Изображение предоставлено NASA
Как всем известно, химические ракеты слишком медленные для освоения космоса. Возможно, наиболее эффективными будут гибридные системы с различными типами движителей, которые используются в разных точках пути. Эта статья дает вам представление о технологиях, над которыми в настоящее время работает НАСА.
«Мама, мы уже там?»
Каждый родитель слышал этот крик с заднего сиденья машины. Обычно это начинается примерно через 15 минут после начала любой семейной поездки. Хорошо, что мы редко проезжаем больше чем несколько сотен или несколько тысяч миль от дома.
Но что, если вы путешествовали, скажем, на Марс? Даже при ближайшем сближении с Землей каждые пару лет красная планета всегда находится на расстоянии не менее 35 миллионов миль. Шесть месяцев там и шесть месяцев назад - в лучшем случае.
«Хьюстон, мы уже там?»
«Химические ракеты слишком медленные», - сетует Ле Джонсон, менеджер по космическим транспортным технологиям в Центре космических полетов НАСА им. Маршалла. «Они сжигают все свое топливо в начале полета, а затем космический корабль простирается до конца пути». Хотя космический корабль может быть ускорен гравитационным помощником - небесным треском кнутом вокруг планет, таким как тот, что вокруг Сатурна, который отбросил Вояджер-1 к краю Солнечной системы, - время прохождения туда-обратно между планетами все еще измеряется годами до десятилетий. И путешествие к ближайшей звезде заняло бы столетия, если не тысячелетия.
Что еще хуже, химические ракеты просто слишком неэффективны. Подумайте о вождении в газопроводе по всей стране без заправок. Вы должны были бы нести много газа и ничего больше. В космических миссиях то, что вы можете взять с собой в поездку без топлива (или баков для топлива), называется массой полезной нагрузки - например, люди, датчики, пробоотборники, средства связи и еда. Точно так же, как пробег газа является полезным показателем эффективности использования топлива автомобиля, «массовая доля полезной нагрузки» - отношение массы полезной нагрузки миссии к ее общей массе - является полезной величиной полезности для эффективности силовых установок.
С сегодняшними химическими ракетами массовая доля полезного груза низка. «Даже при использовании траектории с минимальной энергией для отправки экипажа из шести человек с Земли на Марс, причем только с химическими ракетами общая стартовая масса превысит 1000 метрических тонн, из которых около 90 процентов будет топливом», - сказал Брет Дж. Дрейк. менеджер по анализу космических запусков и интеграции в Космическом центре Джонсона. Одно только топливо будет весить вдвое больше, чем готовая Международная космическая станция.
Одна экспедиция на Марс с современной технологией химических двигателей потребует десятков запусков, большинство из которых будут просто запускать химическое топливо. Как будто вашему 1-тонному компактному автомобилю нужно было 9 тонн бензина, чтобы ехать из Нью-Йорка в Сан-Франциско, потому что в среднем он составлял лишь милю на галлон.
Другими словами, низкоэффективные двигательные установки являются одной из основных причин, почему люди еще не ступили на Марс.
Более эффективные двигательные установки увеличивают массовую долю полезной нагрузки, обеспечивая лучший «пробег газа» в космосе. Поскольку вам не нужно столько топлива, вы можете нести больше вещей, ездить на меньшем транспортном средстве и / или добираться быстрее и дешевле. «Ключевое сообщение: нам нужны передовые двигательные технологии, чтобы обеспечить недорогую миссию на Марс», - заявил Дрейк.
Таким образом, НАСА в настоящее время разрабатывает ионные двигатели, солнечные паруса и другие экзотические двигательные технологии, которые на протяжении десятилетий наводили людей на другие планеты и звезды - но только на страницах научной фантастики.
От черепахи до зайца
Каковы варианты научного факта?
НАСА усердно работает над двумя основными подходами. Первый заключается в разработке принципиально новых ракет, которые на порядок лучше экономят топливо, чем химические двигатели. Во-вторых, разработать системы без топлива, которые питаются ресурсами, богатыми в вакууме глубокого космоса.
Все эти технологии имеют одну ключевую характеристику: они начинаются медленно, как общеизвестная черепаха, но со временем превращаются в зайца, который фактически побеждает в гонке на Марс или где-то еще. Они полагаются на тот факт, что небольшое непрерывное ускорение в течение нескольких месяцев может в конечном итоге привести космический корабль гораздо быстрее, чем один огромный начальный удар, за которым следует длительный период выбега.
