Научно-исследовательский проект «Полететь, чтобы вернуться с победой!»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение лицей

 «Полететь, чтобы вернуться с победой!»

Выполнил: Захаров Дмитрий

Александрович

учащийся 8 класса МБОУ лицея

Педагог-консультант:

Лучина Татьяна Владиславовна

2013 год

Оглавление

Введение

Когда в небесах жуткий холод сквозил,

И вестник космических бурь мёртвым прибыл,

Явилась заря, красной пеной полна,

И первая женщина с неба сошла.

В скафандре, блестящем от пыли со звёзд,

С глазами красивыми, полными слёз.

И вынув свой бластер из ножен, сняв шлем,

Она целовалась с зарёй новых сфер.

И Марс её принял и крепко обнял,

Сам встретил у входа и власть в руки дал.

После наиболее величественного события в истории космических исследований - отправление первого человека в космос, прошло уже полвека.

Осуществилась мечта Валентины Терешковой первой в мире женщины о полете в космос. Но космос Валентину Терешкову не отпускает и сейчас. По ее признанию, у нее есть только одно хобби — «удивительная, загадочная Красная планета, о которой мы с Сергеем Павловичем Королевым мечтали несколько десятилетий назад». «Я готова полететь на Марс и даже не возвращаться», — призналась она как-то журналистам.

Первый пилотируемый полет на Марс, скорее всего, будет осуществлен "в одну сторону", считает первая в мире женщина-космонавт герой Советского Союза Валентина Терешкова.

 "Это (Марс) моя любимая планета. После космического полета я работала вместе со специалистами Института имени Вернадского по изучению планеты Марс. Конечно, это мечта — побывать на Марсе, узнать, была ли там жизнь. Если была, то почему ее не стало? Какая катастрофа произошла с этой планетой? Наверное, специалисты работают над этой проблемой, нужен корабль. Скорее всего, первые полеты на Марс будут в одну сторону, я так думаю. Я готова (полететь), но, к сожалению, это будет не так быстро", — сказала Терешкова на пресс-конференции, посвященной 50-летию ее полета в космос.

         Согласно "Стратегии развития космической деятельности России до 2030 года и на дальнейшую перспективу", период после 2030-го года характеризуется практической реализацией масштабных проектов освоения ближнего космоса, Луны и созданием условий для осуществления пилотируемого полета на Марс.

Сведения о Марсе

Марс - четвертая по порядку от Солнца большая планета в Солнечной системе и ближайшая к Земле верхняя (внешняя) планета. Она принадлежит к земной группе планет и носит имя римского бога войны.

Атмосфера Марса состоит из углекислого газа - 95,3 %, азота - 2,7 %, аргона - 1,6 %, кислорода - 0,13 %, угарного газа - 0,08%, остальное - это малые составляющие. При этом содержание водяного пара сильно колеблется и никогда не превышает 0,2%. Давление атмосферы у поверхности составляет 0,005-0,007 от давления земной атмосферы. Иногда в атмосфере Марса наблюдаются легкие, светлые облака.

Примитивные формы земной жизни вполне могли бы существовать на Марсе. Однако все биологические эксперименты на его поверхности, поставленные с помощью космических аппаратов для поисков марсианской жизни, дали отрицательный результат. Вывод о наличии жизни на Марсе был сформулирован следующим образом: “Жизни, подобной земной, на поверхности Марса не обнаружено”. Однако здесь следует обратить внимание на отдельные части этой формулировки: “подобной земной” - т. е. белковой жизни, правда, не ясно, как искать совершенно незнакомую нам небелковую жизнь; “на поверхности Марса” - не означает, что ее нет под поверхностью; “не обнаружено” - не значит, что ее нет.

В настоящее время Марс не имеет магнитосферы. Однако в некоторых регионах планеты существуют локальные магнитные поля. Их напряженности иногда превышают напряженность земного магнитного поля в десятки раз. Вероятно это остатки глобального магнитного поля, существовавшего на Марсе ранее. 

