Кредит зображення: NASA
Як всім відомо, хімічні ракети занадто повільні для дослідження космосу. Мабуть, найбільш ефективними будуть гібридні системи з різними видами приводу, що використовуються в різних точках подорожі. У цій статті ви знайдете інформацію про технології, над якими працює НАСА в даний час.
"Мамо, ми ще там?"
Кожен з батьків почув цей крик із заднього сидіння машини. Зазвичай це починається приблизно через 15 хвилин після початку будь-якої сімейної поїздки. Добре, що ми рідко подорожуємо більше ніж кілька сотень чи декількох тисяч миль від дому.
Але що робити, якщо ви їхали на, скажімо, Марс? Навіть при найближчому наближенні до Землі кожні пару років, до червоної планети завжди не менше 35 мільйонів миль. Шість місяців там і півроку назад - у кращому випадку.
"Х'юстон, ми ще там?"
"Хімічні ракети просто занадто повільні", - скаржиться Лес Джонсон, менеджер із космічних технологій транспортування в NASA Маршалловому центрі космічних польотів. "Вони спалюють увесь свій пальне на початку польоту, а потім космічний корабель просто об'їжджає решту шляху". Хоча космічний корабель може бути прискорений за допомогою сили тяжіння - небесний тріск-батіг навколо планет, як, наприклад, навколо Сатурна, який перекинув Вояджера 1 на край Сонячної системи - час подорожі між планетами всередині вимірювання все ще вимірюється роками до десятиліть. А подорож до найближчої зірки зайняла б століття, якби не тисячоліття.
Що ще гірше, хімічні ракети просто надто неефективні. Подумайте про те, щоб їхати на газовому газалі по всій країні, де немає АЗС. Вам доведеться перевозити човни з газом, і не багато іншого. У космічних місіях те, що ви можете здійснювати під час поїздки, що не є паливом (або цистернами для палива), називається масою корисної навантаження - наприклад, людьми, датчиками, пробовідбірниками, комунікаційними приладами та їжею. Подібно до того, як пробіг газу є корисною оцінкою для економії палива автомобіля, "частка масового навантаження" - співвідношення маси корисної навантаження місії до його загальної маси - є корисною цифрою заслуги для ефективності рушійних систем.
З сьогоднішніми хімічними ракетами масова частка корисної навантаження низька. "Навіть використовуючи траєкторію мінімальної енергії, щоб відправити шість чоловік екіпажу з Землі на Марс, тільки з хімічними ракетами загальна маса пуску перевищила б 1000 метричних тонн, з яких близько 90 відсотків буде паливом", - сказав Брет Г. Дрейк, менеджер з аналізу та інтеграції космічних ракет у космічному центрі Johnson. Одне пальне важило б удвічі більше, ніж завершена Міжнародна космічна станція.
Для єдиної експедиції на Марс із сьогоднішньою технологією хімічного приведення в дію зажадають десятки пусків - більшість з яких більшість буде просто запускати хімічне паливо. Це так, ніби вашому 1-тонному компактному автомобілю було потрібно 9 тонн бензину, щоб проїхати з Нью-Йорка до Сан-Франциско, оскільки він в середньому становив лише милю за галон.
Іншими словами, низькопродуктивні приводні системи - одна з головних причин, чому люди ще не ступили на Марс.
Більш ефективні системи приведення в рух збільшують масову частку корисного навантаження, забезпечуючи кращий "пробіг газу" в космосі. Оскільки вам не потрібно стільки самогонного палива, ви можете перевозити більше речей, їхати в меншому транспортному засобі та / або доїхати швидше і дешевше. "Ключове повідомлення полягає в тому, що нам потрібні передові технології приведення в рух, щоб дозволити недорогу місію на Марс", - заявив Дрейк.
Таким чином, НАСА зараз розробляє іонні приводи, сонячні вітрила та інші екзотичні рушійні технології, які протягом десятиліть піддавали людям інші планети та зірки - але лише на сторінках наукової фантастики.
Від черепахи до зайця
Які варіанти наукових фактів?
NASA важко працює над двома основними підходами. Перший - це розробити кардинально нові ракети, які на порядок покращують економію палива, ніж хімічні двигуни. Друга - розробка систем, що не містять палива, що живляться за рахунок ресурсів, багатих у вакуумі глибокого космосу.
