Кредитна слика: НАСА
Као што сви знају, хемијске ракете су преспор за истраживање свемира. Можда ће најефикаснији бити хибридни системи, са различитим врстама погона који се користе на различитим тачкама путовања. Овај чланак вам даје преглед технологија које НАСА тренутно ради.
"Мама, јесмо ли већ ту?"
Сваки родитељ је чуо тај крик са задњег седишта аутомобила. Обично почиње око 15 минута након почетка било ког породичног путовања. Добра ствар је што ријетко путујемо више од неколико стотина или неколико хиљада километара од куће.
Али шта ако путујете на, рецимо, Марс? Чак и када је најближи Земљи сваких пар година, црвена планета је увек најмање 35 милиона миља. Шест месеци тамо и шест месеци назад - у најбољем случају.
"Хјустон, да ли смо већ ту?"
„Хемијске ракете су једноставно преспори“, жали се Лес Јохнсон, руководилац технологија за транспорт у свемиру у НАСА-ином центру за свемирске летове Марсхалл. "Они спаљују све своје погонско гориво на почетку лета, а затим свемирска летелица обара остатак пута." Иако се свемирске летелице могу убрзати помоћу гравитационе помоћи - небеског бића око пуцања планета, попут оне око Сатурна који је Воиагер-ом 1 бацио на ивицу Сунчевог система - време путовања између планета и даље се мери годинама деценијама. А путовање до најближе звезде требало би вековима, ако не и миленијима.
Што је још горе, хемијске ракете су једноставно превише неефикасне. Замислите да се возите бензином преко земље без бензинских пумпи. Морате да превозите бродски брод, а не много друго. У свемирским мисијама оно што можете да возите на свом путовању које није гориво (или резервоари за гориво) назива се масом корисног терета - нпр., Људима, сензорима, узорцима, комуникационом опремом и храном. Као што је километража на гасу корисна бројка заслуга за економичност потрошње горива у аутомобилу, „удио масе корисног оптерећења“ - однос масе корисног оптерећења мисије и његове укупне масе - је корисна бројка заслуга за ефикасност погонских система.
Са данашњим хемијским ракетама, масни удио корисног оптерећења је низак. „Чак и користећи путању минималне енергије да би са Земље на Марс послали шестеро чланова посаде, само хемијским ракетама укупна лансирна маса прешла би 1.000 метричких тона - од чега би око 90 одсто било гориво“, рекао је Брет Г. Драке, менаџер за анализу и интеграцију свемира у Јохнсон Спаце Центер. Само гориво би тежило двоструко више од довршене Међународне свемирске станице.
Једна експедиција са Марсом са данашњом технологијом хемијског погона захтевала би десетине лансирања - од којих би већина једноставно лансирала хемијско гориво. Као да је вашем компактном аутомобилу од једне тоне требало 9 тона бензина да би се возио од Њујорка до Сан Франциска, јер је просечно коштао километар по галону.
Другим речима, ниско ефикасни погонски системи један су од главних разлога зашто људи још нису кренули на Марс.
Ефикаснији погонски системи повећавају масу корисног оптерећења пружајући бољу „километражу“ у простору. Како вам не треба толико погонског горива, можете носити више ствари, ићи у мање возило и / или стићи брже и јефтиније. „Кључна порука је: потребне су нам напредне погонске технологије да бисмо омогућили нискобуџетну мисију на Марс“, изјавио је Драке.
Дакле, НАСА сада развија ионске погоне, соларна једра и друге технологије егзотичних погона које су деценијама лупале људе на друге планете и звезде - али само на страницама научне фантастике.
Од корњаче до зеца
Које су опције научне чињенице?
НАСА тешко ради на два основна приступа. Први је развити радикално нове ракете које имају редослед бољу потрошњу горива од хемијског погона. Други је развој система „без погонског горива“ који покрећу ресурси који обилују вакуумом дубоког свемира.
Све ове технологије имају једну кључну карактеристику: почињу полако, попут пословичне корњаче, али с временом се претварају у зеца који заправо побеђује трку ка Марсу - или где год. Ослањају се на чињеницу да мало континуирано убрзање током месеци може у коначници покренути свемирску летјелицу далеко брже од једног огромног почетног удара праћеног дугим периодом обарања.