Поверхность планеты почти всегда хорошо видна сквозь ее слабую и почти всегда прозрачную атмосферу. При наблюдениях в телескоп с Земли поверхности Марса на ней были обнаружены некоторые детали. Светлые области, занимающие 2/3 площади поверхности, и темные области, покрывающие 1/3 площади поверхности, которые были названы, как и на Луне, материками и морями соответственно. С Земли хорошо различаются полярные шапки. Неоднократно сообщалось, что на поверхности Марса существуют каналы, соединяющие моря. В результате проведения с помощью космических аппаратов полного картографирования поверхности Марса выяснилось, что она очень разнообразна.

         На поверхности Марса расположены горные системы, хребты, плато, плоскогорья и комплексы пересекающихся долин. Она изрезана сухими руслами высохших рек и потоков. Среди находящихся там нескольких гигантских потухших вулканов выделяется самый большой вулкан в Солнечной системе, названный “Олимпус монс” - гора Олимп. Его высота 25 километров над уровнем окружающей местности, а поперечники - 600 километров у основания и 65 километров у вершины. Для сравнения: высота Эвереста - 8,848 километров над уровнем моря, а высота потухшего вулкана Мауна-Кеа на острове Гавайи - 9,1 километра над уровнем океанского дна и 4,2 километра над поверхностью океана. Поверхность планеты рассечена долиной “Маринера”, имеющей длину около 3000 километров, ширину до нескольких десятков километров и глубину от 2 до 6 километров.

Пылевые бури часто наблюдаются на Марсе в виде локальных желтых облаков. Однако, иногда происходит так, что буря охватывает всю поверхность планеты. Процесс ее развития занимает всего 5-15 суток, и при этом граница охваченной бурей зоны перемещается со скоростью 10-15 м/с. Такие глобальные события наблюдались в 1922, 1956 и 1971 годах и продолжались несколько месяцев. Как выяснилось теперь, глобальные пылевые бури случаются гораздо чаще. Редкие же их регистрации объясняются наблюдательной селекцией, связанной с несовершенством существовавших средств наблюдений. На самом деле начало развития такой бури обычно совпадает со временем прохождения планетой перигелия, когда инсоляция планеты максимальна, а это происходит через каждые 1,88 земного года. Раз в 15–17 лет на эти же моменты приходятся и великие противостояния Земли и Марса. Таким образом, в наиболее удобные периоды для наблюдений этой планеты с Земли она оказывается окутана непроницаемыми пылевыми облаками.

Спутники планеты: Фобос - Phobos (13,3*11,1*9,1 км) и Деймос - Deimos (7,5*6,1*5,5 км), открытые 1877 году, имеют неправильную форму и, возможно, являются захваченными Марсом астероидами. Периоды их обращения 7 час. 39 мин. и 30 час. 18 мин., а радиусы их орбит 3,6 и 7,8 радиусов Марса соответственно. В связи с тем, что период обращения Фобоса много короче марсианских суток, он, обгоняя собственное вращение планеты, восходит на марсианском небосводе на западе, заходит на востоке и успевает пройти через весь марсианский небосвод три раза в сутки. Поверхности этих спутников покрыты метеоритными кратерами с такой же плотностью, как поверхность лунных материков, что говорит об их одинаковом возрасте - 3,5 млрд. лет. Кроме кратеров на Фобосе обнаружены почти прямые борозды шириной около 100 м, происхождение которых представляется в высшей степени загадочным. Деймос имеет более правильную форму, чем Фобос. На его поверхности несколько меньше кратеров, что может объясняться тем, что выбросы из одних кратеров засыпали другие.

Предполагается, что у Марса более мощная, чем на Земле кора - толщиной около 100 километров. Силикатная мантия толщиной несколько сотен километров окутывает небольшое ядро с температурой около 13000 К, которое имеет массу около 5-9 % от общей массы планеты. 

Марс относится к семи перемещающимся по небу небесным светилам, видимым невооруженным глазом. Визуальная звездная величина этой планеты на небе варьируется со временем от минус 2,8 до плюс 1,8. Размер ее диска изменяется от 25,1 до 3,5 угловых секунд. Марс - внешняя планета и может наблюдаться в определенные периоды времени всю ночь достаточно высоко над горизонтом. В небольшой телескоп можно различить темные и светлые детали его поверхности и полярные шапки.

