Кредит за изображение: НАСА
Както всички знаят, химическите ракети са твърде бавни за космическо проучване. Може би най-ефективните ще бъдат хибридни системи, с различни видове задвижвания, използвани в различни точки на пътуване. Тази статия ви представя разбивка на технологиите, в които НАСА работи в момента.
"Мамо, нали вече сме там?"
Всеки родител е чул този вик от задната седалка на колата. Обикновено започва около 15 минути след началото на всяко семейно пътуване. Добре, че рядко изминаваме повече от няколкостотин или няколко хиляди мили от дома.
Но какво ще стане, ако пътувате до, да речем, Марс? Дори при най-близкия си подход към Земята на всеки няколко години, червената планета винаги е на поне 35 милиона мили. Шест месеца там и шест месеца назад - в най-добрия случай.
- Хюстън, нали сме още?
„Химическите ракети са твърде бавни“, оплаква Лес Джонсън, мениджър по космически технологии за транспорт в Центъра за космически полети „Маршал“ на НАСА. "Те изгарят целия си горивен двигател в началото на полет, а след това космическият кораб просто изминава остатъка от пътя." Въпреки че космическият кораб може да бъде ускорен с помощта на гравитацията - небесна пукнатина-камшик около планети, като тази около Сатурн, която хвърли Вояджър 1 до ръба на Слънчевата система - времената на пътуване между планетите все още се измерват в години до десетилетия. А пътуването до най-близката звезда би отнело векове, ако не и хилядолетия.
Още по-лошото е, че химическите ракети са просто твърде неефективни. Помислете да шофирате с бензинов газал в държава без бензиностанции. Ще трябва да превозвате лодка с газ и не много. В космическите мисии това, което можете да извършите по време на пътуването си, което не е гориво (или резервоари за гориво), се нарича маса на полезния товар - напр. Хора, сензори, пробоотборници, средства за комуникация и храна. Точно както пробегът на газ е полезна фигура за заслуги за горивната ефективност на автомобила, „масата на полезния товар” - съотношението на масата на полезния товар на мисията към общата му маса - е полезна цифра на заслугите за ефективността на задвижващите системи.
С днешните химически ракети масата на полезния товар е малка. „Дори да използвате траекторията с минимална енергия, за да изпратите шест души екипаж от Земята до Марс, само с химически ракети общата изстрелваща маса ще надхвърли 1000 метрични тона - от които около 90 процента ще бъде гориво“, казва Брет Г. Дрейк, мениджър за анализ и интеграция на космически изстрели в Space Space Center Самото гориво би тегло два пъти повече от завършената Международна космическа станция.
Една експедиция на Марс с днешната технология за химическо задвижване ще изисква десетки изстрелвания, повечето от които просто ще изстрелват химическо гориво. Сякаш вашият 1-тонен компактен автомобил се нуждае от 9 тона бензин, за да се придвижва от Ню Йорк до Сан Франциско, защото средно е само една миля на галон.
С други думи, нископроизводителните задвижващи системи са една от основните причини, поради които хората все още не са стъпили на Марс.
По-ефективните задвижващи системи увеличават масата на полезния товар, като дават по-добър „пробег на газ“ в космоса. Тъй като не се нуждаете от толкова много гориво, можете да носите повече неща, да отидете в по-малко превозно средство и / или да стигнете по-бързо и по-евтино. „Ключовото послание е: имаме нужда от усъвършенствани задвижващи технологии, за да позволим нискотарифна мисия до Марс“, заяви Дрейк.
По този начин НАСА разработва йонни задвижвания, слънчеви платна и други екзотични задвижващи технологии, които в продължение на десетилетия раздуват хората на други планети и звезди - но само на страниците на научната фантастика.
От костенурка до заек
Какви са възможностите за научен факт?
НАСА работи усилено по два основни подхода. Първата е да се разработят коренно нови ракети, които имат порядък по-добра икономия на гориво от химическото задвижване. Второто е да се разработят системи без гориво, които се захранват от ресурси, изобилни във вакуума на дълбокото пространство.
Всички тези технологии имат една ключова характеристика: те започват бавно, като пословичната костенурка, но с времето се превръщат в заек, който всъщност печели състезание до Марс - или където и да е. Те разчитат на факта, че малкото непрекъснато ускорение в продължение на месеци може в крайна сметка да задейства космически кораб далеч по-бързо от един огромен първоначален удар, последван от дълъг период на кацане.
