую прочность материала, но и эффективно защищает от радиации, облучения и пылевых бурь, что критически важно для долгосрочных космических экспедиций на Марс. Учитывая минимальные изменения веса при использовании такого состава, он представляет собой оптимальное решение для обеспечения безопасности и долговечности материалов в условиях космоса.
Литература:
- Колодяжная И. Н. Исследование материалов для скафандров, применяемых в космическом пространстве / И. Н. Колодяжная, И. В. Сгибнева // Наука и бизнес: пути развития. — М.: ТМБпринт. — 2020. — Nº 1(103). — С. 13–17.
- Жизнеобеспечение в космосе. Космические скафандры. http://www.astronaut.ru/bookcase/books/sharp01/text/37.htm?reload_coolmenus
- Шибанов Г. П. Обитаемость космоса и безопасность пребывания в нем человека / Г. П. Шибанов. — М.: Машиностроение, 2007. — 543 с.: ил.
- Кикоин И. К. Справочник «Таблицы физических величин». — Москва, 1976.
