Добрый вечер, уважаемые пикабушники. В силу определённых событий потребовалось мне изучить Лунные программы России, Китая и США. И если говорить по первым двум, то конкретной информации не так-то и много. США же на данный момент, наиболее широко осветили свой прогресс в миссии Артемида. С наиболее общим обзором миссии Артемида можно ознакомиться в документе по этому адресу: https://www.nasa.gov/specials/artemis/
Но я речь в этом посте я хочу повести не об освоении Луны, а о перспективах куда более далёких, но о которых говорят уже сейчас. Поговорить я хочу об освоении Марса.  Сразу отмечу, что нижеследующее является исключительно моими размышлениями и не претендует на истину в последней инстанции.

О Марсе сейчас говорят все космические державы. И Россия заявляет о желании достичь Марса, и Китай и США. Как мне кажется, перспектива полёта к Красной планете весьма отдалённа, это вопрос даже не ближайших 30 лет. Слишком много вопросов и нерешённых проблем, начиная от надлежащей радиационной защиты и заканчивая сохранением работоспособности космонавтов после посадки на поверхность Марса. Кстати, у NASA имеется целая программа по исследованию в области исследования дальнего космоса: Human Research Program, и подробнее познакомиться с ней можно здесь https://humanresearchroadmap.nasa.gov/explore/

Цели и задачи

В условиях, когда уже озвучивается правовой статус марсианских колоний отдельными энтузиастами космической отрасли, более осязаемых целей, кроме построения поселений на поверхности Красной планеты, пока что, к сожалению, не озвучивается. Оно и понятно. Пока что все умы заняты первым шагом. Луной
Так всё-таки давайте попробуем ответить: зачем всё это?

"Потому что я могу" - ответ неинтересный и довольно расплывчатый, поэтому немного углубимся в него. Так как пока-что трудно сказать, что мы будем делать на Марсе, стоит обратить свой взор к более близким местам. И действительно, цели лунных миссий обретают сейчас всё более и более явственные формы и то, на что я обратил внимание, изучая имеющиеся планы NASA в этом направлении - это рассмотрение Луны как полигона для отработки структуры, технологий, а самое главное стратегии, которую будут примерять уже к марсианским миссиям. Поэтому, как мне кажется, уже сейчас можно экстраполировать имеющуюся информацию на некоторые аспекты гипотетической марсианской программы.
А для этого обратимся к обзору лунной программы Артемида, а именно Приложениям 1 и 2.

Что ж, можно сразу сказать с уверенностью, что Луна представляет интерес с научной и промышленной точек зрения.
Научный аспект полётов в дальний космос, в первую очередь, предполагает фундаментальные исследования: от планетообразования до изучения дальнего космоса. А также полигон для проведения некоторых научных экспериментов в области биологии и медицины.
К промышленным задачам относится в добыча и переработка полезных ископаемых прямо на месте, а также разработка методов борьбы с пылью и обеспечение трудовой и жизнедеятельности человека в экстремальных условиях, а также возведение всей необходимой инфраструктуры. Особенно важным в плане вопросов добычи ресурсов является, как мне кажется, толчок в развитии т.н. технологий "зелёной и ядерной энергетики. Россия может сыграть здесь весьма весомую роль, так как имеет хороший задел в области реакторов на быстрых нейтронах.
NASA к реализации обеих этих целей планирует широко привлекать частные организации. Уже в первые миссии Артемиды будет действовать программа по доставке на лунную орбиту и поверхность коммерческой полезной нагрузки. В дальнейшем же рассматривается  привлечение частных транспортных систем, а также создание посадочных модулей, транспортных средств и другой космической техники силами частных компаний. Пока что упоминаний об этом я не обнаружил, но вполне допускаю и создание частных модулей для окололунной станции GateWay.
Если спроецировать данную информацию на марсианские миссии, то выстраивается более-менее стройная картина:
- Марс как база для фундаментальных научных исследований;
- Марс, как источник полезных ископаемых.
Ну а если говорить в глобальном плане, то Марс послужит драйвером для развития науки и техники, что, в конечном итоге, повлияет на жизнь всего человечества.

