Kujutise krediit: NASA
Nagu kõik teavad, on keemilised raketid kosmose uurimiseks liiga aeglased. Võib-olla on kõige tõhusamad hübriidsüsteemid, mille erinevates liikumispunktides kasutatakse erinevat tõukejõudu. See artikkel annab teile ülevaate tehnoloogiatest, millega NASA praegu töötab.
"Ema, kas me oleme seal veel?"
Iga vanem on seda nutmist kuulnud auto tagaistmelt. Tavaliselt algab see umbes 15 minutit pärast perereisi algust. Hea, et me sõidame kodust harva kaugemale kui paarsada või paar tuhat miili.
Aga mis siis, kui sa sõidaksid näiteks Marsile? Isegi kui läheneda Maale iga paari aasta tagant, on punane planeet alati vähemalt 35 miljoni miili kaugusel. Kuus kuud seal ja kuus kuud tagasi - parimal juhul.
"Houston, kas me oleme seal veel?"
"Keemilised raketid on lihtsalt liiga aeglased," kurdab NASA Marshalli kosmoselennukeskuse kosmose transporditehnoloogiate juht Les Johnson. "Nad põlevad kogu oma raketikütuse lennu alguses ja siis kosmoseaparaat lihtsalt rändab ülejäänud teed." Ehkki kosmoselaevu saab kiirendada raskusjõu abil - planeetide ümber on taevane piitsake, näiteks Saturn ümber, mis viis Voyager 1 Päikesesüsteemi servani - mõõdetakse planeetide vahelist edasi-tagasi sõidu aega ikka aastatel aastakümneteni. Ja teekond lähima tähe juurde võtaks aastasadu, kui mitte aastatuhandeid.
Veelgi hullem - keemilised raketid on lihtsalt liiga vähese kütusekuluga. Mõelge sõites bensiinijaamas kogu riigis, kus pole ühtegi bensiinijaama. Teil peaks kaasas olema paadikoormeid gaasi ja mitte palju muud. Kosmosemissioonidel nimetatakse seda, mida saate oma reisil, mis pole kütus (või kütusepaagid), kasulik koormus - nt inimesed, andurid, proovivõtjad, sidevahendid ja toit. Nii nagu gaasi läbisõit on auto kütusesäästlikkuse kasulik eelis, on ka kasulik kandejõu osa - missiooni kasuliku massi suhe kogu massi - kasulik tõendusjõukulude efektiivsuse näitaja.
Tänapäevaste keemiliste rakettide korral on kasulik koormus mass väike. "Isegi minimaalse energiakuluga trajektoori abil kuueliikmelise meeskonna saatmiseks Maalt Marsile, ainuüksi keemiliste rakettidega, oleks stardi kogumass 1000 tonni - sellest umbes 90 protsenti moodustaks kütus," ütles Bret G. Drake, Johnsoni kosmosekeskuse kosmoseanalüüside analüüsi ja integreerimise juht. Ainuüksi kütus kaaluks kaks korda rohkem kui valminud rahvusvaheline kosmosejaam.
Üksik Marsi ekspeditsioon koos tänapäevase keemilise tõukejõu tehnoloogiaga nõuaks kümneid kaatrid - enamus neist oleks lihtsalt keemilise kütuse laskmine. Tundub, nagu oleks teie 1-tonnisel kompaktsel autol New Yorki San Franciscosse sõitmiseks vaja 9 tonni bensiini, sest see oli keskmiselt vaid miil galloni kohta.
Teisisõnu, madala jõudlusega tõukejõusüsteemid on üks peamine põhjus, miks inimesed pole veel Marsile jalga pannud.
Tõhusamad tõukejõusüsteemid suurendavad kandevõime massiosa, andes ruumis parema „gaasi läbisõidu”. Kuna te ei vaja nii palju raketikütust, võite kaasa võtta rohkem asju, minna väiksema sõidukiga ja / või sinna kiiremini ja odavamalt. "Põhisõnum on: vajame arenenud tõukejõu tehnoloogiaid, et võimaldada odavat missiooni Marsile," kuulutas Drake.
Seega arendab NASA nüüd ioonülekandeid, päikesepurje ja muid eksootilisi tõukejõu tehnoloogiaid, mis on aastakümneid viinud inimesi teistesse planeetidesse ja tähtedesse, kuid ainult ulme lehtedel.
Kilpkonnast jäneseni
Millised on teaduse ja fakti võimalused?
NASA töötab kõvasti kahel põhimõttel põhineval lähenemisviisil. Esimene neist on radikaalselt uute rakettide väljatöötamine, mille kütusekulu oleks suurusjärku võrra parem kui keemiliste jõuseadmete puhul. Teine eesmärk on välja töötada „raketikütusevabad” süsteemid, mille toiteallikaks on sügava kosmose vaakumis rikkalikud ressursid.
