Obrazový kredit: NASA
Ako každý vie, chemické rakety sú príliš pomalé na prieskum vesmíru. Asi najúčinnejšími budú hybridné systémy s rôznymi druhmi pohonu, ktoré sa používajú na rôznych miestach cesty. Tento článok poskytuje prehľad technológií, na ktorých NASA momentálne pracuje.
"Mami, už sme tam?"
Každý rodič počul tento výkrik zo zadného sedadla vozidla. Zvyčajne to začína asi 15 minút po začiatku akejkoľvek rodinnej cesty. Dobrá vec, zriedka cestujeme viac ako pár stoviek alebo niekoľko tisíc kilometrov od domu.
Ale čo keby ste cestovali, povedzme, na Mars? Aj pri najbližšom prístupe k Zemi každých pár rokov je červená planéta vzdialená najmenej 35 miliónov kilometrov. Šesť mesiacov tam a šesť mesiacov späť - nanajvýš.
"Houston, už sme tam?"
„Chemické rakety sú príliš pomalé,“ nariaďuje Les Johnson, manažér technológií pre vesmírnu prepravu v Marshall Space Flight Center agentúry NASA. "Spália všetku svoju pohonnú látku na začiatku letu a potom kozmická loď iba zvyšok pobrežia." Hoci kozmická loď môže byť urýchlená pomocou gravitačnej asistencie - nebeská trhlina bič okolo planét, ako je tá okolo Saturn, ktorá hodila Voyager 1 na okraj slnečnej sústavy, cestovné časy medzi planétami sa stále merajú v rokoch. na desaťročia. Cesta k najbližšej hviezde by trvala storočia, ak nie tisícročia.
Horšie je, že chemické rakety sú príliš neefektívne z hľadiska paliva. Pomysli na jazdu v plynovom guzzleri cez krajinu bez čerpacích staníc. Museli by ste niesť náklad plynu a nič iné. V vesmírnych misiách sa to, čo môžete mať na svojej ceste a ktoré nie je palivo (alebo nádrže na palivo), nazýva hmotnosť užitočného zaťaženia - napríklad ľudia, senzory, vzorkovače, komunikačné zariadenia a jedlo. Rovnako ako kilometrový výkon je užitočná hodnota zásluh na palivovej účinnosti automobilu, „zlomok hmotnosti užitočného zaťaženia“ - pomer hmotnosti užitočného zaťaženia misie k jeho celkovej hmotnosti - je užitočným ukazovateľom efektívnosti pohonných systémov.
Pri dnešných chemických raketách je podiel hmotnosti užitočného zaťaženia nízky. "Dokonca aj s použitím minimálnej energie-trajektórie poslať šesťčlennú posádku zo Zeme na Mars, len s chemickými raketami by celková štartovacia hmota prekročila 1 000 metrických ton - z ktorých asi 90 percent by bolo palivo," povedal Bret G. Drake, manažér pre analýzu a integráciu kozmického priestoru v Johnson Space Center. Samotné palivo by vážilo dvakrát toľko ako dokončená Medzinárodná vesmírna stanica.
Jediná expedícia na Mars s dnešnou technológiou chemického pohonu by vyžadovala desiatky vypustení - väčšina z nich by jednoducho vypustila chemické palivo. Je to akoby vaše kompaktné auto s hmotnosťou 1 tony potrebovalo 9 ton benzínu na to, aby šlo z New Yorku do San Francisca, pretože jeho priemerná hmotnosť bola iba 1 míľa na galón.
Inými slovami, nízko výkonné pohonné systémy sú jedným z hlavných dôvodov, prečo ľudia ešte na Mars nestúpili.
Účinnejšie pohonné systémy zvyšujú hmotnostný zlomok užitočného zaťaženia tým, že poskytujú lepší „kilometrový výkon“ vo vesmíre. Pretože nepotrebujete toľko paliva, môžete nosiť viac vecí, ísť do menšieho vozidla a / alebo sa tam dostať rýchlejšie a lacnejšie. "Kľúčové posolstvo je: potrebujeme pokročilé technológie pohonu, ktoré umožnia nízkonákladovú misiu na Mars," vyhlásil Drake.
