Реалистичная программа колонизации Марса без планов терраформирования.

[sharp]

Поймите, Маск не дурак, и, если при заданных размерах был бы шанс сохранить управляемость кораблём в полтора раза большей массы, то он бы просто увеличил массу ПН или уменьшил размеры BFS.

Пилотируемый BFS у Маска должен долетать до Марса за короткий промежуток времени, это усложняет прилет и вынуждает для аэробрейкинга придумывать танцы с бубном. Вы недооцениваете, насколько велика разница в прилете по гоману и по высокоэллиптической траектории. Ниже это будет показано это наглядно.

А теперь добавьте к разнице между гомановской и гелиоцетрической орбитальной скорости, скорость, которую корабль наберёт за счёт гравитации Марса - наверняка ведь этого не сделали.

Вообще-то сделал, а вы? Когда в последний раз считали орбитальные параметры чего бы то ни было?

Итак, возьмем нашу любимую шпаргалку с блекджеками и с траекториями и характеристиками переходных орбит:

(кликните для показа/скрытия)

Будем рассматривать траектории 1 - гомановская, и 4 - высокоэллиптическая со временем перелета, близким к тому, которое хочет Маск.

Здесь не указаны гелиоцентрические скорости на момент прилета, но мы не лыком шиты, у нас есть очень простая формула орбитальной скорости (надеюсь, отображение формул у вас включено):
\(v_{p} = \sqrt{GM_{s}*(\frac{2}{r} - \frac{1}{a})} \)

1. Гомановская переходная орбита
Видим, что для гомановской траектории скорость в афелии v_a = 21400 м/с, при этом орбитальная скорость Марса = 24000 м/с. Скорости практически сонаправлены, поэтому относительную скорость можно получить простым вычитанием: dv = 2600 м/с.

Переходим к самому интересному, скорости при сближении с Марсом, ее проще всего определить из ЗСЭ:

\( v_{p} = \sqrt{v_{0}^{2} + \frac{2GM_{m}}{r}} \)

При r = 3400 км, и начальной скорости на удалении v₀ = 2600 м/с, получаем скорость в перигее v_p = 5600 м/с.

Это лишь на 600 м/с превышает 2-ю космическую Марса. То есть даже небольшого торможения 700-800 м/с достаточно, чтобы остаться на орбите, которая правда будет с высоким эксцентриситетом. Но повторными проходами перигея мы все равно сбросим эту скорость до 3,6 км/с и понизим орбиту до желаемой, пусть не в 1, а в несколько приемов.
Именно так кстати делали, например, с аппаратом TGO.

В общем, вывод: прилетая с гомана, остаться на орбите - вообще как делать нефиг

2. Теперь разбираем высокоэллиптическую переходную орбиту.
Большая полуось a = 1,977 a.е. Нас интересует, разумеется, уже не скорость в афелии этой переходной орбиты, а в момент рандеву с Марсом, r = 1,52 а.е. По все той же формуле имеем:
v_r = 27000 м/с.

Разницу скоростей в этом случае уже нельзя вычислить простым вычитанием - угол между векторами около 20%. Немного тригонометрии дает нам, что относительная скорость dv = 9300 м/с.
А скорость при сближении с Марсом и вовсе 10500 м/с.

Теперь улавливаете, для чего Маску нужны выкрутасы с гиперзвуковым маневрированием? Скорость аж на 5 км/с превышает 2-ю космическую, и тут недотормозив, можно неиллюзорно отправиться на свидание с "Роадстером".

В общем, нужно понимать, что посадочный BFS и орбитальный сближаются с Марсом в принципиально разных начальных условиях, и трудность задачи для посадочного выше на порядки.

Бонусом выложу картинки околомарсианского транзита с гомановской и высокоэллптической орбит (понятное дело, эти траектории не учитывают атмосферу). Рисовалось в паинте, масштаб кривизны попытался сохранить Интересно кстати, что в первом случае эксцентриситет гиперболы e=1,58, а во втором =8. Почувствуйте, как гритсо, разницу.

[Кремальера]

Интересно что на шпаргалке есть траектория V(параболическая).Время перелета там всего 69 сут.И BFS полностью заправленный на НОО вполне сможет полететь и по ней.Однако сможет ли он затормозить,вопрос открытый..

[Андрей Астрофизический]

Однако сможет ли он затормозить,вопрос открытый..

