Конструктивные особенности космических станций освоения Луны и Марса

А.А. Загоруйко DOI: 10.24411/9999-034A-2020-10119

А.А. Zagoruyko

Конструктивные особенности космических станций освоения Луны и Марса Constructions choreography, the experience of implementation of the adaptive systems

Аннотация: В статье рассматриваются примеры конструктивных решений в проектах лунных и марсианских станций.

Abstract: This article is a review of the adaptive construction&s usage experience in architecture.

Мысли об исследовании космоса посещали людей задолго до изобретения первых летательных аппаратов, до составления полной географической карты Земли. Постепенно прогресс показал, что эти мечты осуществимы, а вслед за этим появилось желание расширить горизонты, идеи колонизации.

Прогресс затронул и архитектуру. Однако эта сфера деятельности все-таки оставалась очень консервативной, изначально склоняясь к изящным искусствам и восприятию, и уже потом к сложным расчетам и прогрессивным наукам. Именно поэтому в начале развития космической отрасли архитектура оставалась несколько в стороне и лишь позднее с появлением проектов первых колоний стала неотъемлемой частью процесса.

Первые реалистичные проекты космических станций были ориентированы в первую очередь на Луну. Первый выход человека на поверхность спутника и строительство нескольких летательных аппаратов дали опыт освоения, и появилась уверенность в том, что Луна является лучшим кандидатом для будущей колонизации. СССР и США, находясь в самом разгаре борьбы за космическое пространство, разрабатывали ранние прототипы лунных баз. Их можно разделить на два основных типа:

энергоснабжения) и фирмы Boeing 1964 года (трехэтажная модульная сборная база). В это же время в СССР разрабатывался долгосрочный проект «Звезда» под руководством Владимира Бармина с 1964 по 1974 год. 9 модулей, защищенных от радиации с помощью прослойки из лунного грунта, который засыпался при сборке станции на поверхности спутника. Они должны были собираться в движущуюся конструкцию, которая, однако, имела один существенный недостаток - сообщение между модулями отсутствовало. Зато «поезд» с энергоблоком в виде атомного реактора, размещенного в одном из модулей, решал сразу три проблемы: размещение, перемещение и защиту экипажа.

В итоге, первый тип лунных баз имел несколько значительных минусов, таких как дорогостоящие множественные полеты для доставки всех необходимых модулей и малый допустимый размер этих элементов, очень примитивная организация пространства для экипажа, что негативно сказывается на его работоспособности и состоянии. Большой плюс заключался в контроле качества, который можно было обеспечить еще на Земле при постройке модулей.

работ снижался, ведь необходимо было только пробурить горизонтальные шахты в стене кратера. Технология производства имела много общего с предыдущим методом, и, следовательно, была такой же затратной и малопрактичной.

Плюсы второго варианта проектирования баз заключались в том, что необходимо было доставить только оборудование для постройки подземных строений и куполов над ними из уже изготовленных на Земле элементов, которые собирались бы на планете с помощью роботов и астронавтов. Сложность снижалась, но транспортировка все еще оставалась очень большой проблемой. Недостаток также был в том, что контроль осуществлялся только на самой стройплощадке.

Данные ранние проекты отличались от последующих тем, что опирались на временность конструкций и вахтовый метод работы на этих станциях. Технологии не позволяли даже на этапе прототипа создать более продвинутые базы, способные стать настоящей колонией, служить в таких экстремальных условиях продолжительное время.

Новые исследования и полученные образцы грунта позволили продвинуться дальше в разработках внеземных баз. Проект 1986 года соединил в себе эти две темы: строительство на основе местных ресурсов и использование уже собранных в заводских условиях модулей. Предлагалось применить доселе неизвестный способ строительства из бетона, сделанного на основе лунного грунта. Испытания образцов показали, что по характеристикам он сравним с легкими бетонами при прессовании материала. Это решало бы сразу множество проблем, начиная с уменьшения веса перевозимых строительных материалов и до защиты с помощью оболочки от космических лучей. Этот материал практически идентичен земному бетону. В его состав входят порошкообразный реголит (лунный грунт), минимальное количество воды, которую можно получить из небольших ледников внутри кратеров, и добавок. Добавки могут быть как стекловолокно, асбест, так и металлический скрап, если удастся наладить его добычу на спутнике.

Рис. 1. 30 печать

Эти разработки сильно продвинули вперед проектирование инопланетных станций. Начиная с этого момента, архитектура начинает играть серьезную роль в создании баз, так как ограничения по размерам и формам уже сняты. Более того, надежность и срок эксплуатации этих станций возросли в разы, и теперь одной из главных задач стала оптимизация и поиск лучшего планировочного решения. Многие последующие предложения брали за основу именно строительство баз уже на месте с использованием продвинутых композитов, не требующих поставки компонентов с Земли.