Kõigil neil tehnoloogiatel on üks põhiline omadus: nad algavad aeglaselt, nagu vanasõna kilpkonn, kuid muutuvad aja jooksul jäneseks, mis tegelikult võidab võistluse Marsile või kuhu iganes. Nad tuginevad tõsiasjale, et väike pidev kiirendus kuude jooksul võib kosmoselaeva lõpuks liikuma panna palju kiiremini kui üks tohutu algne löök, millele järgneb pikk rannikuperiood.
Ülal: seda madala tõukejõuga kosmoselaeva (kunstniku kontseptsioon) juhib ioonmootor ja seda toidab päikeseenergia. Lõpuks kiirendab veesõiduk kiirust - tulemuseks on järeleandmatu kiirendus - ja võisteldakse palju miili sekundis. Kujutise krediit: John Frassanito & Associates, Inc.
Tehniliselt öeldes on need kõik madala tõukejõuga süsteemid (mis tähendab, et vaevalt tunnete oh-nii-õrna kiirendust, mis võrdub peopesal lebava paberitüki raskusega), kuid pikad tööajad. Pärast kuudepikkust jätkuvat väikest kiirendust hakkaksite te liikuma palju miili sekundis! Seevastu keemilised tõukejõusüsteemid on suure tõukejõu ja lühikese tööajaga. Kui mootorid põlevad, surutakse teid tagasi istmepatjadesse, kuid ainult lühidalt. Pärast seda on paak tühi.
Kütusesäästlikud raketid
"Rakett on midagi, mis viskab midagi üle parda, et ennast edasi liikuda," osutas Johnson. (Ärge uskuge seda määratlust? Istuge ühe suunaga kõrgsurvevoolikuga rulale ja teid liigutatakse vastupidisel viisil).
Täiustatud raketi peamised kandidaadid on ioonmootorite variandid. Praegustes ioonmootorites on raketikütuseks värvitu, maitsetu, lõhnatu inertgaas, näiteks ksenoon. Gaas täidab magnetiga rõngastatud kambri, mille kaudu jookseb elektronkiir. Elektronid löövad gaasilisi aatomeid, koputades välise elektroni ja muutes neutraalsed aatomid positiivselt laetud ioonideks. Paljude aukudega elektrifitseeritud võred (tänapäeva versioonides 15 000) keskenduvad ioonidele kosmoselaeva heitgaasi suunas. Ioonid lasevad võredest mööda kiirusega kuni üle 100 000 miili tunnis (võrrelge seda Indianapolis 500 võidusõiduautoga kiirusel 225 mph) - kiirendades mootori kosmosesse, tekitades seega tõukejõu.
Kust tuleb elekter gaasi ioniseerimiseks ja mootori laadimiseks? Kas päikesepaneelide (nn päikeseenergia jõuseadme) või lõhustumise või termotuumasünteesi (nn tuumaelektrilise tõukejõu) toimel. Päikeseelektrilised tõukemootorid oleksid kõige tõhusamad päikese ja Marsi vahel toimuvatel robotmissioonidel ning tuumaelektrilised tõukejõud robotitel, mis asuvad väljaspool Marsi, kui päikesevalgus on nõrk, või inimmissioonidel, kus kiirus on ülioluline.
Ioon ajab tööd. Nad on oma veenvust tõestanud mitte ainult katsetel Maal, vaid ka töötavatel kosmoselaevadel - kõige tuntum neist on Deep Space 1 - väike tehnoloogiatesteerimismissioon, mille toiteallikaks on päikeseelektriline jõud, mis lendas septembris komeedi Borrelly juurest ja tegi pilte 2001. Ioonide ajamid, nagu näiteks Deep Space 1, on umbes 10 korda tõhusamad kui keemilised raketid.
Raketikütusevabad süsteemid
Väikseima massiga tõukejõusüsteemid võivad siiski olla sellised, mis pardal raketikütust üldse ei kanna. Tegelikult pole need isegi raketid. Selle asemel, elades tõelises pioneeristiilis, elavad nad "maalt" - tuginedes energia saamiseks kosmoses rohketele loodusvaradele, kuna joora pioneerid usaldasid toitu loomade püüdmisele ning juurte ja marjade leidmisele piirilt.
Kaks peamist kandidaati on päikese- ja plasmapurjed. Kuigi mõju on sarnane, on töömehhanismid väga erinevad.
Päikesepurk koosneb tohutult heledast peegeldavast materjalist, mis on glasmeersem ja peegeldub sügavas kosmoses päikese (või mikrolaine- või laserkiire Maalt) valguse saamiseks. Väga ambitsioonikate missioonide jaoks võib purjede pindala ulatuda mitme ruutkilomeetrini.
Päikeseenergia purjed kasutavad ära asjaolu, et kuigi päikese footonitel pole massi, on neil siiski hoog - Maa kauguselt on ruutmeetri kohta mitu mikronit (mündi massi järgi). See õrn kiirgusrõhk kiirendab purje ja selle kasulikku koormat päikesest aeglaselt, kuid kindlalt, saavutades kiiruse kuni 150 000 miili tunnis või üle 40 miili sekundis.