Ну, скажем так. Плотность соответствующих слоев атмосферы Марса известна. Поведение ракет F9 и FH в слоях земной атмосферы аналогичной плотности, сотрудникам SpaceX и самому Маску должно быть известно из практики. Поведение BFS в таких же по плотности слоях, вероятно теоретически тоже примерно подсчитано, а в скором времени и на практике будет известно тоже.
То что тут происходит ломание копий вокруг вопроса сможет ли или не сможет затормозить/удержаться в относительно плотном слое атмосферы, ну господа, это не очень осмысленное занятие так то. Мы тут детальными аэродинамическими показателями BFS не располагаем.
Но ввиду того что на нем планируется в том числе доставка людей на Марс. Я предположу, что аэробрекинг на грани возможного, критически необходимый для посадки - это не очень приемлемый вариант. И так делать не будут - а вдруг что-нибудь пойдет не так.
Скорее всего аэродинамические характеристики BFS будут давать некоторый запас свободы маневра, плюс-минус на компенсацию каких-то не совсем штатных отклонений от траектории. Они (характеристики) должны давать такой запас. Если не дают, значит подкрутят аэродинамику, чтоб было. В том числе, чтобы означенная в генеральном плане траектория спуска на Марс была, кхм, не единственным возможным и осмысленным сценарием поведения BFS на подлете к Марсу. Я не могу знать точно, но это мне кажется логичным.

[Technecy]

В общем, нужно понимать, что посадочный BFS и орбитальный сближаются с Марсом в принципиально разных начальных условиях, и трудность задачи для посадочного выше на порядки.

Что и требовалось показать.
К сожалению вынужден ванговать что оппонента сие не убедило. А мы будем и дальше слушать про "истрибительную управляемость", "свечки" и прочие фигуры высшего пилотажа...

[noxx77]

В общем, нужно понимать, что посадочный BFS и орбитальный сближаются с Марсом в принципиально разных начальных условиях, и трудность задачи для посадочного выше на порядки.

Что и требовалось показать.
К сожалению вынужден ванговать что оппонента сие не убедило. А мы будем и дальше слушать про "истрибительную управляемость", "свечки" и прочие фигуры высшего пилотажа...

Пора заводить тему "Реалистичная программа колонизации Марса без Маска.

[cybertron]

"Реалистичная программа колонизации Марса без Маска.

Первым пунктом в этой программе будет: "Подождать лет 50."

[Андрей Астрофизический]

"Реалистичная программа колонизации Марса без Маска.

Первым пунктом в этой программе будет: "Подождать лет 50."

Или 150...

[Technecy]

"Реалистичная программа колонизации Марса без Маска.

Первым пунктом в этой программе будет: "Подождать лет 50."

Или 150...

Никогда не откладывай на завтра то, что можно не делать никогда.
Не. Это будет первым пунктом в теме "реалистичная программа НЕ колонизации". Хоть с Маском хоть без.

[Изобретатель]

Цитата: sharp от Сегодня в 14:30:45
В общем, нужно понимать, что посадочный BFS и орбитальный сближаются с Марсом в принципиально разных начальных условиях, и трудность задачи для посадочного выше на порядки.
Что и требовалось показать.
К сожалению вынужден ванговать что оппонента сие не убедило. А мы будем и дальше слушать про "истрибительную управляемость", "свечки" и прочие фигуры высшего пилотажа...

И тут вылезает естественное достоинство водорода.Во первых более высокая ХС  РН что позволяет притормозить перед входом в атмосферу, на порядок облегчая задачу.Больший обьем баков т е увеличение размера также облегчает торможение с грузом.Да и получение водорода на Марсе проще и экономичнее чем метана.

[noxx77]

"Реалистичная программа колонизации Марса без Маска.

Первым пунктом в этой программе будет: "Подождать лет 50."

Или 150...

Никогда не откладывай на завтра то, что можно не делать никогда.
Не. Это будет первым пунктом в теме "реалистичная программа НЕ колонизации". Хоть с Маском хоть без.

Насчёт колонизации, конечно, непонятно вообще зачем. Нафига там яблони и миллион населения. А вот насчёт обитаемой базы со всеми ништяками смысл подумать есть (как вариант), потому что пинг и ограничения трафика. Другой вариант: база на Фобосе/Деймосе + автоматы на поверхности + спутники связи. Три - развивать ИИ до уровня хорошего водителя по пересечённой и робота-исследователя, способного самостоятельно решать исследовательские задачи.

[noxx77]

Больший обьем баков т е увеличение размера также облегчает торможение с грузом.

Как насчёт плоскостей?

Да и получение водорода на Марсе проще и экономичнее чем метана.

Зато хранение - нет. Испаряется.

[Rattus]

Точнее просачивается через стенки баков и клапаны, попутно растворяясь в металлах, делая их хрупкими.

[crazy_terraformer]

Нафига там яблони и миллион населения.

В случае потери воздуха ни дрова, не мясо и сухофрукты не пропадут.

[Technecy]

развивать ИИ до уровня хорошего водителя по пересечённой

Как судья РАФ и FIA в трофи и триале могу ванговать что поставленная вами задача- весьма не тривиальна и решена скорее всего не будет.

[Изобретатель]

Зато хранение - нет. Испаряется.

