Attēla kredīts: NASA
Kā visi zina, ķīmiskās raķetes ir pārāk lēnas kosmosa izpētei. Iespējams, ka visefektīvākās būs hibrīdas sistēmas ar dažādiem piedziņas veidiem, ko izmanto dažādos brauciena punktos. Šajā rakstā ir sniegts to tehnoloģiju apraksts, kuras NASA pašlaik izstrādā.
"Mammu, vai mēs tur vēl esam?"
Ikviens vecāks to ir dzirdējis no automašīnas aizmugurējā sēdekļa. Parasti tas sākas apmēram 15 minūtes pēc jebkura ģimenes brauciena sākuma. Labi, ka mēs reti braucam vairāk nekā dažus simtus vai dažus tūkstošus jūdžu no mājām.
Bet kas būtu, ja jūs ceļotu, teiksim, uz Marsu? Pat pēc tuvākās pieejas Zemei ik pēc pāris gadiem sarkanā planēta vienmēr atrodas vismaz 35 miljonu jūdžu attālumā. Seši mēneši tur un seši mēneši atpakaļ - labākajā gadījumā.
"Hjūstona, vai mēs tur vēl esam?"
“Ķīmiskās raķetes ir pārāk lēnas,” nožēlo Les Džonsons, NASA Maršala Kosmisko lidojumu centra kosmosa tehnoloģiju vadības menedžeris. "Lidojuma sākumā viņi sadedzina visu savu propelentu, un tad kosmosa kuģis visu piekrasti izkrauj." Lai gan kosmosa kuģi var paātrināt ar gravitācijas palīdzību - debesu plaisu-pātagu ap planētām, piemēram, tādu, kas atrodas ap Saturnu un kas Voyager 1 aizlidoja līdz Saules sistēmas malai - turp un atpakaļ ceļojuma laiks starp planētām joprojām tiek mērīts gados līdz gadu desmitiem. Un ceļojums uz tuvāko zvaigzni prasītu gadsimtiem ilgi, ja ne tūkstošgades.
Vēl sliktāk, ja ķīmiskās raķetes ir pārāk neefektīvas degvielai. Padomājiet par braukšanu ar gāzi, izmantojot valsti visā valstī, kurā nav degvielas uzpildes staciju. Jums vajadzēs pārvadāt kravas ar laivu, nevis daudz citu. Kosmosa misijās to, ko varat veikt savā ceļojumā, kas nav degviela (vai degvielas tvertnes), sauc par kravas masu, piemēram, cilvēkiem, sensoriem, paraugu ņemšanas ierīcēm, sakaru ierīcēm un pārtiku. Tāpat kā gāzes nobraukums ir noderīgs nopelnu rādītājs automašīnas degvielas patēriņa efektivitātei, arī lietderīgās kravas daļa - misijas lietderīgās kravas masas attiecība pret tās kopējo masu - ir noderīgs nopelnu skaitlis vilces sistēmu efektivitātei.
Mūsdienu ķīmiskajām raķetēm kravnesības masa ir maza. "Pat izmantojot minimālās enerģijas trajektoriju, lai sešu cilvēku apkalpi nosūtītu no Zemes uz Marsu, tikai ar ķīmiskām raķetēm, kopējā palaišanas masa būtu 1000 metriskās tonnas - no kurām aptuveni 90 procenti būtu degviela," sacīja Brets G. Dreiks. kosmosa palaišanas analīzes un integrācijas menedžeris Džonsona kosmosa centrā. Tikai degviela sver divreiz vairāk nekā pabeigtā Starptautiskā kosmosa stacija.
Vienai Marsa ekspedīcijai ar šodienas ķīmiskās piedziņas tehnoloģiju būtu nepieciešami desmitiem palaišanas, no kurām lielākā daļa vienkārši būtu ķīmiskās degvielas palaišana. Tas ir tā, it kā jūsu 1 tonnas kompaktajai automašīnai būtu vajadzīgas 9 tonnas benzīna, lai nobrauktu no Ņujorkas līdz Sanfrancisko, jo tas vidēji bija tikai jūdze uz vienu galonu.