До самого конца XX века конструктивные решения и для Луны, и для Марса были очень схожи. Сейчас же, при наличии новых способов компьютерного анализа и проектирования, а также разработок новых строительных материалов и способов их изготовления, исследуется большое количество разных инженерных решений. На новый уровень проработки и реалистичности проекты космических баз вывели технология 3D печати и применение новых текстильных материалов повышенной прочности.

Промышленные станки для 3Б печати используют минерально-вяжущие вещества и металлы, послойно накладывая их друг на друга. Технология была успешно опробована на Земле и во многих новых проектах стала ядром создания всей базы.

Новые текстильные материалы использовались для создания уже другого типа баз. Они были схожи с пневматическими надувными конструкциями, однако использовали для развертывания сжиженный газ, который доставлялся вместе со всей надувной оболочкой с Земли.

Рис. 3. Ледяная база

Были и варианты комбинированных систем: с помощью напыления бетона на надувную основу, где в качестве материала для напыления предусматривался композит, который можно было создать на Луне и Марсе без дополнительных составляющих с Земли; надувной каркас состоял из прочного материала - кевлара, который был бы частью несущей конструкции.

В проекте лунной базы постоянного пребывания бюро Foster+partners, в рамках архитектурного конкурса, организованного Европейским космическим агентством, предлагало использовать специфическое вещество, которое будет работать как «чернила» для 3D принтера. Оно будет состоять из лунного грунта -реголита в комбинации с взрыво- и пожаробезопасным оксидом магния. При смеси этой субстанции со связующей солью будет образовываться материал, схожий по характеристикам с натуральным камнем. За счет использования реголита будет обеспечиваться защита колонистов от радиации и сильных температурных колебаний, к тому же это решение менее затратно и дает вариативность архитектурного решения, так как форма и композиция всей базы не так сильно ограничиваются.

Марс тоже стал площадкой для такого типа проектов. Проект команды Zopherus, занявший первое место на конкурсе Марсианских баз NASA, использует специфический вариант 3D печати. Принтер - это металлический купол на механических ногах. Он защищает создающийся модуль от внешних воздействий, пока принтер внутри этого купола печатает модуль. Когда работа закончена, купол поднимается на механических ногах-домкратах и передвигается на новое место строительства. Принтер использует марсианскую породу, смешанную со льдом и негашеной известью, добываемой на самом Марсе. Устройство для смешивания марсианского бетона также будет располагаться под куполом. После завершения печати модули будут выглядеть как шестиугольные призмы. Однако все блоки окон, шлюзовых дверей и переходов между модулями должны будут доставляться с Земли, что увеличивает расходы на перевозку.

Немного другую идею разработала команда AI SpaceFatory (рис. 1). Их целью было создание органичного пространства для людей, живущих внутри такого модуля. Модуль имел цилиндрическую форму, и поэтому был удобен для изготовления. Принтер устанавливался в центре будущей постройки и, вращаясь вокруг вертикальной оси и постепенно поднимаясь, возводил внешний каркас. Архитекторы также приняли во внимание психологические аспекты жизни в изоляции, поэтому модуль имел несколько этажей, которые были разделены по функциям, так что люди могли уединиться или наоборот объединиться. Каркас внешней стены состоял из двух слоев. Внешний слой обеспечивал жесткость и защиту от механических воздействий, он состоял из PLA пластика и минеральных включений, получаемых из марсианского грунта. Внутренний слой обеспечивал защиту от температурных колебаний и создавал благоприятную среду для людей внутри. Такая оболочка могла «дышать» и оставаться целой при

понижении и повышении температур благодаря гибким узлам примыкания внешней стены к перекрытиям.

Следующая идея опирается на использование компактной, легкой и устойчивой к суровой среде развертываемой конструкции, которая будет обеспечивать максимальную защиту. Так, надувной каркас обладает хорошим сопротивлением внутреннему давлению, легкостью и прочностью. Малый объем в сложенном состоянии, отсутствие необходимости фундамента делают его очень экономичным; кроме того, конструкции не подвержены температурным деформациям, так как могут быть выполнены из специальных материалов. Такой каркас также обладает хорошей аэродинамикой, что в условиях Марса является критичным. Полностью текстильная надувная оболочка удерживается сеткой тросов, они крепят всю конструкцию к грунту. Преимущество заключается в минимальном объеме и простоте возведения (рис. 2).