Как насчёт плоскостей?

Точнее просачивается через стенки баков и клапаны, попутно растворяясь в металлах, делая их хрупкими.

1.Чуть быстрее чем метан,но холодильники еще никто не отменял.Энергия от топливных элементов,СБ на корабле не нужны будут для фунциклирования.Заодно и водичка для космонавтов.2.ПМСМ лучше все таки за счет миделя.Плоскости (тормозные щитки (и)или решетки )только для управления.3.Насколько я знаю есть материалы не пропускающие водород.Конструкция РН и баков предполагается из углепластиков.Ну и плюс плакирование.

[Valerij56]

   
Это лишь на 600 м/с превышает 2-ю космическую Марса. То есть даже небольшого торможения 700-800 м/с достаточно, чтобы остаться на орбите, которая правда будет с высоким эксцентриситетом. Но повторными проходами перигея мы все равно сбросим эту скорость до 3,6 км/с и понизим орбиту до желаемой, пусть не в 1, а в несколько приемов.

 
Ну, хорошо, я был не прав, и вы доказали, что BFS, в принципе, может по гомановской траектории доставить на Марс или на орбиту вокруг Марса значительно большую ПН, чем по "быстрой" траектории. С этим, в общем случае никто и не спорил.
   
Может ли она так доставить топливо или большую орбитальную станцию на основе BA-2100 от Бигелоу - вопрос глубоко отдельный, так как размещение топлива в баках или размещение объёмного груза изменит центровку. Обратите внимание на то, что грузовой отсек BFS находится в центре корпуса, примерно там, где центр давления. Но в принципе, становится видимой интересная возможность доставить на орбиту вокруг Марса тяжёлую орбитальную станцию, так как эти смещения разнонаправлены, а у BFS после доставки остаётся топливо для посадки.
   
На самом деле я зря ввязывался в этот спор, так как в самом бредовом плане могут быть вполне реалистичные моменты. Возможность доставки по гомановской траектории с помощью BFS на Марс или на орбиту вокруг Марса значительно большей ПН, чем по "быстрой" траектории никак не придаёт смысла спасательному кораблю на орбите. Астронавты в любом случае не полетят на Марс раньше, чем там будут созданы запасы топлива для их возвращения.
   
Снова повторяю:
строить систему для эвакуации с Марса астронавтов, находящихся на Земле - собачий идиотизм.
   
З.Ы.
Все плановые "грузовики" на Марс и так полетят по Гоману. А люди - по какой-то промежуточной между гомановской и быстрой траектории.

[Valerij56]

Однако сможет ли он затормозить,вопрос открытый..

Ну, скажем так. Плотность соответствующих слоев атмосферы Марса известна. Поведение ракет F9 и FH в слоях земной атмосферы аналогичной плотности, сотрудникам SpaceX и самому Маску должно быть известно из практики. Поведение BFS в таких же по плотности слоях, вероятно теоретически тоже примерно подсчитано, а в скором времени и на практике будет известно тоже.

   
Абсолютно согласен, и все мои умозаключения с самого начала исходят из этого посыла.
       

Но ввиду того что на нем планируется в том числе доставка людей на Марс. Я предположу, что аэробрекинг на грани возможного, критически необходимый для посадки - это не очень приемлемый вариант. И так делать не будут - а вдруг что-нибудь пойдет не так.
Скорее всего аэродинамические характеристики BFS будут давать некоторый запас свободы маневра, плюс-минус на компенсацию каких-то не совсем штатных отклонений от траектории. Они (характеристики) должны давать такой запас. Если не дают, значит подкрутят аэродинамику, чтоб было. В том числе, чтобы означенная в генеральном плане траектория спуска на Марс была, кхм, не единственным возможным и осмысленным сценарием поведения BFS на подлете к Марсу. Я не могу знать точно, но это мне кажется логичным.

   
Здесь и подкручивать ничего не надо, достаточно выбрать траекторию, с одной стороны более быструю, чем Гомановская, с другой обеспечивающую безопасную посадку в атмосфере Марса. Это на "шпаргалке" представлены конкретные траектории, на самом же деле существует непрерывный спектр возможных траекторий, от гомановской до параболической. Причём для доставки людей может быть принята вообще не рассматриваемая нами схема с реактивным торможением при подлёте к Марсу, что позволяет значительно облегчить режим посадки.
   

Пилотируемый BFS у Маска должен долетать до Марса за короткий промежуток времени, это усложняет прилет и вынуждает для аэробрейкинга придумывать танцы с бубном.

   
Да, но мы знаем, что в планировании этого полёта наверняка будут принимать участие специалисты НАСА, располагающие всей возможной информацией, и обоснованно предполагаем, что в составе первого экипажа будут астронавты НАСА, что означает необходимость сертификации всей техники и планов миссии в НАСА. Так что никаких танцев с бубном не будет.
   
