Vaizdo kreditas: NASA
Kaip visi žino, cheminės raketos yra per lėtos kosmoso tyrimams. Ko gero, efektyviausios bus hibridinės sistemos su skirtingomis varymo rūšimis, naudojamomis skirtinguose kelionės taškuose. Šiame straipsnyje pateikiamas NASA šiuo metu naudojamų technologijų suskirstymas.
„Mama, ar mes dar ten?“
Kiekvienas tėvas girdėjo tą verksmą iš galinės automobilio sėdynės. Paprastai tai prasideda praėjus maždaug 15 minučių nuo bet kurios šeimos kelionės pradžios. Gerai, kad mes retai keliaujame daugiau nei kelis šimtus ar kelis tūkstančius mylių nuo namų.
O kas, jei jūs keliautumėte į, tarkime, Marsą? Net ir artimiausiai artėjant prie Žemės kas porą metų, raudonoji planeta visada yra mažiausiai už 35 milijonų mylių. Šeši mėnesiai ten ir šeši mėnesiai atgal - geriausiu atveju.
„Hiustonas, ar mes dar ten?“
„Cheminės raketos yra tiesiog per lėtos“, - apgailestauja Les Johnsonas, NASA Maršalo kosminių skrydžių centro transporto kosmose technologijų vadovas. „Skrydžio pradžioje jie sudegina visą savo raketinį kurą, o tada visą kitą kelią erdvėlaivis tiesiog aplenkia“. Nors erdvėlaivius gali pagreitinti sunkio jėgos pagalba - dangaus įtrūkimas plakant aplink planetas, tokias kaip aplink Saturną, kuris „Voyager 1“ priartino prie Saulės sistemos krašto - kelionių laikas aplink planetą vis dar matuojamas metais iki dešimtmečių. Kelionė į artimiausią žvaigždę užtruktų šimtmečius, jei ne tūkstantmečiai.
Dar blogiau, kad cheminės raketos yra tiesiog neefektyvios degalams. Pagalvokite apie važiavimą degalinių bloku visoje šalyje, kurioje nėra degalinių. Jūs turėtumėte gabenti valčių krovinius, o ne daug daugiau. Kosminėse misijose tai, ką galite vykdyti savo kelionėje be degalų (ar degalų bakų), vadinama naudingoji krovinio masė, pvz., Žmonės, jutikliai, mėginių ėmimo įrenginiai, ryšių priemonės ir maistas. Kaip degalų rida yra naudingas automobilio kuro efektyvumo nuopelnas, taip ir naudingoji variklio sistemų veiksmingumo nuopelnas yra naudingos apkrovos masės dalis - misijos naudingosios apkrovos masės ir visos jos masės santykis.
Dabartinėse cheminėse raketose naudingo krovinio masė yra maža. „Net naudojant minimalios energijos trajektoriją šešių žmonių įgulai siųsti iš Žemės į Marsą, vien naudojant chemines raketas, visa paleidimo masė būtų 1000 metrinių tonų - iš kurių apie 90 procentų būtų degalai“, - sakė Bret G. Drake. kosmoso paleidimo analizės ir integracijos vadybininkas Johnsono kosmoso centre. Vien degalai svertų dvigubai daugiau nei baigta statyti Tarptautinė kosminė stotis.
Vienai Marso ekspedicijai su šiandienos chemine varymo technologija prireiktų daugybės paleidimų - dauguma iš jų paprasčiausiai paleistų cheminį kurą. Atrodo, kad jūsų 1 tonos kompaktiškam automobiliui prireiktų 9 tonų benzino, kad nuvažiuotumėte iš Niujorko į San Franciską, nes jis vidutiniškai užtrukdavo tik vieną mylią galonui.
Kitaip tariant, žemo našumo varomosios sistemos yra viena pagrindinių priežasčių, kodėl žmonės dar nepasirodė koja kojon su Marsu.
