Команда університету запропонувала висувні, пресurized тунелі для місій на Марсі

NASA та національне космічне агентство Китаю планують відправити екіпажі на Марс у найближчі десятиліття. В рамках архітектури місії NASA "Місяць до Марса" це передбачає використання інфраструктури, що була створена в рамках програми Artemis, для відправки екіпажів на Червону планету приблизно у 2030-х або 2040-х роках. Як і в програмі Artemis, ці місії завершаться створенням середовищ, які сприятимуть тривалим дослідженням і вивченню. Однак це супроводжується численними викликами, такими як тривалі транзити в далекий космос і небезпеки, пов'язані з тривалими періодами в мікрогравітації.

Прибувши на Марс, екіпажі зіштовхнуться з серйозними проблемами, такими як небезпеки роботи в розрідженій, непригодній для дихання атмосфері планети, екстремальні температурні коливання та підвищений рівень радіації. На щастя, ці виклики надихають на створення інноваційних концепцій від космічних агентств, їхніх дослідницьких інститутів та комерційних партнерів. У нещодавньому звіті команда Bioastronautics and Life Support Systems (BLiSS) з Мічиганського університету запропонувала активну, пресurized тунельну систему для з'єднання середовищ на поверхні Марса.

Концепція викладена в документі "LATCH: Легкі висувні тунелі для екіпажного проживання", який був поданий на щорічний конкурс інновацій M2M X-Hab 2026. Звіт є одним з кількох проектів, обраних NASA в рамках програми X-Hab, яка запрошує студентів університетів з усієї країни надавати концепції, прототипи та уроки, які допоможуть формувати майбутні космічні місії.

Професор Нілтон Ренн, що займає кафедру планетарних наук та космічного інженерії в Мічиганському університеті, є головним дослідником команди BLiSS. Проект також підтримується доктором Трейсі Пратер, відомим аерокосмічним і механічним інженером з Центру космічних польотів імені Маршалла NASA.

Виклики

Незалежно від місця - на Місяці чи на Марсі - підтримка безперервної присутності людини вимагає значних переміщень. Це означає транспортування екіпажів і вантажів з поверхні в орбіту, а також між поверхневими елементами, такими як середовища, транспортні засоби, посадкові майданчики тощо. Враховуючи специфіку місячного та марсіанського середовища, екіпажам потрібно буде надягати скафандри та виконувати поза-космічні активності (EVA) щоразу. Цей процес займає багато часу, включаючи години підготовки (попереднє дихання киснем), одягання, зниження тиску в шлюзі та прибирання після EVA.

Цей процес займає цілий день, і також наражає членів екіпажу на ризик декомпресії та впливу підвищеної радіації. Аналогічно, екіпажі повинні залишатися в скафандрах, коли входять або виходять з Марсіанського підйомного апарату (MAV), що є незручним через розміри самих скафандрів. Необхідність у скафандрах під час підйому та спуску також збільшує загальну вагу апарата, що підвищує витрати та необхідну кількість пального. Як зазначає команда у своєму звіті:

"Попередній аналіз Марсіанського підйомного апарату (MAV), який використовують екіпажі для переміщення до та з поверхні Марса, показує, що кожен скафандр EVA потребує на 560 кілограмів більше пального, ніж скафандр для внутрішньокосмічної активності (IVA). Крім того, скафандри EVA займають об'єм у ракеті-носії, приблизно такого ж розміру, як людина. Це вимагатиме більшого розміру кабіни, що, в свою чергу, вимагатиме більше маси пального."

Щоб усунути це навантаження, команда HATCH запропонувала "легку пресurized тунельну систему, яка може забезпечити активне позиціонування та з'єднання між екіпажними поверхневими активами на Марсі". Ця концепція передбачає тунелі, які можна буде розгортати за потреби для транзитів, а потім знову прибирати, коли вони не використовуються. Такі тунелі скоротять час транзиту до і з середовищ та посадкових майданчиків з цілого дня до кількох хвилин.

"Проект передбачає розробку концепцій для 'легкої пресurized тунельної системи', яка може 'забезпечити активне позиціонування та з'єднання між екіпажними поверхневими активами на Марсі'," зазначає команда.

Дизайн

Кожен тунель складається з надувної оболонки, структурних кілець, пасивного механізму розширення (керованого моторами та актуаторами), висувних поручнів і треків, а також одиниць зчеплення, встановлених на кожному сегменті. Ці тунелі інтегруються з кожним шлюзом на середовищі, яке екіпаж може розширити за допомогою інтерфейсу користувача (UI). UI також дозволить членам екіпажу та наземним контролерам спостерігати за станом тунелю, який регулярно контролюється датчиками на наявність витоків, забруднень або несправностей системи.