Вверху: этот космический корабль с малой тягой (концепция художника) приводится в движение ионным двигателем и питается от солнечного электричества. В конечном итоге корабль набирает скорость - результат неуклонного ускорения - и мчится со скоростью много миль в секунду. Изображение предоставлено: John Frassanito & Associates, Inc.
С технической точки зрения, это все системы с малой тягой (то есть вы едва ощутите очень мягкое ускорение, эквивалентное весу куска бумаги, лежащего на вашей ладони), но длительным временем работы. После нескольких месяцев постоянного небольшого ускорения вы будете двигаться со скоростью много миль в секунду! Напротив, химические двигательные установки имеют высокую тягу и короткое время работы. Вы загнаны обратно в подушки сидений во время работы двигателей, но ненадолго. После этого бак пуст.
Топливосберегающие ракеты
«Ракета - это все, что бросает что-то за борт, чтобы продвигаться вперед», - отметил Джонсон. (Не верьте этому определению? Сядьте на скейтборд со шлангом высокого давления, направленным в одну сторону, и вы будете двигаться в противоположном направлении).
Ведущими кандидатами на продвинутую ракету являются варианты ионных двигателей. В современных ионных двигателях пропеллент представляет собой бесцветный, безвкусный инертный газ без запаха, такой как ксенон. Газ заполняет камеру с магнитными кольцами, через которую проходит электронный пучок. Электроны ударяют по газообразным атомам, отбрасывая внешний электрон и превращая нейтральные атомы в положительно заряженные ионы. Электрифицированные решетки с множеством отверстий (15 000 в современных версиях) фокусируют ионы к выхлопу космического корабля. Ионы проносятся мимо решеток со скоростью более 100 000 миль в час (сравните это с гоночным автомобилем Indianapolis 500 со скоростью 225 миль в час), разгоняя двигатель в космос, создавая тягу.
Откуда берется электричество для ионизации газа и зарядки двигателя? Либо от солнечных батарей (так называемые солнечные электрические двигатели), либо от деления или синтеза (так называемые ядерные электрические двигатели). Солнечные электрические двигатели были бы наиболее эффективны для роботизированных полетов между Солнцем и Марсом, а ядерные электрические двигатели - для роботизированных полетов за Марсом, где слабый солнечный свет, или для человеческих полетов, где важна скорость.
Ионные диски работают. Они доказали свою силу не только в испытаниях на Земле, но и в работающем космическом корабле - самым известным из которых является Deep Space 1, небольшая миссия по испытаниям технологий, работающая на солнечном электрическом двигателе, которая пролетела мимо и сфотографировала комету Боррелли в сентябре, 2001. Ионные двигатели, такие как те, что приводили в действие Deep Space 1, примерно в 10 раз эффективнее химических ракет.
Безтопливные системы
Однако двигатели с наименьшей массой могут быть теми, которые не несут вообще никакого топлива. На самом деле, они даже не ракеты. Вместо этого, в истинном пионерском стиле, они «живут за пределами земли» - полагаясь на энергию на природные ресурсы, богатые в космосе, так же, как пионеры прошлого полагались на пищу для отлова животных и нахождения корней и ягод на границе.
Двумя ведущими кандидатами являются солнечные паруса и плазменные паруса. Хотя эффект похож, механизмы работы очень разные.
Солнечный парус состоит из огромного паутинного материала с высокой отражающей способностью, который разворачивается в глубоком космосе для захвата света от солнца (или от микроволнового или лазерного луча с Земли). Для очень амбициозных заданий паруса могут иметь площадь до нескольких квадратных километров.
Солнечные паруса используют тот факт, что солнечные фотоны, хотя и не имеют массы, имеют импульс - несколько микроньютонов (около веса монеты) на квадратный метр на расстоянии от Земли. Это слабое радиационное давление будет медленно, но верно ускорять парус и его полезную нагрузку от солнца, достигая скорости до 150 000 миль в час или более 40 миль в секунду.
Распространенным заблуждением является то, что солнечные паруса улавливают солнечный ветер, поток энергичных электронов и протонов, которые испаряются из внешней атмосферы Солнца. Не так. Солнечные паруса получают импульс от самого солнечного света. Однако можно использовать импульс солнечного ветра, используя так называемые «плазменные паруса».