Efektyvesnės varomosios sistemos padidina naudingosios apkrovos dalį, nes suteikia geresnę „dujų rida“ erdvėje. Kadangi jums nereikia tiek daug raketinio kuro, galite gabenti daugiau daiktų, važiuoti mažesne transporto priemone ir (arba) ten nuvykti greičiau ir pigiau. „Pagrindinė žinia yra tokia: mums reikia pažangių varymo technologijų, kad galėtume atlikti pigias misijas į Marsą“, - pareiškė Drake'as.
Taigi NASA dabar kuria jonų variklius, saulės burės ir kitas egzotinių varomųjų technologijų technologijas, dešimtmečius ilsinančias žmones prie kitų planetų ir žvaigždžių, tačiau tik mokslinės fantastikos puslapiuose.
Nuo vėžlio iki kiškio
Kokie yra mokslo ir fakto variantai?
NASA sunkiai dirba dviem pagrindiniais požiūriais. Pirmasis yra sukurti radikaliai naujas raketas, kurių degalų ekonomija būtų didesnė už eiliškumą nei cheminė varomoji jėga. Antrasis - sukurti „be raketų“ sistemas, kurias maitina ištekliai, gausūs gilios kosmoso vakuume.
Visoms šioms technologijoms būdinga viena pagrindinė savybė: jos startuoja lėtai, kaip ir patarlinis vėžlys, tačiau laikui bėgant virsta kiškiais, kurie iš tikrųjų laimi lenktynes į Marsą ar bet kur. Jie remiasi tuo, kad nedidelis ištisinis kelių mėnesių pagreitis galiausiai gali stumti erdvėlaivį žymiai greičiau nei vienas didžiulis pradinis smūgis, po kurio eina ilgas pakrantės laikotarpis.
Aukščiau: Šis žemo tempimo erdvėlaivis (menininko koncepcija) yra varomas jonų varikliu ir varomas saulės energijos. Galų gale laivas įgaus greitį - dėl negailestingo pagreičio - ir lenktyniaus daug mylių per sekundę greičiu. Atvaizdo kreditas: John Frassanito & Associates, Inc.
Techniškai kalbant, tai visos sistemos, turinčios mažą trauką (tai reiškia, kad vos nepajusite labai švelnaus pagreičio, prilygstančio jūsų delne gulinčio popieriaus lapo svoriui), tačiau ilgas veikimo laikas. Po keletą mėnesių trunkančio nedidelio pagreičio jūs turėtumėte įveikti daugybę mylių per sekundę! Priešingai, cheminės varomosios sistemos turi didelę trauką ir trumpą veikimo laiką. Varikliui šaudant, jūs esate suspaustas atgal į sėdynių pagalvėles, tačiau tik trumpai. Po to bakas tuščias.
Taupios raketos
„Raketa yra viskas, kas išmeta kažką už borto, kad pastumtų į priekį“, - pabrėžė Johnsonas. (Netikėkite tuo apibrėžimu? Sėskite ant riedlentės su aukšto slėgio žarna nukreipta į vieną pusę, ir jūs būsite varomi priešingu būdu).
Pirmaujantys pažangiųjų raketų kandidatai yra joninių variklių variantai. Dabartiniuose jonų varikliuose raketinis kuras yra bespalvės, beskonės, bekvapės inertinės dujos, tokios kaip ksenonas. Dujos užpildo žiedą su magnetu, per kurį eina elektronų pluoštas. Elektronai atsitrenkia į dujinius atomus, pašalindami išorinį elektroną ir paversdami neutralius atomus teigiamo krūvio jonais. Elektrifikuotos grotelės su daugybe skylių (šių dienų versijose yra 15 000) nukreipia jonus link erdvėlaivio išmetamųjų dujų. Jonai šaudo pro tinklus greičiu, didesniu kaip 100 000 mylių per valandą greičiu (palyginti su „Indianapolis 500“ lenktyniniu automobiliu, kurio greitis yra 225 mylių per valandą) - pagreitindamas variklį į kosmosą, taip sukurdamas trauką.