По-горе: този космически кораб с ниска тяга (концепция на художник) се задвижва от йонен двигател и се захранва от слънчева енергия. В крайна сметка корабът ще набере скорост - резултат от безмилостното ускорение и ще се състезава с много мили в секунда. Кредитна снимка: John Frassanito & Associates, Inc.
Технически погледнато, те са всички системи с ниска тяга (което означава, че едва усещате о-нежното ускорение, еквивалентно на теглото на лист хартия, лежащ на дланта ви), но дълги експлоатационни времена. След месеци на продължаващо малко ускорение, вие ще се подстригвате с много мили в секунда! За разлика от тях, химическите задвижващи системи са с висока тяга и кратко време на работа. Вие сте смазани обратно в възглавничките на седалките, докато двигателите работят, но само за кратко. След това резервоарът е празен.
Ракетно-ефективни ракети
„Ракета е всичко, което хвърля нещо зад борда, за да се движи напред“, посочи Джонсън. (Не вярвате на това определение? Седнете на скейтборд с посочен в едната посока маркуч за високо налягане и ще бъдете задвижвани по обратния начин).
Водещите кандидати за модерната ракета са варианти на йонни двигатели. В сегашните йонни двигатели горивото е безцветен инертен газ без мирис, като ксенон. Газът запълва камера с пръстен с магнит, през която протича електронен лъч. Електроните поразяват газообразните атоми, отбивайки външен електрон и превръщайки неутрални атоми в положително заредени йони. Електрифицираните мрежи с много отвори (15 000 в днешните версии) фокусират йоните към изпускателната система на космическия кораб. Йоните стрелят покрай решетките със скорост до над 100 000 мили в час (сравнете тази с автомобил в Индианаполис 500 на 225 мили / ч) - ускорявайки двигателя в космоса, така че създават тяга.
Откъде идва електричеството, за да йонизира газта и да зарежда двигателя? Или от слънчеви панели (т. Нар. Слънчево електрическо задвижване), или от делене или синтез (така нареченото ядрено електрическо задвижване). Слънчевите електрически задвижващи двигатели биха били най-ефективни за роботизирани мисии между Слънцето и Марс, а ядреното електрическо задвижване за роботизирани мисии извън Марс, където слънчевата светлина е слаба или за човешки мисии, където скоростта е от съществено значение.
Йонните задвижвания работят. Те са доказали своите умения не само в тестове на Земята, но и в работещи космически кораби - най-известният е Deep Space 1, малка мисия за тестване на технологии, задвижвана от слънчево електрическо задвижване, която лети и прави снимки на Комета Борели през септември, 2001. Йонните задвижвания като тези, които задвижват Deep Space 1, са около 10 пъти по-ефективни от химическите ракети.
Системи без гориво
Задвижващите системи с най-ниска маса обаче могат да бъдат тези, които изобщо нямат бордово гориво. Всъщност те дори не са ракети. Вместо това, в истински пионерски стил, те „живеят извън земята“ - търсейки енергия за богатите в пространството природни ресурси, колкото и пионерите от по-рано разчитали за храна на улов на животни и намиране на корени и плодове на границата.
Двамата водещи кандидати са слънчеви платна и плазмени платна. Въпреки че ефектът е подобен, механизмите на работа са много различни.
Слънчевото платно се състои от огромна площ от госамер, силно отразяващ материал, който се разгръща в дълбоко пространство, за да улавя светлина от слънцето (или от микровълнова или лазерен лъч от Земята). За много амбициозни мисии платната могат да достигнат до много квадратни километра в района.
Слънчевите платна се възползват от факта, че слънчевите фотони, макар и да нямат маса, имат импулс - няколко микроневрона (около теглото на монета) на квадратен метър на разстоянието от Земята. Това леко радиационно налягане бавно, но сигурно ще ускори платно и полезния му товар далеч от слънцето, достигайки скорост до 150 000 мили в час или повече от 40 мили в секунда.
Често срещано погрешно схващане е, че слънчевите платна улавят слънчевия вятър, поток от енергийни електрони и протони, които кипят от външната атмосфера на Слънцето. Не е така. Слънчевите платна получават инерция от самата слънчева светлина. Възможно е обаче да се докосне инерцията на слънчевия вятър, използвайки така наречените „плазмени платна“.