Процес починається з того, що член екіпажу обирає пункт призначення (MAV або інший поверхневий елемент), а потім інструктує UI розширити тунель до його люка. Пасивний механізм розширення також дозволяє членам екіпажу вносити точні корективи в його шлях, в той час як дані з датчиків і моніторинг наземних контролерів забезпечують зворотний зв'язок для вирівнювання та корекції траєкторії. Коли тунель повністю розширений і обидва кінці закріплені, тунель повільно заповнюється киснем і азотом.

Після підтвердження безпеки середовища датчиками та наземним контролем, тунель використовується, щоб дозволити до двох членів екіпажу пройти через нього з вантажем. Під час транзиту члени екіпажу, які не використовують тунель, отримуватимуть інформацію від UI про будь-які раптові проблеми безпеки. У разі надзвичайної ситуації автоматично активуються системи оповіщення (освітлення, поручні та інші необхідні допоміжні системи), щоб допомогти забезпечити безпечне досягнення членами екіпажу іншого боку тунелю.

Коли тунелі не використовуються, вони будуть знижені тиску і прибрані. Це запобіжить накопиченню радіації всередині і марсіанського пилу ззовні. Підтримка їх у прибраному положенні між використанням також забезпечує меншу вразливість до пошкоджень від уламків.

Тестування та оцінка ризиків

У рамках своєї пропозиції команда BLiSS надала повні моделі комп'ютерного дизайну (CAD) та прототип демонстратора тунелю та системи актуатора (разом з програмним забезпеченням для контролю) для тестування. Крім того, була розроблена комплексна матриця ризиків для ідентифікації та оцінки потенційних небезпек, які можуть вплинути на успіх майбутніх місій. Це дозволило команді BLiSS виявити різні технічні, часові, вартісні та безпекові ризики, які можуть загрожувати функціональності та безпеці їх системи.

Одним із значних ризиків є можливість деформації структури, коли астронавти перебувають всередині, що може призвести до травм або смерті. Щоб зменшити цей ризик, команда запропонувала додати додаткові балки підлоги та/або розгортальну підлогу для підтримки збільшених навантажень або нещасних випадків (наприклад, падіння вантажу). Команда також вжила заходів для зменшення ризику неточного з'єднання, яке може зробити систему непридатною, включаючи підхід мультисенсорної фузії з використанням LiDAR та комп'ютерного зору. Це дозволить виконувати перехресну валідацію між датчиками, що забезпечить корекцію курсу та виявлення малих рухів.

"Запроваджуючи надійні заходи пом'якшення та постійно моніторяючи й переоцінюючи ризики протягом життєвого циклу проекту, ми прагнемо мінімізувати перешкоди та максимізувати ефективність нашої тунельної системи в підтримці транспортування екіпажу між поверхневими активами під час космічних місій," зазначають вони.

Схожа концепція, подана інженерним департаментом Baldwin Wallace University, називається Tunnel Ready Elements for Active Deployment (T.R.E.A.D). Їх концепція також відповідає цілям конкурсу M2M X-Hab 2026: створити систему розширювальних тунелів, які з'єднують поверхневі елементи на Марсі, підкреслюючи повторне використання та запобігання накопиченню будівель і тунелів на поверхні, які більше не виконують місійні цілі.

Для своєї пропозиції команда Baldwin Wallace розробила систему актуаторів на основі подвійного тендона з пресurized міхурами. Кожен набір тендонів складається з чотирьох окремих кабелів, що керуються за допомогою системи лебідки, причому перший набір контролює початкову половину кривизни тунелю, а другий контролює фінальний відрізок. Система тендонів також слугує основним засобом для зворотного руху та забезпечує необхідну гнучкість для вигинання та корекції до нерівного рельєфу.

Ці та інші концепції є лише частиною останніх пропозицій щодо того, як астронавти житимуть і працюватимуть у позаземному середовищі Марса. З наближенням 2030-х років NASA та інші космічні агентства продовжать активізувати свої підготовки до відправки екіпажів на Червону планету. Методи, які будуть використані, та уроки, отримані з цих місій, напевно, сформують основу для життя поза Землею, якщо людство обере шлях, що веде нас до "міжпланетного" існування в майбутньому.