Iš kur ateina elektra, kad jonizuotų dujas ir įkrautų variklį? Arba iš saulės kolektorių (vadinamoji saulės elektrinė varomoji jėga) arba iš skilimo ar sintezės (vadinamoji branduolinė elektrinė varomoji jėga). Saulės elektriniai varikliai būtų veiksmingiausi vykdant robotines misijas tarp saulės ir Marso, o branduoliniai elektriniai varikliai - robotinėms misijoms už Marso ribų, kur saulės šviesa yra silpna, arba žmonių misijoms, kai greitis yra esminis.
Joniniai varikliai dirba. Jie įrodė savo kruopštumą ne tik atlikdami bandymus Žemėje, bet ir dirbdami erdvėlaiviuose. Labiausiai žinomas kaip „Deep Space 1“ - nedidelė technologijų bandymo misija, varoma saulės elektrinės varomosios jėgos, kuri rugsėjį skrido ir fotografavo „Comet Borrelly“, 2001. Jonų pavaros, tokios kaip viena „Deep Space 1“ varomoji jėga, yra maždaug 10 kartų efektyvesnės nei cheminės raketos.
Sistemos be raketų
Tačiau mažiausios masės varomosios sistemos gali būti tos, kuriose laive nėra jokio raketinio variklio. Tiesą sakant, jie net nėra raketos. Vietoj to, tikro pionieriaus stiliaus, jie „gyvena iš šalies“, norėdami energijos, gautos iš gamtos išteklių, kurių gausu kosmose, ir tiek, kiek jūsų pradininkai rėmėsi maistu gyvūnų gaudymui ir šaknų bei uogų radimui pasienyje.
Du pagrindiniai kandidatai yra saulės buros ir plazminės burės. Nors poveikis yra panašus, veikimo mechanizmai yra labai skirtingi.
Saulės burę sudaro milžiniškas blizgančios, labai atspindinčios medžiagos plotas, kuris išsiskleidžia gilioje erdvėje, kad gautų saulės spindulius (arba iš mikrobangų ar lazerio spindulių iš Žemės). Vykdant labai ambicingas misijas, burių plotas gali būti iki daugelio kvadratinių kilometrų.
Saulės burės naudojasi tuo, kad saulės fotonai, nors ir neturi masės, turi impulsą - keli mikronai (maždaug monetos svoris) kvadratiniam metrui žemės atstumu. Šis švelnus radiacijos slėgis lėtai, bet užtikrintai pagreitins burę ir jos naudingąją dalį nuo saulės, pasiekdamas greitį iki 150 000 mylių per valandą arba daugiau kaip 40 mylių per sekundę.
Įprasta klaidinga nuomonė yra tai, kad saulės burės sugauna saulės vėją, energetinių elektronų ir protonų srautą, kuris verda atokiau nuo išorinės Saulės atmosferos. Ne taip. Saulės burės įgauna pagreitį nuo pačios saulės šviesos. Tačiau įmanoma išnaudoti saulės vėjo greitį, naudojant vadinamąsias plazmines burės.
Plazminės burės modeliuojamos pačios Žemės magnetiniame lauke. Galingi borto elektromagnetai apsuptų erdvėlaivį, kurio magnetinis burbulas būtų 15 ar 20 kilometrų skersmens. Saulės vėjyje greitai įkrautos dalelės stumia magnetinį burbulą, kaip ir Žemės magnetinis laukas. Žemė nejuda, kai ji pastumiama tokiu būdu - mūsų planeta yra per didžiulė. Bet kosminis laivas pamažu bus atitrauktas nuo saulės. (Papildoma premija: lygiai taip pat, kaip Žemės magnetinis laukas apsaugo mūsų planetą nuo saulės sprogimų ir radiacijos audrų, taip ir magnetinės plazmos burė apsaugotų erdvėlaivio keleivius.)