Плазмените платна се моделират на собственото магнитно поле на Земята. Мощните бордови електромагнити биха обградили космически кораб с магнитен балон с размери 15 или 20 километра. Високоскоростните заредени частици в слънчевия вятър ще избутат магнитния мехур, точно както правят магнитното поле на Земята. Земята не се движи, когато е избутана по този начин - нашата планета е твърде масивна. Но космически кораб ще бъде постепенно изтласкан от Слънцето. (Допълнителен бонус: точно както магнитното поле на Земята защитава нашата планета от слънчеви експлозии и радиационни бури, така магнитното плазмено платно ще предпази обитателите на космически кораб.)
По-горе: Концепцията на художника за космическа сонда вътре в магнитен балон (или „плазмено платно“). Заредените частици в слънчевия вятър удрят балона, оказват налягане и задвижват космическия кораб. [Повече ▼]
Разбира се, оригиналната, изпробвана и истинска технология без задвижване на горивото е гравитачната помощ. Когато космически кораб се люлее от планета, той може да открадне част от орбиталната инерция на планетата. Това едва ли има значение за масивна планета, но може впечатляващо да увеличи скоростта на космически кораб. Например, когато Галилео се завъртя от Земята през 1990 г., скоростта на космическия кораб се увеличи с 11 620 mph; междувременно Земята се забави в орбитата си с количество, по-малко от 5 милиарда инч годишно. Такива гравитационни асисти са ценни при допълването на всяка форма на задвижваща система.
Добре, сега, когато ципвате през междупланетното пространство, как да забавите достатъчно на вашата дестинация, за да влезете в орбита за паркиране и да се подготвите за кацане? С химическо задвижване обичайната техника е да се изстрелват ретрокети - за пореден път, изискващи големи маси от бордовото гориво.
Далеч по-икономичният вариант се обещава от аерокапсис - спиране на космическия кораб чрез триене със собствената атмосфера на целевата планета. Номерът, разбира се, е да не позволим на високоскоростен междупланетен космически кораб да изгори. Но учените от НАСА смятат, че с подходящо проектиран топлинен щит е възможно много мисии да бъдат заловени в орбита около планета назначение само с едно преминаване през горната му атмосфера.
Напред!
„Нито една технология за задвижване няма да свърши всичко за всички“, предупреди Джонсън. Всъщност слънчевите платна и плазмените платна вероятно биха били полезни предимно за придвижване на товари, а не за хора от Земята до Марс, защото „отнема твърде много време, за да се издигнат тези технологии, за да избягат от скоростта“, добави Дрейк.
Независимо от това, хибридът от няколко технологии може да се окаже много икономичен в действителност за получаване на командирована мисия до Марс. В действителност, комбинация от химическо задвижване, йонно задвижване и аерокапсис може да намали изстрелващата маса на 6-мисейна мисия на Марс до под 450 метрични тона (изискващи само шест изстрелвания) - без половината, която е постижима само с химическо задвижване.
Подобна хибридна мисия може да изглежда така: Химическите ракети, както обикновено, ще свалят космическия кораб от земята. Веднъж в орбита с ниска земя, йонните задвижващи модули ще се запалят или наземните контролери могат да разположат слънчево или плазмено платно. За 6 до 12 месеца космическият кораб - временно безпилотен, за да не излага екипажа на големи дози радиация в радиационните пояси на Ван Алън на Земята - щеше да се спира, постепенно да се ускорява до крайната висока орбита на заминаване на Земята. След това екипажът ще бъде отведен до превозното средство на Марс в високоскоростно такси; малък химически етап ще вдигне превозното средство, за да избяга от скоростта, и той ще се насочи напред към Марс.
Докато Земята и Марс се въртят в съответните си орбити, относителната геометрия между двете планети непрекъснато се променя. Въпреки че възможностите за изстрелване на Марс се появяват на всеки 26 месеца, оптималните приспособления за най-евтините, най-бързи възможни пътувания се случват на всеки 15 години - следващото идва през 2018 година.
Може би дотогава ще имаме различен отговор на въпроса „Хюстън, нали сме още?“
Оригинален източник: Научна история на НАСА