Логистика

Хорошо, ладно. Но как же мы доберёрся до Марса? 
Варианты полёта к Марсу достаточно интересно описаны в книге "Пилотируемая экспедиция на Марс" большого авторского коллектива во главе с Коротеевым. К данному моменту концепции, конечно, претерпели изменения, но кое-какие проекты, которые сейчас реализует Роскосмос, были заложены довольно давно.

Например, использование электроракетных двигателей в комбинации с ядерной энергоустановкой (проект МЭК, 1960 г.). Так что идея "Нуклона" тянется с самого зарождения советской пилотируемой космонавтики. К моменту первых экспедиций к Марсу такие корабли, наверное, будут вполне реализуемы"в железе", и как мне кажется, именно они прочно войдут в практику, но это потребует создания определённой логистической структуры, и второй её частью - не менее важной - будут орбитальные станции.

Транспортные системы на основе ЯЭДУ не приспособлены к посадкам на поверхность планет. Тогда почему бы не создать некий транспортный узел, который позволит будущим колонизаторам отдохнуть после длительного перелёта после чего спуститься на поверхность планеты на более пригодном для этого аппарате? GateWay  уже сейчас рассматривается именно как такой транспортный узел. Вдобавок к этому, перемещающаяся по орбите станция повышает мобильность будущих экспедиций и повысить их безопасность.

А что же более традиционные и отработанные ЖРД? Именно при помощи них Илон Маск предполагает доставлять колонистов на Марс. В общих чертах, снабжённый жидкостными двигателсями StarShip должен будет взлететь с поверхности Земли, преодолеть весь путь до Марса, а затем сесть на его поверхность, после чего вернуться обратно. Понимая проблему топливного обеспечения, команда SpaceX также предусматривает в своём проекте необходимость дозаправки на орбите Земли (с помощью многоразовых топливных танкеров), а также пополнение запасов на поверхности Марса за счёт переработки ресурсов на его поверхности. Интересная концепция, учитывая, что стартап Orbit Fab планирует вывести в 2021 году первый спутник-заправщик. Так что как знать, может быть Starship или какой-нибудь другой пилотируемый космический аппарат будет заправляться пярмо на орбите после чего лететь к Марсу, где его будут поджидать такие же заправщики.

Вместо вывод

Конечно, рассмотренные сейчас аспекты не являются исчерпывающими. Можно затронуть ещё многие другие вопросы касательно того, как будет организована жизнь марсианских колонистов, с какими трудностями они столкнутся и какие достижения науки и техники они будут применять в тех сложных условиях, в которые они попадут. Но пока что я закончу на этом и подведут некий итог, обрисовав своё видение целей и задач, а также логистической организации марсианских миссий.
Итак: скорее всего на Марсе колонисты будут заниматься фундаментальными научными исследованиями, а также жизненно важными медицинскими и научными изысканиями.
Помимо этого им придётся заниматься добычей и переработкой ископаемых, а также строительством жизненно важной инфраструктуры.
Что касается организации космических полётов, то, как мне кажется, более интересными являются в этом плане являются космические аппараты с ядерной силовой установкой и электроракетными двигателями, курсирующий между планетами бех посадки на их поверхность, в связке с околомарсинской орбитальной станцией.

Благодарю за внимание, всем сего хорошего.

Тут и далее будут использованы скриншоты из видеопрезентации КБ «Арсенал».

Буксир в сложенном состоянии, ужатый по габаритам головного обтекателя (предположительно РК «Протон-М»).


Принцип действия и основные агрегаты

В носовой части находится ядерный реактор на высокообогащенном топливе (надо работать долго, а весить мало). Основная фишка - газовый теплоноситель - смесь гелия и ксенона (гелий обладает очень высокой теплоемкостью, а ксенон массой, смесь хорошо отводит тепло и может быть сжата/расширена в приемлемом режиме работы турбомашины).

В моём понимании (есть другие точки зрения) - для минимизации массы и повышения надёжности данная система должна быть одноконтурная. Газ из реактора циркулирует в панелях. На земле делают несколько контуров - но это, потому что теплоносителя целый пруд или река, а систему обслуживают люди, которым радиация вредна. В космос аппарат вывели и больше к нему в ближайшей перспективе никто не будет подлетать. А если подлетит, то внешняя радиация фонить будет на уровне самого реактора. Опять же второй контур требует для себя второго насоса для циркуляции теплоносителя. Соответсвенно вероятность отказа двух насосов больше чем одного. Выход из строя что первого, что второго контура, все равно нарушает процесс теплообмена.