Проекты космических кораблей для полета на Марс

Ученые выяснили, что для достижения другой планеты траектория полёта межпланетного корабля должна быть рассчитана таким образом, чтобы после выхода из сферы действия Земли и попадания в поле притяжения Солнца корабль продолжал полёт в точку встречи с намеченной планетой.

На основе законов Кеплера, можно определить время полёта космического аппарата к Марсу. Так, например, при отлёте с Земли с минимальной скоростью 11,57 км/с корабль долетит до Марса за 259 суток. Если же отлёт с Земли космического аппарата будет происходить с большей скоростью, то время перелёта будет сокращаться.

Однако при полётах пилотируемых кораблей к Марсу нужно рассчитать и траекторию обратного перелёта на Землю. Из огромного семейства траекторий перелёта космического корабля на Марс с возвращением на Землю приведем перелёт по траектории, требующей минимального расхода энергии (рис1., рис.2.).

Рис.1.Время полета к Марсу                 Рис. 2. Схема полета к Марсу

при различной скорости                          и возвращении на Землю

Стартовав с Земли, космический аппарат через 259 суток произведёт посадку на Марсе. Если же корабль сразу отправится с Марса на Землю, то через 259 суток, подойдя к Земной орбите, он не встретится с Землёй, так как в это время она будет находиться в другом месте своей орбиты. А для того чтобы аппарат встретился с Землёй, он должен пробыть на Марсе 450 суток. Таким образом, полёт в оба конца с ожиданием на Марсе займёт 968 суток. При выборе межпланетной трассы также необходимо учитывать расположение метеорных потоков, существенную роль играет и состояние Солнца. Межпланетные перелёты и на пилотируемых кораблях необходимо осуществлять вне метеорных потоков и в периоды «спокойного Солнца».

Ученые утверждают, что хорошие условия для полёта на Марс были в 1986 г., когда период «спокойного Солнца» совпал с наибольшим сближением Земли и Марса.

Также учёные выяснили, что к Марсу должны лететь два корабля (лучше). Один из них будет резервным и в случае возникновения аварийной ситуации сможет принять на борт космонавтов. При этом и научные результаты будут выше: в экспедиции может участвовать больше специалистов и они в большем объеме проведут исследования.

Проблемы путешествия на Марс

Возникает вопрос: «Каким же быть марсианскому кораблю?». Уже в конце 60 – х годов у советских ученых был четкий план полета на Марс и проекты марсианского корабля. Принципиально чем отличался полет на Марс от полета на Луну – это то, что космический модуль должен был быть значительно больше, длиной 170 км. Такой корабль нельзя запустить с Земли, поэтому на Земле будут делать отдельные модули, а сборка в марсианский корабль должна осуществляться на орбите. Но самым трудным является то, что для марсианского корабля нужен принципиально новый тип двигателя – ядерный электроракетный двигатель. Принцип его работы отличается от работы реактивного двигателя тем, что в нем топливо не сгорает, а нагреваясь, испаряется в космосе. Первые проекты ядерного электроракетного двигателя были созданы еще в 30-е годы ХХ века.

Вторая проблема, люди долго не могут пребывать в невесомости. Значит, марсианский корабль должен быть так устроен или оснащен оборудованием, чтобы человеческий организм мог в течении длительного перелета на Марс нормально функционировать.

Рис. 3. Схема посадки марсианского корабля

Третья проблема: путешественники к Марсу получат предельно высокую дозу радиации. Марсоход Curiosity помог американским ученым выяснить, что путешественники к Марсу поглотят потенциально смертельную дозу космической радиации, свыше 1 зиверта ионизирующего излучения, что указывает на необходимость установки особых "убежищ" на борту космических кораблей, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

"Мы выяснили, что астронавты будут поглощать около 1,8 миллизиверта излучения в день во время полета. Общая доза во время полета к Марсу и Земле составит 0,66 зиверта, и вместе с пребыванием на поверхности Марса, может достигнуть одного зиверта. Такое количество радиации близко подходит к лимиту облучения для астронавтов за время их карьеры, а может, и превосходит его", — заявил Кэри Цэйтлин (Cary Zeitlin) из Юго-Западного исследовательского института в Сан-Антонио (США). 