Viršuje: menininko erdvės zondo, esančio magnetinio burbulo (arba „plazmos burės“) viduje, idėja. Saulės vėjo pakrautos dalelės trenkia į burbulą, daro slėgį ir stumia erdvėlaivį. [daugiau]
Žinoma, originali, išbandyta ir tikra technologija be raketų yra sunkio jėgos pagalba. Kai erdvėlaivis sukasi planeta, jis gali pavogti tam tikrą planetos orbitos impulsą. Vargu ar tai gali pakeisti masyvią planetą, tačiau ji gali įspūdingai padidinti erdvėlaivio greitį. Pavyzdžiui, 1990 m., Kai „Galileo“ nuskriejo Žemė, erdvėlaivio greitis padidėjo 11 620 mylių per valandą; Tuo tarpu Žemė savo orbita sulėtėjo mažiau nei 5 milijardo colio coliais per metus. Tokie sunkio jėgos pagalbininkai yra vertingi papildant bet kokios formos varomąją sistemą.
Gerai, kad dabar, kai jūs peršokote į tarpplanetinę erdvę, kaip sulėtinti savo kelionės tikslą, kad patektumėte į stovėjimo orbitą ir pasiruoštumėte nusileidimui? Naudojant cheminį varymą, įprasta technika yra pakartotinių raketų sušaudymas - vėl reikia didelių masės degalų.
Kur kas ekonomiškesnį variantą žada aerokultūra - erdvėlaivio stabdymas trinties būdu su pačios planetos atmosfera. Triukas, be abejo, yra neleisti greitam tarpplanetiniam erdvėlaiviui sudegti. Tačiau NASA mokslininkai mano, kad turint tinkamai suprojektuotą šilumos skydą, daugybė misijų galėtų būti sugautos į orbitą aplink tikslinę planetą, tik vieną kartą einant per jos viršutinę atmosferą.
Pirmyn!
„Nei viena varymo technologija nepadarys visko visiems“, - įspėjo Johnsonas. Iš tikrųjų saulės buros ir plazminės burės greičiausiai būtų naudingos pirmiausia kroviniams, o ne žmonėms išstumti iš žemės į Marsą, nes „šioms technologijoms reikia per daug laiko, kad būtų galima įveikti greitį“, - pridūrė Drake'as.
Nepaisant to, kelių technologijų hibridas gali pasirodyti labai ekonomiškas iškeliaujant į komandiruotę į Marsą. Iš tikrųjų, cheminės varomosios jėgos, jonų varymo jėgos ir aeropatūros derinys galėtų sumažinti 6 asmenų Marso misijos paleidimo masę iki mažesnės nei 450 metrinių tonų (reikalaujančių tik šešių paleidimų) - ne mažiau kaip pusė tos, kurią galima pasiekti naudojant vien tik cheminį varymą.
Tokia hibridinė misija gali vykti taip: Cheminės raketos, kaip įprasta, kosminį laivą nuleistų nuo žemės. Patekę į žemos žemės orbitą, jonų pavaros moduliai užsidegs arba antžeminiai valdikliai gali išskleisti saulės ar plazmos burę. 6–12 mėnesių erdvėlaivis, laikinai nepilotuojamas, kad įgula nepatektų į didelę radiacijos dozę Van Allen žemės spinduliuotės diržuose, būtų spiralė, palaipsniui įsibėgėdama iki galutinės aukštos Žemės išvykimo orbitos. Tada įgula bus išvežta į „Mars“ transporto priemonę greitaeigiu taksi; nedidelė cheminė stadija tada pakeltų transporto priemonę, kad būtų išvengta greičio, ir ji pasuks į Marsą.
Kai Žemė ir Marsas sukasi atitinkamose orbitose, santykinė geometrija tarp dviejų planetų nuolat kinta. Nors paleidimo galimybės į Marsą vyksta kas 26 mėnesius, optimaliausias pasirinkimas pigiausioms ir greičiausioms kelionėms vyksta kas 15 metų - kitą 2018 m.
Galbūt tada mes turėsime kitokį atsakymą į klausimą: „Hiustonas, ar mes dar esame?“
Originalus šaltinis: NASA mokslo istorija