В одноконтурной схеме есть компрессор - прокачивает газ через реактор и турбина, на которой газ, получивший энергию срабатывает и обеспечивает энергией компрессор, а также крутит генератор.

В ход пошла Википедия:

С - компрессор,
Т - турбина,
W - в нашем случае горячая зона реактора,
М - в нашем случае панели радиатора,
~ - электрогенератор,

Турбино-компрессорных пар на аппарате будет несколько из соображений дублирования и резервирования. Возможно 3 пары (но с четным количеством проще компенсировать крутящие моменты) со своим контуром панелей каждая.

На каждой паре, на одном валу с турбиной и компрессором стоит генератор. Он вырабатывает переменный ток, который через блоки трансформируется в постоянный, либо идёт на питание систем буксира.

Для охлаждения газа после его сжимания используются панельные радиаторы, которые при помощи излучения сбрасывают до 3.8 МВт тепловой мощности.

Выработанный генераторами ток идёт на питание ионных (плазменных) реактивных двигателей, использующих ксенон в качестве рабочего тела.


Далее про функционирование и порядок развертывание на орбите.

Чтобы аппарат «ожил» необходимо поймать связь с Землей, и начать процесс «раскрытия». Для этого необходимо привести в движение сервоприводы и запитать их от солнечных батарей. Реактор ещё не работает, аккумуляторы ещё понадобятся.

1. Первый процесс - раскрытие солнечных батарей.

Судя по размерам (порядка 8 м2) они будут обеспечивать до 1 кВт электрической мощности на Земной орбите.
На гранях хвостового «куба» можно заметить двигатели коррекции.

2. После раскрытия солнечных панелей и получения телеметрии, начинается процесс выдвижения фермы.

Ферма - почти гиперболоид инженера Гарина.
Внутри проходит кабельная сеть от реактора для питания двигателя и от батарей для питания систем до запуска реактора.
Учитывая телескопический механизм, скорее всего внутри ферм из оборудования ничего нет.

3. Далее начинается раскрытие панелей охлаждения (чёрные)

При раскрытии панелей видим «треугольник» белых панелей радиаторов. Так как они покрашены в белый цвет, значит им надо отражать солнечную энергии, а это значит, что ее мощность, сопоставима с мощностью излучения этих панелей (чёрное тело хорошо поглощает и хорошо излучает, белое плохо поглощает, и может приемлемо излучать), а это примерно 1 кВт/м2. Площадь данного радиатора около 60 м2. Он нужен для охлаждения низкотемпературных систем. Главные панели радиатора реактора для этого не подходят, так как теплоноситель в них имеет температуру выше 500 С. Учитывая, что на борту работают генераторы, компьютеры, сервоприводы управления реактором, без «холодного» теплоносителя не обойтись.
Например, на борту работают генераторы на 1000 кВт, при КПД 98% они потребуют отвода 20 кВт теплоты.
Под этим «треугольником» также находятся баки с запасом теплоносителя, чтобы восполнять естественные утечки.

На данном скриншоте видно, что на каждую панель идёт 2 прямых и 2 обратных магистрали, таким образом обеспечивается независимый контур теплоносителя на каждую секцию радиаторов.

4-ре белых коробки - возможно трансформаторы, либо иная часть системы электроснабжения. Опять же они белые, вынесены от всех радиаторов и находятся снаружи - значит постоянно греются.

В носовой части под «белым треугольном», вероятно, находятся системы управления, аккумуляторные батареи - радиаторы способны защитить электронику от основного потока космических частиц.

4. В хвостовой части открываются загадочные панели.

Стоит обратить. Внимание, стоят ровно за основными радиаторами, значит они не должны лишний раз нагреваться. Раньше такого не встречал.

Предположения:
- антенны для связи (но они тогда должны быть направлены):
- дополнительные радиаторы для охлаждения двигателей и системы преобразования электричества солнечных панелей (но трубок с теплоносителем не видно);
- научное оборудование, например, для исследования потока космических лучей (но тут слишком тонкие пластины для их улавливания).