Citiem vārdiem sakot, zemas veiktspējas vilces sistēmas ir viens no galvenajiem iemesliem, kāpēc cilvēki vēl nav izvirzījušies uz Marsa.
Efektīvākas vilces sistēmas palielina kravas masas daļu, dodot labāku “gāzes nobraukumu” kosmosā. Tā kā jums nav nepieciešams tik daudz degvielas, jūs varat pārvadāt vairāk lietu, doties mazākā transportlīdzeklī un / vai tur nokļūt ātrāk un lētāk. "Galvenais vēstījums ir šāds: mums ir vajadzīgas uzlabotas vilces tehnoloģijas, lai varētu veikt lētu misiju uz Marsu," paziņoja Dreiks.
Tādējādi NASA tagad izstrādā jonu piedziņas, saules buras un citas eksotiskas vilces tehnoloģijas, kas gadu desmitiem ilgi ir devušas cilvēkus citām planētām un zvaigznēm, bet tikai zinātniskās fantastikas lappusēs.
No bruņurupuča līdz zaķim
Kādas ir zinātnes faktu iespējas?
NASA smagi strādā pie divām pamata pieejām. Pirmais ir radikāli jaunu raķešu izstrāde, kuru degvielas ekonomija ir par izmēru labāka nekā ķīmiskajai piedziņai. Otrais ir attīstīt “propelentu nesaturošas” sistēmas, kuras darbina resursi, kas bagātīgi atrodas dziļas kosmosa vakuumā.
Visām šīm tehnoloģijām ir viena galvenā īpašība: tās sākas lēnām, tāpat kā sakāmā bruņurupucis, bet laika gaitā pārvēršas zaķos, kas faktiski uzvar sacīkstēs uz Marsu vai kur citur. Viņi paļaujas uz faktu, ka neliels nepārtraukts paātrinājums vairāku mēnešu laikā galu galā var izdzīt kosmosa kuģi daudz ātrāk nekā viens milzīgs sākotnējais sitiens, kam seko ilgs piekrastes periods.
Augšpusē: šo zemas vilces kosmosa kuģi (mākslinieka koncepcija) dzen jonu motors un to darbina saules enerģija. Galu galā kuģis uzņems ātrumu - nerimstoša paātrinājuma rezultātā - un sabrauks daudzās jūdzēs sekundē. Attēla kredīts: John Frassanito & Associates, Inc.
Tehniski runājot, tās ir visas sistēmas ar zemu vilces spēku (tas nozīmē, ka jūs tik tikko nejutīsit pārāk ātru paātrinājumu, kas līdzvērtīgs papīra izmēra, kas atrodas uz plaukstas, svaram), bet ar ilgu darbības laiku. Pēc mēnešiem ilga nepārtraukta neliela paātrinājuma veikšanas jūs jūtaties daudz jūdzes sekundē! Pretstatā ķīmiskajām piedziņas sistēmām ir liela vilce un īss darbības laiks. Kamēr dzinēji šauj, jūs esat saspiests atpakaļ sēdekļu spilvenos, bet tikai īsu brīdi. Pēc tam tvertne ir tukša.
Degvielu taupošas raķetes
“Raķete ir jebkas, kas kaut ko met pāri bortam, lai virzītos uz priekšu,” norādīja Džonsons. (Neticiet šai definīcijai? Sēdieties uz skrituļdēļa ar augstspiediena šļūteni uz vienu pusi, un jūs dzen pretējā veidā).
Vadošie kandidāti uzlabotajai raķetei ir jonu dzinēju varianti. Pašreizējos jonu dzinējos propelents ir bezkrāsains, bez garšas un bez smaržas inerta gāze, piemēram, ksenons. Gāze piepilda ar magnētu gredzenotu kameru, caur kuru iziet elektronu stars. Elektroni sit pa gāzveida atomiem, izsit ārējo elektronu un neitrālos atomus pārvērš pozitīvi lādētos jonos. Elektrificēti režģi ar daudziem caurumiem (mūsdienu versijās - 15 000) koncentrē jonus uz kosmosa kuģa izplūdes gāzu daudzumu. Joni šauj garām režģiem ar ātrumu līdz vairāk nekā 100 000 jūdzēm stundā (salīdziniet ar Indianapolis 500 sacīkšu automašīnu ar ātrumu 225 jūdzes stundā) - paātrinot motoru kosmosā, tādējādi radot vilci.