С другой стороны, большая доля радиации, 95%, приходилась на космические лучи высокой энергии, от которых практически невозможно защититься. Как утверждают ученые, алюминиевая обшивка толщиной в метр не будет препятствием для таких частиц. Поэтому космические корабли, отправляющиеся к Марсу, должны обладать особыми "убежищами" или другими средствами защиты от облучения.

 Четвертая проблема: что есть на Марсе?

Пока еще нет космического корабля, способного доставить людей на Марс. Зато специалисты уже определились с рационом будущих покорителей Красной планеты.

Космонавты, живущие на МКС, питаются в основном сублимированными (то есть высушенными и замороженными) продуктами. Им регулярно привозят пищу с Земли, и все-таки даже это обстоятельство не делает их рацион достаточно разнообразным. «Практически во всех случаях астронавты замечают, что качество и разнообразие их еды следовало бы улучшить», — говорит Кристел Пэль (Christel Paille), ученый из Нидерландов.

Если же речь идет о длительной экспедиции к Марсу, не предполагающей возможности пополнения бортовых запасов еды, организация полноценного питания становится весьма и весьма серьезной проблемой. Именно поэтому ESA попросило две французские компании заняться разработкой рецептов различных блюд из всего девяти исходных ингридиентов: риса, лука, помидоров, сои, картошки, салата, шпината, пшеницы и богатой белками сине-зеленой водоросли спирулины (Spirulina platensis).

Среди разработанных образцов блюд присутствуют: «марсианский» вариант хлеба, варенье из зеленых помидоров, клецки из водорослей (надо полагать, тоже зеленые), а также торт «Наполеон» (слоеный и с кремом), сделанный из помидоров и картофеля.

Предполагается, что астронавты смогут выращивать соответствующие культуры прямо на борту корабля, на протяжении всего путешествия к Марсу и обратно. Работа бортовых оранжерей не потребует активного участия человека — почти все необходимые операции по уходу за растениями возьмет на себя автоматика. Кроме того, ученые придумали и решение еще одной извечной проблемы фермерских хозяйств: «С производством всех необходимых удобрений прекрасно справятся сами астронавты», — утверждает Кристел Пэль.

Как выжить на Марсе?

Представьте вашу первую прогулку по Марсу. Все идет вроде бы гладко. Робот-разведчик, работающий в соседнем ущелье, передал очередные фотографии, и на них вы разгляделичто-то очень похожее на колонию микроорганизмов. Предчувствуя славу первооткрывателя, вы быстро облачаетесь в скафандр и торопитесь в компании коллег к склону над ущельем. Вам не терпится поглядеть на открытие поближе, и, надежно укрепив страховку, вы спешно спускаетесь по крутому склону. Над головой персиковыми оттенками сияет небо. Жизнь прекрасна. И вот тут краем глаза вы отмечаете какое-то движение и слышите глухой хлопок. Случайно наступив ногой на полузамерзшую лужицу, вы провоцируете маленький взрыв. Фонтанчик воды окатывает вас с головы до ног, брызги прямо на лету превращаются в блестящие кристаллы.

«Вы вмиг обрастаете ледяной корочкой, и в этом нет ничего хорошего, — говорит Джон Раммел, астробиолог, старший научный сотрудник в структуре NASA, который и придумал сценарий такого ужастика. — Случайно образовавшийся лед вполне способен вырубить систему охлаждения вашего скафандра. Или еще один сюжет. Скажем, вы поскользнулись, упали в грязь, и вам уже не встать. И если есть на Марсе какие-топроявления жизни, вы будете покрыты ими с головы до ног».

Но ведь никто и не обещал, что экспедиция на Марс должна выглядеть как обычная поездка на курорт. Скорее всего, если все пойдет по плану, это будет тяжелая работа от звонка до звонка. Еще в 2004 году были декларированы принципы новой стратегии в исследованиях космоса. В качестве генеральной цели теперь следует понимать распространение человеческого присутствия по всей Солнечной системе, и именно в этом контексте рассматривается экспедиция астронавтов на Марс. И хотя первый шаг в реализации этой экспедиции — наработка первоначального опыта в лунных условиях, не следует забывать, что на Красной планете перед астронавтами могут встать такие задачи и угрозы, какие раньше нам и в голову не приходили. Когда Марс и Земля, двигаясь по своим орбитам, расходятся друг от друга, расстояние между ними достигает 400 млн километров. Одно только это обстоятельство может превратить простые житейские проблемы типа тоски по дому, неожиданного недомогания или ухудшения погоды в смертельную угрозу. Будущие обитатели Марса должны забыть о надежде на какую-либо помощь извне.