Если есть обоснованное предположение - ославляйте в комментариях.

5. Запускается реактор

Тут есть сложность:
После запуска реактора, требуется его охлаждение теплоносителем. Для циркуляции теплоносителя нужно вращать компрессор. Для этого нужна энергия на турбине. А энергии на турбине, пока не будет разогрет реактор, нет. Соответсвенно, при запуске реактора требуется работа электродвигателя (используется генератор), для работы которого нужен хороший запас батарей. Процесс схож с запуском реактивного двигателя.
После запуска, генератор переключается в режим выработки энергии.

6. Включаются ионные двигатели

Оценка тяги и времени разгона на таких двигателях приведена в части 2.
В хвостовой части, в центре отсека, расположен бак с ксеноном, используемом двигателями в качестве расходного тела.
Также тут запасы топлива для двигателя коррекции.

Белая крышка в хвостовой части - для обслуживания. Данная точка для стыковки не подходит - ионники выбрасывают газ со скоростью 45 км/с, так что все что непосредственно за ними будет подвергнуто медленному, но верному прожигу.

Вторая нерешенная для меня деталь - охлаждение ионных (плазменных) двигателей. Даже при КПД 90% надо будет отдавать в космос 100 кВт тепла. И тут 2 варианта:
- на двигатели идёт далеко не вся мощность реактора, и стоят двигатели 25 кВт (тут возникает вопрос во временни перемещения такого аппарата);
- стоит система охлаждения из двух контуров (тогда вопрос, при какой температуре сохраняет работоспособность ионник?).

Если двигатели охлаждаются главными панелями, то тогда трубопроводы идут через всю ферму, так как основные радиаторы имею соединение трубопроводов в носовой части, что тяжело технологически. Остаётся охлаждение корпусными панелями хвостового «куба». Теоретически должно хватить.

Что не нашёл:
- двигатели ориентации в носовой части.
- явные места для крепления целевой нагрузки;
- параболические антенны дальней связи.

Что осталось непонятным:
- панели в хвостовой части;
- охлаждение ионных двигателей.


На этом серию про буксир закончу, пока не обнародуют новые данные.

Надеюсь на решение «загадок дыры» в комментариях.

«Контракт на аванпроект по космическому комплексу «Нуклон» будет заключен к концу этого года. Космический буксир с атомным реактором из состава данного комплекса будет использоваться для полетов к дальним планетам Солнечной системы, его первая миссия запланирована на 2030 год», – приводит слова Блошенко ТАСС.

Говоря о программе полета буксира «Нуклон», исполнительный директор отметил, что «это будет не просто тестовый старт с «черным ящиком», а сразу полноценная научная программа».

В частности, на первом этапе миссии в 2030 году буксир состыкуется в космосе с модулем полезной нагрузки и отправится к Луне, где проведет ее зондирование и оставит на ее орбите научно-исследовательский спутник. На втором этапе связка космического буксира и модуля полезной нагрузки полетит к Венере, причем на пути к планете возможно проведение испытаний по дозаправке буксира топливом (газом ксенон).

«У самой Венеры от модуля полезной нагрузки также отделится исследовательский спутник, а сам буксир с оставшейся научной аппаратурой совершит гравитационный маневр и перейдет к осуществлению третьего этапа миссии по перелету к конечной точке – спутнику Юпитера и его исследованию», – сообщил Блошенко.

Исполнительный директор уточнил, что по конструкции космический буксир будет представлять собой транспортно-энергетический модуль с открытой архитектурой. Его главные особенности – способность автономно вырабатывать энергию за счет ядерного реактора мегаваттного класса в течение длительного времени и возможность перевозить различные полезные нагрузки. Для понимания энергетических возможностей нового космического буксира Блошенко отметил, что, для сравнения, Международная космическая станция с помощью своих солнечных батарей вырабатывает не более 60 киловатт энергии.

Напомним, в январе Роскосмос раскрыл сроки запуска ядерного космического буксира.

В августе 2019 года макет российского космического ядерного буксира впервые показали общественности на Международном авиакосмическом салоне МАКС.

Газета ВЗГЛЯД рассказывала, что создание «ядерного буксира» откроет России дорогу на Марс.

Текст: Антон Никитин

via