Levinud eksiarvamus on see, et päikese purjed püüavad päikesetuule, energeetiliste elektronide ja prootonite voo, mis keevavad Päikese välisest atmosfäärist eemale. Mitte nii. Päikesepurjed saavad oma hoo sisse päikesevalgusest endast. Päikesetuule hoogu on siiski võimalik kasutada niinimetatud “plasmapurjede” abil.
Plasmapurjed on modelleeritud Maa enda magnetväljale. Võimsad pardal olevad elektromagnetid ümbritseksid kosmoseaparaati, mille magnetiline mull on 15 või 20 kilomeetrit üle. Päikesetuule kiirlaetud osakesed suruvad magnetilist mulli, just nagu Maa magnetväli. Maa ei liigu, kui seda sel viisil suruda - meie planeet on liiga massiivne. Kuid kosmoselaev lükatakse järk-järgult Päikesest eemale. (Lisaboonus: nii nagu Maa magnetväli kaitseb meie planeeti päikese plahvatuste ja kiirgustormide eest, kaitseks ka kosmoselaeva sõitjaid magnetiline plasmapurje.)
Ülal: kunstniku idee kosmosesondist, mis asub magnetilise mulli (või „plasmapurje”) sees. Päikesetuules laetud osakesed löövad mulli, avaldavad survet ja ajavad kosmoselaeva edasi. [veel]
Muidugi, originaalne, proovitud ja tõeline raketikütusevaba tehnoloogia on raskusjõu abistaja. Kui kosmoselaev liigub planeedi poolt, võib see osa planeedi orbitaaljõust varastada. Vaevalt, et see massiivsel planeedil vahet teeb, kuid võib kosmoselaeva kiirust muljetavaldavalt suurendada. Näiteks kui Galileo keerles 1990. aastal Maa poolt, suurenes kosmoselaeva kiirus 11 620 miili tunnis; vahepeal aeglustus Maa orbiidil vähem kui 5 miljardi tolli võrra aastas. Sellised raskusjõu abistajad on väärtuslikud mis tahes tõukejõusüsteemi täiendamisel.
Okei, nüüd, kui olete juba planeedidevahelisest ruumist välja tõmbunud, kuidas aeglustada oma sihtkohta piisavalt, et minna parkimisorbiidile ja valmistuda maandumiseks? Keemilise tõukejõu korral on tavaline meetod retrokokkide tulistamine - selleks on taas vaja suurt massi pardal olevat kütust.
Hoopis ökonoomsema variandi lubab lennundus - kosmoselaeva pidurdamine hõõrdumisega sihtplaneedi enda atmosfääriga. Trikk on muidugi see, et mitte lasta kiirel planeedidevahelisel kosmoselaeval põleda. Kuid NASA teadlaste arvates oleks sobivalt kujundatud sooja kaitsekilbiga võimalik, et paljud missioonid jääksid sihtplaneedi ümber asuvale orbiidile vaid ühe läbimisega selle ülemisest atmosfäärist.
Edasi!
"Ükski tõukejõutehnoloogia ei tee kõigi jaoks kõike," hoiatas Johnson. Päikesepurgad ja plasmapurjed oleksid tõepoolest kasulikud peamiselt lasti, mitte inimeste liikumapanemiseks Maalt Marsile, sest “nende tehnoloogiate kiireks tõusmiseks kulub liiga kaua aega”, lisas Drake.
Sellegipoolest võib mitme tehnoloogiaga hübriid osutuda mehitatud missiooni Marsile saatmiseks tõepoolest väga ökonoomseks. Tegelikult võiks keemilise tõuke, ioonide tõukejõu ja akropargi kombinatsioon vähendada 6-inimese Marsi missiooni stardimassi alla 450 tonnini (vaja on vaid kuut kaatrit) - alla poole sellest, mis on saavutatav ainuüksi keemilise tõukejõuga.
Selline hübriidmissioon võib käia nii: Keemilised raketid, nagu tavaliselt, viiksid kosmoselaeva maapinnalt minema. Maavärina orbiidil süttides ioonülekande moodulid süttivad või maapealsed kontrollerid võivad kasutada päikese- või plasmapurje. Kosmoselaev - ajutiselt mehitamata, vältimaks meeskonna kokkupuudet Maa Van Alleni kiirgusvööndite suurte kiirgusdoosidega - spiraalselt eemalduks 6–12 kuud, kiirenedes järk-järgult Maa kõrgeima väljumisorbiidi lähedale. Seejärel veetakse meeskond kiire taksoga Marsi sõidukisse; väike keemiline etapp lööks siis sõiduki kiiruse ületamiseks üles ja see liiguks edasi Marsile.
Kuna Maa ja Mars pöörlevad oma vastavatel orbiitidel, muutub kahe planeedi suhteline geomeetria pidevalt. Ehkki stardivõimalused Marsile toimuvad iga 26 kuu tagant, toimub odavaimate ja kiireimate võimalike reiside optimaalne joondamine iga 15 aasta järel - järgmine saabub 2018. aastal.
Võib-olla saame selleks ajaks teistsuguse vastuse küsimusele: „Houston, kas me oleme seal veel?“
Algne allikas: NASA teaduslugu