Другой вариант - это каркас из панелей с гибкими герметичными связями, дополненный гидравлической системой для развертывания, которая схожа по структуре с оригами. Эта оболочка состоит из пластин треугольной формы, с шарнирными соединениями, образующими геодезический купол. Конструкция и слои самих пластин могут быть различными, и зависят от функции помещения. Они могут быть дополнены утеплителем из аэрогеля, который обладает чрезвычайно низкой теплопроводностью и малым весом, или быть покрытыми фотоэлементами, для выработки энергии. Это более технологичное и многофункциональное решение, однако объем при перевозке и сложность развертывания такой оболочки - существенный минус.

Как и во всех остальных вариантах при комбинированной системе не было четкой привязки к определенным строительным материалам. Все зависело от конкретных условий, функции модуля и возможности получения определенных материалов в месте создания базы. Такая гибкость была очень удобна при проектировании, так как позволяла быстро менять композицию всей базы. Команда SEArch+Apis Cor использовала пневматическую оболочку, которая развертывалась и устанавливалась роботами еще до прилета основного экипажа. Затем эти многоэтажные модули покрывались слоем марсианского бетона с помощью роботизированного принтера.

Были и более экзотические решения (рис. 3). В проекте Mars Ice House Команды Team Space Exploration Architecture and Clouds Architecture Office был продуман необычный метод печати с помощью ледяного композита, с использованием оптоволокна и аэрогеля. Напыление на основу из фторопласта, подготовленную еще на Земле, происходило бы изнутри. Водяной пар, подающийся под давлением, превращался бы в ледяной композит в холодных условиях Марса. Оптоволокно позволяло бы проводить больше света внутрь помещений. Эта конструкция требует доработки в виде защиты от радиации, и использования добавок для предотвращения температурных колебаний внутри помещений и придания прочности при температурных деформациях.

С наступлением эпохи роботизированного производства возникли варианты применения только одного устройства, которое смогло бы создавать сами принтеры, добывая и используя материалы на месте строительства. Тогда создание инопланетных колоний станет не только бюджетным, но и простым и безопасным.

Чем больше увеличивается вычислительная мощность компьютеров, открываются новые материалы, создаются новые производственные машины, тем более экзотическими, но в то же время реальными становятся проекты космических станций и все большую часть в их разработке занимают архитектурные решения. Эти исследования будут приносить пользу не только в будущем в этой сфере архитектуры и строительства, но они уже приносят ее сейчас, обогащая проектный опыт.

Список цитируемой литературы:

Е.Н. Венгловская DOI: 10.24411/9999-034A-2020-10120

E.N. Venglovskaya

Принципы формирования cреды обитания на основе модульной структуры на Луне Principles of formation of a habitat based on a modular structure on the Moon

Аннотация: Формирование среды обитания на Луне - проект, над которым работают ученые многие годы и который пока не реализован Проектирование и строительство объектов необходимо для добычи редкоземельных металлов, которые возможно использовать на Земле. Сформировано экспериментальное предложение реализации строительства среды обитания, состоящее из четырех этапов, в результате которых были выявлены пять принципов проектирования и строительства на Луне в экстремальных условиях.

Abstract: Habitat formation on the Moon has not been realized. Design and construction are necessary for the extraction of rare earth metals that can be used on Earth. An experimental proposal for the implementation of habitat construction consisting of four stages has been formed. As a result, five principles of design and construction on the Moon in extreme conditions were identified.

Формирование архитектурных объектов на поверхности Луны имеет большое значение для многих сфер науки, в том числе и для военной. Сотрудничество архитекторов, инженеров, военных и государства необходимо для ее дальнейшего развития [6, с. 107].

Экстремальные условия, такие как отсутствие кислорода, метеоритная опасность, радиация, создают значительные трудности в освоении лунной поверхности.

Воду предположительно возможно получить двумя способами: первый способ - плавление льда, который находится на Луне [3, с. 77], второй - перехватывание в космосе микрокомет и последующее их плавление [2, с. 39].

Космический мусор - еще одна проблема строительства лунного поселения. По этой причине строительство должно быть рассчитано на безотходное производство и отсутствие демонтажных работ [5, с. 57].

Реализация проекта лунного поселения откладывается по многим экономическим причинам. Спустя шестьдесят лет работа над этим проектом возобновлена, и его реализация, по мнению специалистов, произойдет в ближайшем будущем [1, с. 51]. Этапы проектирования и реализации подразумевают совместную работу специалистов различных профилей - архитекторов, астрофизиков, специалистов конструкторских бюро и институтов, занятых в космической сфере.

Использование в строительстве природных материалов Луны, таких как базальт и реголит, до конца не исследовано, однако можно предположить, что это наиболее оптимальное решение, поскольку данные материалы обладают высокими строительными характеристиками и, кроме того, отпадает необходимость в дорогостоящей доставке грузов на Луну. Также возможно использова-