Отсюда можно, кстати, предполагать, что Маску потребуется предусмотреть на BFS, предназначенных для доставки людей с Земли на орбиту каких-то систем спасения. То есть предназначенная для полёта на Марс BFS будет запускаться на орбиту заранее и без людей, которые будут доставляться на неё отдельным запуском BFS, оснащённой системой спасения.

[Valerij56]

И тут вылезает естественное достоинство водорода.Во первых более высокая ХС  РН что позволяет притормозить перед входом в атмосферу, на порядок облегчая задачу.Больший обьем баков т е увеличение размера также облегчает торможение с грузом.Да и получение водорода на Марсе проще и экономичнее чем метана.

   
На метане с заправкой на НОО тоже можно тормозить. Более того, в презентации 2016 года iTS собирались запускать именно по этой схеме.
Про больший объём баков отчасти согласен, но больший объём баков - это ещё и большая площадь более мощной теплоизоляции. И, если топливо (метан) при торможении тратится и масса КА снижается, то масса теплоизоляции никуда не девается.
А вот простое и экономичное (по сравнению с метаном) производство водорода на Марсе - миф, тем более, что его ещё и хранить надо.

[sharp]

Ну, хорошо, я был не прав, и вы доказали, что BFS, в принципе, может по гомановской траектории доставить на Марс или на орбиту вокруг Марса значительно большую ПН

Ну наконец-то

С этим, в общем случае никто и не спорил.

Вы спорили.

Астронавты в любом случае не полетят на Марс раньше, чем там будут созданы запасы топлива для их возвращения.   
Снова повторяю:
строить систему для эвакуации с Марса астронавтов, находящихся на Земле - собачий идиотизм.

Вы думаете, повторение мантр и ругательств придает убедительности вашей позиции? Вот прочитают молчаливые читатели от вас "собачий идиотизм" и подумают, что раз до крепкого словца дошло, значит, наверное, так оно и есть
На самом деле подобные методы спора только выдают некоторую экзальтированность вашей позиции и нежелание приводить аргументы...

Эта тема ведь для того и существует, чтобы определить, что является более реалистичным. И если выясняется, что полностью автономная техника, способная к длительной добыче и производству на Марсе - дело значительно более далекого будущего, чем корабли - то понятное дело, что нужно идти по пути наименьшего сопротивления.
Сначала будет сделано несколько демонстрационных беспилотных миссий, с доставкой оборудования и попутной демонстрацией возможности возвращаемого полета без ISRU - по двухкорабельной схеме. После чего уже начиная с этого момента не будет никаких препятствий для полета астронавтов.

А топливный ISRU появится позже - по мере расширения базы, наращивания присутствия астронавтов, операторов, ученых и активной техники.

Именно в этом и заключается самый реалистичный путь колонизации: база рождает колонию.

[Valerij56]

Насчёт колонизации, конечно, непонятно вообще зачем. Нафига там яблони и миллион населения. А вот насчёт обитаемой базы со всеми ништяками смысл подумать есть (как вариант), потому что пинг и ограничения трафика. Другой вариант: база на Фобосе/Деймосе + автоматы на поверхности + спутники связи. Три - развивать ИИ до уровня хорошего водителя по пересечённой и робота-исследователя, способного самостоятельно решать исследовательские задачи.

   
На счёт колонизации понятно, что вам - нафига. А вот собравшимся по призыву Маска в Колорадо народу интересна как раз колонизация, они именно в этом свой интерес видят. При этом, разумеется, что Марсианская Колония при создании естественным образом будет проходить этап "обитаемой базы со всеми ништяками".
   
Кстати, ИИ "на уровне хорошего водителя по пересечённой" на Земле давно реальность. В городах, с движением с живыми людьми и пешеходами проблем намного больше. В космосе такой ИИ сейчас не применяется, хотя бы потому, что лучший радиационностойкий процессор имеет архитектуру Пентиума-2, и не обеспечивает необходимой вычислительной мощности, а радиационностойких сенсоров для него, наверно, и вообще нет. Задачи подготовки колонизации и создания низкоорбитальных созвездий между делом обеспечивают и платежеспособный спрос на радиационностойкую электронику новых поколений, к тому же выпускаемую относительно большими тиражами.
   
Все варианты на орбите вокруг Марса и на Фобосе/Деймосе, кроме создания служебной инфраструктуры связи, позиционирования и съёмки поверхности, в том числе, периодически с высоким разрешением, будут проводиться с опорой на предварительно созданную инфраструктуру на Марсе. Нет смысла везти топливо с Земли, если оно есть относительно рядом - на Марсе. Нет смысла управлять роботами с орбиты, если это можно делать из защищённых слоем марсианского грунта помещений. К тому же проводить регламентные работы и ремонт сподручнее в герметичных ангарах без скафандров.