Всі ці технології мають одну ключову характеристику: вони починаються повільно, як поспіль черепаха, але з часом перетворюються на зайця, який насправді виграє гонку на Марс - чи куди завгодно. Вони покладаються на той факт, що невелике безперервне прискорення протягом кількох місяців може привести в рух космічний корабель набагато швидше, ніж один величезний початковий удар, що супроводжується тривалим періодом узбережжя.
Вище: цей космічний корабель з низькою тягою (концепція художника) приводиться в рух іонним двигуном і працює від сонячної електрики. Врешті-решт корабель набере швидкість - результат невпинного прискорення - та гонки на багато миль в секунду. Кредитна графіка: John Frassanito & Associates, Inc.
Технічно кажучи, це всі системи з низькою тягою (це означає, що ви ледве відчуєте настільки ніжне прискорення, еквівалентне вазі паперу, що лежить на вашій долоні), але тривалий час роботи. Протягом місяців тривалого невеликого прискорення ви будете обрізатись з милями на секунду! На противагу цьому, хімічні силові установки мають високу тягу і короткий час роботи. Ви піддаєтеся подушкам сидінь, коли двигуни спрацьовують, але лише ненадовго. Після цього резервуар порожній.
Ракетно-економічні ракети
"Ракета - це все, що кидає щось за борт, щоб рухатись вперед", - зазначив Джонсон. (Ви не вірите цьому визначенню? Сядьте на скейтборді зі шлангом високого тиску, спрямованим в один бік, і вас рухатимуть навпаки).
Провідними кандидатами на передові ракети є варіанти іонних двигунів. У поточних іонних двигунах пальне являє собою безбарвний інертний газ без запаху, такий як ксенон. Газ заповнює магнітовідвідну камеру, через яку проходить електронний промінь. Електрони вражають газоподібні атоми, відбиваючи зовнішній електрон і перетворюючи нейтральні атоми в позитивно заряджені іони. Електрифіковані сітки з багатьма отворами (15000 у сьогоднішніх версіях) фокусують іони на вихлопі космічного корабля. Іони прострілюють повз сітки зі швидкістю понад 100 000 миль на годину (порівняйте це з гоночним автомобілем Індіанаполіса 500 на 225 миль / год) - прискорюючи двигун у космос, таким чином створюючи поштовх.
Звідки береться електроенергія, щоб іонізувати газ і зарядити двигун? Або від сонячних батарей (так званого сонячного електричного двигуна), або від поділу або синтезу (так зване ядерне електричне рушій). Сонячні електричні двигуни були б найбільш ефективними для роботизованих місій між Сонцем і Марсом, а ядерні електричні двигуни для роботизованих місій поза межами Марса, де сонячне світло слабке, або для місій людини, де швидкість є суттєвою.
Іонні приводи працюють. Вони продемонстрували свій досвід не лише на випробуваннях на Землі, але і на робочих космічних апаратах - найвідомішим був Deep Space 1 - невелика місія з тестування технологій, що працює за допомогою сонячного електричного двигуна, який пролетів і сфотографував Комету Борреллі у вересні, 2001. Іонні приводи, подібні до того, який приводив у рух Deep Space 1, приблизно в 10 разів ефективніше хімічних ракет.
Системи без палива
Проте системи з найменшою масою двигуна можуть бути тими, у яких взагалі немає бортового палива. Насправді вони навіть не ракети. Натомість, у справжньому піонерському стилі, вони "живуть з краю" - прагнучи отримати енергію на багатих у космосі природних ресурсах, так як піонери в минулому покладалися на їжу на пастках тварин і знаходять коріння та ягоди на кордоні.
Два провідних кандидата - сонячні вітрила та плазмові вітрила. Хоча ефект схожий, механізми роботи дуже різні.
Сонячний вітрило складається з величезної площі гусячого, високовідбивного матеріалу, який розгортається у глибокому космосі для захоплення світла від сонця (або з мікрохвильового або лазерного променя від Землі). Для дуже амбітних місій вітрила можуть становити до багатьох квадратних кілометрів.
Сонячні вітрила користуються тим, що сонячні фотони, хоча і не мають маси, на відстані Землі мають імпульс - кілька мікронейтон (приблизно ваги монети) на квадратний метр. Цей тихий тиск випромінювання повільно, але впевнено прискорить вітрило та його корисну навантаження від сонця, досягнувши швидкості до 150 000 миль на годину, або більше 40 миль на секунду.