За пределами физических возможностей

На Красной планете здоровью космонавтов будут угрожать гораздо более серьезные опасности, чем это было в прежних экспедициях. Даже простая пыль на Марсе будет намного опаснее лунной. Ученые подозревают, что эта пыль содержит в себе исключительно неприятные компоненты — мышьяк и шестивалентный хром, способный при контакте вызывать серьезные ожоги кожи и глаз. Тоненькая марсианская атмосфера поглощает большую часть приходящего из космоса излучения, так что солнечные вспышки на Марсе будут доставлять меньше хлопот, чем на Луне, и тем не менее это худшая защита, чем плотная атмосфера Земли.

«Если прожить здесь подряд 18 месяцев, вероятность умереть от рака повышаетсяна 1—2%», — говорит Фрэнк Кусинотта, офицер радиационной защиты в Джонсоновском космическом центре NASA. При этом он добавляет: «Это по нашим текущим оценкам. А ведь может, мы и ошибаемся, и эта вероятность раза в четыре выше». Экспедиционный врач должен вести непрерывные наблюдения за здоровьем всех членов экипажа, чтобы фиксировать все медицинские проблемы на самой ранней стадии. Для этого не нужно постоянно брать кровь на анализ — достаточно крошечных образцов ткани каждого члена экспедиции. По ним можно оценить активность генов, отследить изменения, связанные с каким-либо патогенным воздействием и со снижением общего уровня выносливости.

Огромное расстояние между Землей и Марсом означает, что, случись какое-нибудь ЧП, будь это просто сломанная нога или же какое-нибудь экзотическое заболевание, занесенное марсианской пылью, астронавты смогут полагаться только на собственные силы. «Стоит только сойти с околоземной орбиты и взять курс на Марс, как возвращение домой сразу же отложится минимум на два года, — говорит Роберт Зубрин, президент Марсианского общества (эта организация учреждена для содействия полетам людей на Марс)».

«Даже самый лучший хирург в мире не способен проводить абсолютно любые операции», — говорит Кен Камлер, хирург, занимающийся в NASA разработкой систем дистанционной медицинской помощи. В перспективе Камлер полагает, что судовой врач в подобных ситуациях сможет отослать на землю полную томограмму всего тела пострадавшего астронавта. Там эксперты проверят поставленный диагноз и отошлют обратно на Марс программу соответствующей операции. Далее вся процедура будет выполнена роботом-хирургом.

18 месяцев — а именно столько времени по плану должны провести астронавты в условиях марсианской колонии — это срок достаточный, чтобы довести людей до серьезного стресса. Для того чтобы понять, чем все это грозит, психологи следят за поведением астронавтов на Международной космической станции и за самочувствием исследователей, проводящих долгие месяцы на полярных станциях Антарктиды. Впрочем, если верить Нику Канасу, профессору психиатрии из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, месяцы одиночества на Марсе могут оказаться куда более опасны, чем аналогичные испытания, переживаемые на Земле.

         Временами они испытывают раздражение или угнетенное состояние духа, но тем не менее они могут беседовать с семьями и любоваться Землей через иллюминаторы. На Марсе люди будут лишены этой роскоши.

«Никому еще не доводилось видеть нашу Землю крошечной точкой в глубинах космоса, — говорит Канас. — Именно это зрелище может вызвать у астронавтов чувство полной оторванности».

Заключение

Ученые полагают, что перечисленные угрозы вполне серьезны, но их нельзя считать непреодолимыми. Один из способов снизить риск — это как можно глубже понять его природу, и на пути такого познания беспилотные аппараты послужат весьма эффективным средством.