Плазменные паруса смоделированы на собственном магнитном поле Земли. Мощные бортовые электромагниты окружают космический корабль магнитным пузырем диаметром 15 или 20 километров. Высокоскоростные заряженные частицы в солнечном ветре толкают магнитный пузырь так же, как и магнитное поле Земли. Земля не движется, когда ее толкают таким образом - наша планета слишком массивна. Но космический корабль будет постепенно отталкиваться от Солнца. (Дополнительный бонус: подобно тому, как магнитное поле Земли защищает нашу планету от солнечных взрывов и радиационных бурь, так и парус с магнитной плазмой защитит обитателей космического корабля.)
Вверху: художественная концепция космического зонда внутри магнитного пузыря (или «плазменного паруса»). Заряженные частицы солнечного ветра ударяются о пузырь, оказывают давление и приводят в движение космический корабль. [Больше]
Конечно, оригинальная, проверенная технология без использования пропеллента - это гравитационная помощь. Когда космический корабль пролетает мимо планеты, он может украсть часть орбитального импульса планеты. Это вряд ли имеет значение для массивной планеты, но может впечатляюще повысить скорость космического корабля. Например, когда Галилей повернул Землю в 1990 году, скорость космического корабля увеличилась на 11 620 миль в час; тем временем Земля замедлялась на своей орбите на величину менее 5 миллиардных долей дюйма в год. Такие гравитационные помощники ценны в дополнении любой формы двигательной установки.
Хорошо, теперь, когда вы пронеслись сквозь межпланетное пространство, как вы замедляете движение к месту назначения настолько, чтобы выйти на парковочную орбиту и подготовиться к посадке? При использовании химических движителей обычная техника состоит в том, чтобы запустить реактивные ракеты - опять же, требуя больших масс бортового топлива.
Гораздо более экономичный вариант обещан за счет аэро захвата - торможения космического корабля путем трения с собственной атмосферой планеты назначения. Хитрость, конечно, не в том, чтобы позволить высокоскоростному межпланетному космическому кораблю сгореть. Но ученые НАСА считают, что с надлежащим образом сконструированным теплозащитным экраном можно было бы захватить много миссий на орбиту вокруг планеты назначения всего за один проход через верхние слои атмосферы.
Вперед!
«Ни одна движительная технология не сделает все для всех», - предупредил Джонсон. Действительно, солнечные паруса и плазменные паруса, вероятно, были бы полезны, прежде всего, для перемещения грузов, а не людей с Земли на Марс, потому что «этим технологиям требуется слишком много времени, чтобы подняться, чтобы ускориться», добавил Дрейк.
Тем не менее, гибрид нескольких технологий может оказаться действительно очень экономичным для получения пилотируемой миссии на Марс. На самом деле, сочетание химической тяги, ионной тяги и аэрохимического захвата могло бы уменьшить стартовую массу миссии на Марс из 6 человек до уровня ниже 450 метрических тонн (требующего только шести пусков) - что вдвое меньше, чем достижимо только с помощью химической тяги.
Такая гибридная миссия может выглядеть следующим образом: химические ракеты, как обычно, оторвут космический корабль от земли. Оказавшись на низкой околоземной орбите, модули ионного привода могут загореться, или наземные контроллеры могут развернуть солнечный или плазменный парус. В течение 6–12 месяцев космический корабль - временно беспилотный, чтобы не подвергать экипаж воздействию больших доз радиации в радиационных поясах Земли Ван Аллена - будет скручиваться и постепенно ускоряться до конечной высокой орбиты вылета Земли. Экипаж тогда был бы переправлен к транспортному средству Марса в высокоскоростном такси; небольшая химическая ступенька поднимает транспортное средство до скорости, и она направляется к Марсу.
Поскольку Земля и Марс вращаются по своим орбитам, относительная геометрия между двумя планетами постоянно меняется. Хотя возможности запуска на Марс появляются каждые 26 месяцев, оптимальное выравнивание для самых дешевых и самых быстрых рейсов происходит каждые 15 лет - следующая будет в 2018 году.
Возможно, к тому времени у нас будет другой ответ на вопрос: «Хьюстон, мы уже там?»
Первоначальный источник: NASA Science Story