Поширене неправильне уявлення про те, що сонячні вітрила ловлять сонячний вітер, потік енергетичних електронів і протонів, що киплять далеко від зовнішньої атмосфери Сонця. Не так. Сонячні вітрила набирають обертів від самого сонячного світла. Можна, однак, натиснути імпульс сонячного вітру за допомогою так званих «плазмових вітрил».
Вітрила плазми моделюються на власному магнітному полі Землі. Потужні бортові електромагніти оточували б космічний апарат з магнітним міхуром поперек 15 або 20 кілометрів. Високошвидкісні заряджені частинки сонячного вітру виштовхують магнітний міхур, як і магнітне поле Землі. Земля не рухається, коли її натискають таким чином - наша планета занадто масивна. Але космічний апарат буде поступово відштовхуватися від Сонця. (Додатковий бонус: як магнітне поле Землі захищає нашу планету від сонячних вибухів та випромінювання, так магнітне плазмове вітрило захищатиме мешканців космічного корабля.)
Вище: концепція художника про космічний зонд всередині магнітного міхура (або "плазмового вітрила"). Заряджені частинки сонячного вітру потрапляють у міхур, чинять тиск і приводять у рух космічний апарат. [докладніше]
Звичайно, оригінальна випробувана технологія, яка не містить палива, - це гравітація. Коли космічний корабель хитається планетою, він може вкрасти частину орбітального імпульсу планети. Це навряд чи має значення для масивної планети, але це може вражаюче підвищити швидкість космічного корабля. Наприклад, коли Галілей гойдав Землею у 1990 році, швидкість космічного корабля зросла на 11 620 миль / год; тим часом Земля сповільнилася на своїй орбіті на суму менше 5 мільярдів дюйма на рік. Такі сили гравітації є цінними при доповненні будь-якої форми системи руху.
Гаразд, тепер, коли ви пробираєтеся міжпланетним простором, як ви сповільнюєтесь у пункті призначення, щоб вийти на паркувальну орбіту та підготуватися до посадки? З хімічним приводом звичайна техніка полягає в тому, щоб здійснити вогнепальну обстріли ще раз, вимагаючи великої маси бортового палива.
Набагато економічніший варіант обіцяється аерокапсією - гальмуванням космічного корабля тертям із власною атмосферою планети призначення. Трюк, звичайно, не в тому, щоб швидкісний міжпланетний космічний апарат згорів. Але вчені НАСА вважають, що за допомогою відповідного сконструйованого теплового екрана можна буде здійснити безліч місій на орбіту навколо планети призначення лише одним проходом через верхню атмосферу.
Вперед!
"Жодна технологія приводу в рух не зможе зробити все для всіх", - застеріг Джонсон. Дійсно, сонячні вітрила і плазмові вітрила, ймовірно, будуть корисні в першу чергу для просування вантажів, а не людей із Землі на Марс, тому що "цим технологіям потрібно занадто багато часу, щоб уникнути швидкості", - додав Дрейк.
Тим не менше, гібрид декількох технологій може виявитись дуже економічним, як насправді, для отримання пілотованої місії на Марс. Насправді, комбінація хімічного рушія, іонного рушія та аерокапсії могла б знизити пускову масу 6-місної місії Марса до 450 тонн менше (для цього потрібно лише шість пусків) - не більше половини, ніж це можливо лише при хімічному русі.
Така гібридна місія може йти так: Хімічні ракети, як завжди, відводять космічний корабель від землі. Опинившись на орбіті з низькою землею, модулі іонного приводу запалюються, або наземні контролери можуть розгорнути сонячне або плазмове вітрило. Протягом 6-12 місяців космічний корабель - тимчасово безпілотний, щоб уникнути впливу екіпажу великим дозам випромінювання в земному радіаційному поясі Ван Аллена - спіраль би поступово прискорювався до остаточної високої орбіти вильоту Землі. Потім екіпаж переправлятиметься на транспортний засіб Марса у швидкісному таксі; тоді невелика хімічна ступінь би підштовхнула транспортний засіб, щоб уникнути швидкості, і він прямує вперед до Марса.
Коли Земля і Марс обертаються на відповідних орбітах, відносна геометрія між двома планетами постійно змінюється. Хоча можливості запуску на Марс трапляються кожні 26 місяців, оптимальне узгодження для найдешевших, найшвидших можливих поїздок відбувається кожні 15 років – наступне, що настане у 2018 році.
Можливо, до цього часу ми матимемо іншу відповідь на питання: "Х'юстон, ми ще там?"
Оригінальне джерело: NASA Science Story