Горе: Овај свемирски брод ниског притиска (уметников концепт) покреће јонски мотор и покреће га соларна струја. На крају ће летелица убрзати брзину - резултат неумољивог убрзавања - и трчати се брзином од много километара у секунди. Кредитна слика: Јохн Фрассанито & Ассоциатес, Инц.
Технички гледано, то су сви системи са малим притиском (што значи да бисте једва осетили тако благо благо убрзање, еквивалентно тежини папира који лежи на вашој длан), али дугим радним временима. Након неколико месеци непрекидног малог убрзања, снимали бисте се брзином од више километара у секунди! Супротно томе, хемијски погонски системи су високог притиска и кратког радног времена. Вратили сте се у јастуке седишта док мотори пуцају, али само накратко. Након тога резервоар је празан.
Ракете са ефикасним горивом
„Ракета је било шта што баци нешто преко брода да се крене напријед“, нагласио је Јохнсон. (Не верујете у ту дефиницију? Седите на скејтборд са цревом високог притиска упереним у један смер и покренућете вас на супротни начин).
Водећи кандидати за напредну ракету су варијанте јонских мотора. У тренутним јонским моторима, погонско гориво је безбојни, инертни гас без мириса, као што је ксенон. Гас испуњава магнетну комору са прстеном кроз коју пролази електронски сноп. Електрони погађају гасовите атоме, откуцавајући спољни електрон и претварајући неутралне атоме у позитивно наелектрисане јоне. Електрификоване мреже с многим рупама (15.000 у данашњим верзијама) фокусирају јоне према испуху свемирског брода. Јони пуцају поред решетки брзином већом од 100.000 миља на сат (упоредите то са тркачким возилом из Индианаполиса 500 на 225 мпх) - убрзавајући мотор у свемиру, стварајући тако потисак.
Одакле долази струја да ионизира гас и пуни мотор? Или из соларних панела (тзв. Соларни електрични погон) или од фисије или фузије (тзв. Нуклеарни електрични погон). Соларни електрични погонски мотори били би најефикаснији за роботске мисије између Сунца и Марса, а нуклеарни електрични погон за роботске мисије изван Марса где је сунчева светлост слаба или за људске мисије где је брзина од суштинске важности.
Јон погони раде. Доказали су своју способност не само на тестовима на Земљи, већ и у радној свемирској летјелици - најпознатија је Дееп Спаце 1, мала мисија за тестирање технологије која се покреће соларним електричним погоном и која је у септембру летјела и фотографирала Цомет Боррелли, 2001. Јон погони попут оне која је покретала Дееп Спаце 1 око 10 пута су ефикасније од хемијских ракета.
Системи без горива
Погонски системи са најмањом масом, међутим, могу бити они који уопште не садрже бродско гориво. У ствари, чак нису ни ракете. Уместо тога, у правом пионирском стилу, они „живе од земље“ - тражећи енергију у природним ресурсима који обилују простором, колико су се пионири раније ослањали на храну заробљавајући животиње и проналазећи корене и бобице на граници.
Два водећа кандидата су соларна једра и плазма једра. Иако је ефекат сличан, механизми рада су веома различити.
Соларно једро састоји се од огромне површине гусамер-а, сјајно рефлектирајућег материјала који се отвара у дубоком свемиру да би ухватио светлост сунца (или из микроталасне или ласерске зраке са Земље). За врло амбициозне мисије, једра би се могла кретати до више квадратних километара подручја.
Соларна једра користе предност чињенице да соларни фотони, иако немају масу, имају замах - неколико микроневтона (приближно тежина новчића) по квадратном метру на удаљености од Земље. Овај благи притисак зрачења полако ће, али сигурно, убрзати једро и његов терет далеко од сунца, достижући брзине до 150 000 миља на сат или више од 40 миља у секунди.
Честа заблуда је да соларна једра хватају соларни ветар, ток енергетских електрона и протона који кључају из Сунчеве спољне атмосфере. Не тако. Соларна једра добијају замах од саме сунчеве светлости. Могуће је, међутим, додирнути замах соларног вјетра помоћу такозваних „плазма једра“.