No kurienes nāk elektrība, lai jonizētu gāzi un uzlādētu motoru? Vai nu no saules paneļiem (tā sauktā saules elektriskā piedziņa), vai arī no skaldīšanas vai saplūšanas (tā sauktā kodolenerģiskā piedziņa). Saules elektriskie dzinēji būtu visefektīvākie robotizētām misijām starp Sauli un Marsu un kodolieroču piedziņa robotizētām misijām ārpus Marsa, kur vājš saules gaisma, vai cilvēku komandējumiem, kur ātrums ir būtisks.
Jonu piedziņa strādā. Viņi ir pierādījuši savu pārliecību ne tikai testos uz Zemes, bet arī darbojoties kosmosa kuģos - vispazīstamākais ir Deep Space 1 - neliela tehnoloģiju testēšanas misija, ko darbina saules elektriskā piedziņa un kas septembrī aizlidoja un fotografēja Komētu Borrelly, 2001. Jonu piedziņa, piemēram, tāda, kas dzen Deep Space 1, ir aptuveni 10 reizes efektīvāka nekā ķīmiskās raķetes.
Sistēmas, kas nesatur degvielu
Tomēr zemākās masas vilces sistēmas var būt tās, kurās uz kuģa vispār nav degvielas. Patiesībā tās nav pat raķetes. Tā vietā, īstā pionieru stilā, viņi “dzīvo ārpus zemes” - paļaujoties uz enerģiju uz kosmosā bagātiem dabas resursiem, jo joras pionieri paļāvās uz pārtiku dzīvnieku slazdīšanai un sakņu un ogu atrašanai uz robežas.
Divi vadošie kandidāti ir saules buras un plazmas buras. Lai arī efekts ir līdzīgs, darbības mehānismi ir ļoti atšķirīgi.
Saules bura sastāv no milzīga apjoma gaiši spilgti atstarojoša materiāla, kas ir izveidojies dziļā telpā, lai uztvertu gaismu no saules (vai no mikroviļņu vai lāzera stara no Zemes). Ļoti ambiciozām misijām buras varētu būt apgabalā līdz daudziem kvadrātkilometriem.
Saules burām ir priekšrocība, ka saules fotoniem, kaut arī tiem nav masas, tomēr ir impulss - Zemes attālumā no kvadrātmetra ir vairāki mikronetoni (apmēram monētas svars). Šis maigais radiācijas spiediens lēnām, bet pārliecinoši paātrinās buras un tās kravas atrašanos no saules, sasniedzot ātrumu līdz 150 000 jūdzēm stundā vai vairāk nekā 40 jūdzes sekundē.
Izplatīts nepareizs uzskats ir tāds, ka saules buras uztver saules vēju, enerģētisko elektronu un protonu straumi, kas virmo prom no Saules ārējās atmosfēras. Ne tik. Saules buras iegūst impulsu no pašas saules gaismas. Tomēr ir iespējams pieskarties saules vēja impulsam, izmantojot tā dēvētās “plazmas buras”.
Plazmas buras tiek veidotas pēc paša Zemes magnētiskā lauka. Jaudīgi borta elektromagnēti ieskauj kosmosa kuģi ar magnētisku burbuli 15 vai 20 kilometru garumā. Ātrgaitas lādētas daļiņas Saules vējā spiedīs magnētisko burbuli tāpat kā Zemes magnētiskais lauks. Zeme nekustas, kad to virzās šādā veidā - mūsu planēta ir pārāk masīva. Bet kosmosa kuģis pakāpeniski tiks norauts prom no Saules. (Papildu piemaksa: tāpat kā Zemes magnētiskais lauks pasargā mūsu planētu no saules sprādzieniem un radiācijas vētrām, tāpat arī magnētiskās plazmas buras aizsargātu kosmosa kuģa pasažierus.)