В марте 2008 года на северном полюсе Марса совершит посадку Phoenix — он будет бурить скважины, чтобы получить окончательное подтверждение, есть ли там замерзшая вода. Еще через год марсоход под названием Mars Science Laboratory (он будет вдвое длиннее и втрое тяжелее, чем Spirit и Opportunity) с новой энергией займется исследованием марсианского грунта.

Еще один путь к снижению ожидаемого риска, неизбежного при экспедиции на Марс, — особое внимание при отборе и подготовке команды. Идеальный космонавт для дальних экспедиций должен быть несколько постарше, чем это обычно принято, у него должна быть устойчивая психика, подтвержденная долгими наблюдениями, хорошо, чтобы он был достаточно интровертен, мог успешно работать, не слишком переживая из-за проблем взаимодействия с окружающими. Это должен быть человек со спокойным, мягким, зрелым характером, легко воспринимающий непредвиденные обстоятельства, перемены в целях и планах. Отправляющиеся на Марс астронавты должны иметь идеальную физическую форму, но ведь никакой здоровяк не застрахован от какого-нибудь флюса или аппендицита.

«Может быть, перед стартом у всех астронавтов нужно повыдергивать зубы? — задает вопрос Ален Беринстейн, руководитель отдела космической астрономии и планетных исследований в Канадском космическом агентстве. — А может, сразу ампутировать все ненужные части тела? Все эти вопросы ждут ответа».

Самые элементарные потребности астронавтов порождают огромные транспортные проблемы — всех запасов, включая пищу, воду и энергию, должно хватить на 18-месячную экспедицию, однако каждый лишний килограмм полезного груза требует нескольких килограммов топлива только для вывода в космос.

Дан Бурш, один из держателей американского рекорда по длительности пребывания на орбите (196 дней), предсказывает, что среди главных сложностей будет непрерывная починка отказавшего оборудования.

«На космической станции мы постоянно сталкивались с ситуацией, когда под рукой на борту не оказывалось необходимой запчасти и приходилось ждать очередной челнок, — рассказывает он. — Инженеры проделали огромную работу, прикидывая, какие детали могут потребоваться в первую очередь, однако полностью эта проблема отнюдь не решена».

Зубрин из Марсианского общества предлагает заранее отослать на Марс несколько беспилотных кораблей, чтобы накопить там запасы, необходимые для космонавтов. Стабильное долгосрочное энергообеспечение можно будет наладить с помощью небольшого ядерного реактора. Беринстайн и его коллеги из канадского космического агентства разрабатывают конструкции оранжерей, в которых астронавты могли бы выращивать овощи и зерновые. Другие исследователи работают тем временем над множеством приспособлений, которые могли бы облегчить жизнь на Марсе.

Ученые из Университета штата Северная Дакота провели последнее лето на одном из арктических островов, испытывая новый скафандр, специально разработанный для жизни на Марсе. Он более легкий, чем скафандр для работы в невесомости, и лучше защищен от воздействия агрессивной пыли. Опасности, причем серьезные, грозят этой экспедиции со всех сторон, и тем не менее Бурш полагает, что они не смогут отменить всю эту программу.

«Вряд ли существует такое уравнение, в которое можно подставить все необходимые параметры и сразу сказать, стоит ли вся эта игра свеч», — рассуждает Бурш. Возможная награда в случае успеха — открытие новых форм жизни и распространение человеческого присутствия на другую планету. При такой ставке всегда найдутся люди, готовые пренебречь опасностью, предсказывает Бурш: «Вряд ли мы столкнемся с проблемой при поиске добровольцев, даже полностью осознающих, что из такой экспедиции можно и не вернуться».

Список литературы

1. Зигель Ф.Ю. Путешествие по недрам планет. - М.: Недра, 2008 г.

2. Климишин И.А. Астрономия наших дней. - М.: Наука, 2006 г.

3. Маров М.Я. Планеты Солнечной системы.2-е изд.М., 2008 г.

4. Мартынов Д.Я. Курс общей астрофизики. - М.: Наука, 2009 г.

5. Мороз В.И. Физика планеты Марс.М., 2010 г.

6. "Советские и российские космонавты. 1960-2000" / Авторы-составители И.А.Маринин, С.Х.Шамсутдинов, А.В.Глушко. - М.: Информационно-издательский дом "Новости космонавтики", 2001