Једра плазме моделирана су на Земљином магнетном пољу. Снажни борбени електромагнети окружили би свемирску летјелицу магнетним мјехуром дужине 15 или 20 километара. Честице набијене великим брзинама у соларном ветру би гурнуле магнетни балон, баш као што раде и Земљино магнетно поље. Земља се не креће када је притиснута на овај начин - наша планета је превише масивна. Али свемирска летелица би се постепено одгурнула од Сунца. (Додатни бонус: баш као што магнетно поље Земље штити нашу планету од соларних експлозија и радијацијских олуја, тако би магнетно једро плазме штитило путнике свемирске летјелице.)
Горе: Умјетников концепт свемирске сонде унутар магнетског мјехурића (или „плазма једра“). Напуњене честице у соларном ветру ударају у мехур, врше притисак и покрећу свемирску летелицу. [више]
Наравно, оригинална, испробана технологија без погонског горива, је помоћ у гравитацији. Када се свемирска летелица љуља планетом, она може украсти дио орбиталног замаха планете. Ово тешко да има значаја за масивну планету, али може импресивно повећати брзину свемирске летелице. На пример, када је Галилео замахнуо са Земље 1990. године, брзина свемирске летјелице повећала се за 11.620 мпх; у међувремену је Земља успорила у својој орбити за количину мању од 5 милијарди инча годишње. Такве гравитационе помоћи су драгоцене у допуњавању било којег облика погонског система.
Ок, сада када пролазите кроз међупланетарни простор, како успорити на одредишту довољно да уђете у паркинг орбиту и припремите се за слетање? Са хемијским погоном, уобичајена техника је испаљивање ретроактиваца - још једном, захтевајући велике масе унутрашњег горива.
Далеко економичнија опција обећана је аерокапсирањем - кочењем свемирског брода трењем о атмосфери одредишне планете. Трик је, наравно, не дозволити да интерпланетарна свемирска летјелица изгорева. Али НАСА-ини научници сматрају да би уз одговарајуће дизајниран топлотни штит било могуће да се многе мисије заробе у орбити око одредишне планете само једним проласком кроз горњу атмосферу.
Напријед!
„Ниједна појединачна погонска технологија неће учинити свима за све“, упозорио је Џонсон. Заиста, соларна једра и плазма једра ће вјероватно бити корисни првенствено за покретање терета, а не људи с Земље на Марс, јер "предуго је потребно да те технологије порасту да би побјегле од брзине", додао је Драке.
Без обзира на то, хибрид са неколико технологија могао би се показати као врло економичан у постизању планиране мисије на Марс. У ствари, комбинација хемијског погона, јонског погона и аерокаптуре могла би смањити лансирну масу шестероструке мисије на Марс на испод 450 метричких тона (потребно је само шест лансирања) - без половине која је могућа само хемијским погоном.
Таква хибридна мисија би могла изгледати овако: Хемијске ракете, као и обично, свемирске летелице срушиле са земље. Једном када би се нашли у орбити ниске Земље, ионски погонски модули би се запалили, или би земаљски контролери могли да распореде соларно или плазмо једро. За 6 до 12 месеци свемирски брод - привремено беспилотни брод да би избегао излагање посаде великим дозама зрачења у Земљиним појасима Ван Аллен - би се спиралирао, постепено убрзавајући до коначне високе орбите одласка на Земљу. Посада би потом возио на Марсово возило у таксију велике брзине; мали хемијски стадиј тада би подигао возило да би побегао из брзине и кренуо би према Марсу.
Како се Земља и Марс окрећу у својим орбитама, релативна геометрија између две планете се непрестано мења. Иако се могућности лансирања на Марс догађају сваких 26 месеци, оптимална прилагођавања за најјефтинија, најбржа могућа путовања се дешавају сваких 15 година - следећа ће бити 2018. године.
Можда ћемо до тада имати другачији одговор на питање „Хјустон, да ли смо већ ту?“
Изворни извор: НАСА Сциенце Стори