Augšpusē: mākslinieka ideja par kosmosa zondi magnētiskā burbuļa (vai “plazmas buras”) iekšpusē. Saules vēja uzlādētās daļiņas sasniedz burbuli, rada spiedienu un dzen kosmosa kuģi. [vairāk]
Protams, oriģinālā, izmēģinātā un patiesā bezpropelentu tehnoloģija ir gravitācijas palīglīdzeklis. Kad kosmosa kuģis šūpojas pa planētu, tas var nozagt kādu no planētas orbītas impulsiem. Tas gandrīz nemaina masīvo planētu, bet tas var iespaidīgi palielināt kosmosa kuģa ātrumu. Piemēram, kad Galileo 1990. gadā pagriezās pa Zemi, kosmosa kuģa ātrums palielinājās par 11 620 mph; tikmēr Zeme savā orbītā palēninājās par summu, kas ir mazāka par 5 miljardām collas gadā. Šādi gravitācijas palīglīdzekļi ir vērtīgi, lai papildinātu jebkura veida vilces sistēmu.
Labi, tagad, kad esat veicis zipēšanu caur starpplanētu telpu, kā jūs pietiekami palēnināt galamērķi, lai nonāktu stāvvietas orbītā un sagatavotos nolaišanās brīdim? Ar ķīmisko piedziņu parastā metode ir retrorketu izšaušana vēlreiz, kad nepieciešama liela masa kuģa borta.
Daudz ekonomiskāku iespēju sola aerokultūra - kosmosa kuģa bremzēšana, berzējot ar pašas mērķa planētas atmosfēru. Triks, protams, ir neļaut nodegt ātrgaitas starpplanētu kosmosa kuģim. Bet NASA zinātnieki uzskata, ka ar atbilstoši izstrādātu siltuma vairogu būtu iespējams daudzām misijām nokļūt orbītā ap mērķa planētu tikai ar vienu caurlaidi tās augšējā atmosfērā.
Uz priekšu!
"Neviena vienīga piedziņas tehnoloģija nedarīs visu visu labā," Džonsons brīdināja. Patiešām, saules buras un plazmas buras, iespējams, būtu noderīgas galvenokārt kravas pārvietošanai, nevis cilvēkiem no Zemes līdz Marsam, jo “pārāk ilgs laiks paiet, līdz šīm tehnoloģijām ir jāatrodas, lai izvairītos no ātruma”, piebilda Drake.
Neskatoties uz to, vairāku tehnoloģiju hibrīds patiešām var izrādīties ļoti ekonomisks, lai sasniegtu vadītu misiju uz Marsu. Faktiski ķīmiskās piedziņas, jonu piedziņas un aerokultūras apvienojums varētu samazināt 6 cilvēku Marsa misijas palaišanas masu zem 450 metriskajām tonnām (kam nepieciešami tikai seši palaišanas gadījumi) - tikai uz pusi mazāk nekā to var sasniegt ar tikai ķīmisko piedziņu.
Šāda hibrīda misija varētu notikt šādi: Ķīmiskās raķetes, kā parasti, nogādātu kosmosa kuģi no zemes. Atrodoties zemas Zemes orbītā, jonu piedziņas moduļi aizdegas, vai arī zemes kontrolieri varētu izvietot saules vai plazmas buras. 6 līdz 12 mēnešus kosmosa kuģis - uz laiku bezpilota, lai izvairītos no apkalpes pakļaušanas lielām radiācijas devām Zemes Van Allen radiācijas jostās - spirālētu prom, pakāpeniski paātrinoties līdz galīgajai augstajai Zemes aiziešanas orbītai. Apkalpe pēc tam ar ātrgaitas taksometru tiks izvesta uz Marsa transportlīdzekli; neliels ķīmiskais posms tad pagriezītu transportlīdzekli uz augšu, lai izvairītos no ātruma, un tas dotos uz Marsu.
Zemei un Marsam rotējot attiecīgajās orbītās, relatīvā ģeometrija starp abām planētām pastāvīgi mainās. Lai arī palaišanas iespējas uz Marsu notiek ik pēc 26 mēnešiem, vislētāko un ātrāko iespējamo braucienu optimālā saskaņošana notiek ik pēc 15 gadiem - nākamais notiks 2018. gadā.
Varbūt līdz tam laikam mums būs atšķirīga atbilde uz jautājumu: “Hjūstona, vai mēs esam tur vēl?”
Oriģinālais avots: NASA zinātnes stāsts