NASA teraz vyvíja iónové pohony, solárne plachty a ďalšie exotické technológie pohonu, ktoré už desaťročia priťahujú ľudí na iné planéty a hviezdy - ale iba na stránkach sci-fi.
Z korytnačky na zajac
Aké sú vedecké možnosti?
NASA ťažko pracuje na dvoch základných prístupoch. Prvým je vývoj radikálne nových rakiet, ktoré majú rádovo vyššiu spotrebu paliva ako chemický pohon. Druhým je vývoj systémov „bez hnacieho plynu“, ktoré sú poháňané zdrojmi bohatými na vákuum hlbokého vesmíru.
Všetky tieto technológie majú jednu kľúčovú charakteristiku: začínajú pomaly, ako príslovečné korytnačky, ale postupom času sa z nich stáva zajac, ktorý skutočne vyhrá preteky na Marse alebo kdekoľvek. Spoliehajú sa na skutočnosť, že malé nepretržité zrýchlenie v priebehu mesiacov môže v konečnom dôsledku poháňať kozmickú loď oveľa rýchlejšie ako jeden obrovský počiatočný kop, po ktorom nasleduje dlhá doba dojazdu.
Hore: Táto kozmická loď s nízkym ťahom (umelecký koncept) je poháňaná iónovým motorom a poháňaná slnečnou elektrinou. Nakoniec plavidlo naberie rýchlosť - výsledok neúnavného zrýchlenia - a rozbehne sa rýchlosťou mnohých kilometrov za sekundu. Obrazový kredit: John Frassanito & Associates, Inc.
Technicky povedané, sú to všetky systémy s nízkym ťahom (čo znamená, že by ste sotva pocítili oh-tak jemné zrýchlenie, ktoré je ekvivalentom hmotnosti kusu papiera ležiaceho na dlani), ale dlhé prevádzkové doby. Po mesiacoch neustáleho zrýchľovania by ste sa orezávali rýchlosťou mnohých kilometrov za sekundu! Naproti tomu systémy chemického pohonu majú vysoký ťah a krátke prevádzkové doby. Zatiaľ čo motory strieľate, ste stlačení späť do vankúšov sedadiel, ale iba krátko. Potom je nádrž prázdna.
Palivá efektívne využívajúce palivo
"Raketa je čokoľvek, čo vrhá niečo cez palubu, aby sa pohlo dopredu," zdôraznil Johnson. (Neverte tejto definícii? Sadnite si na skateboard s vysokotlakovou hadicou namierenou jedným smerom a budete poháňaní opačným spôsobom).
Vedúcimi kandidátmi na pokročilou raketu sú varianty iónových motorov. V súčasných iónových motoroch je hnacou látkou bezfarebný, bez chuti a bez zápachu inertný plyn, ako je xenón. Plyn plní komoru s magnetickým krúžkom, cez ktorú prechádza elektrónový lúč. Elektróny narážajú na plynné atómy, vyraďujú vonkajší elektrón a menia neutrálne atómy na pozitívne nabité ióny. Elektrifikované mriežky s mnohými otvormi (15 000 v dnešných verziách) zameriavajú ióny na výfuk kozmickej lode. Ióny strieľajú okolo mriežky rýchlosťou až viac ako 100 000 kilometrov za hodinu (porovnajte ju s pretekárskym vozidlom Indianapolis 500 pri 225 km / h) - zrýchľujúc motor do vesmíru, takže vytvárajú ťah.
Odkiaľ pochádza elektrina, ktorá ionizuje plyn a nabíja motor? Buď zo solárnych panelov (takzvaný solárny elektrický pohon) alebo zo štiepenia alebo fúzie (tzv. Jadrový elektrický pohon). Solárne elektrické hnacie motory by boli najúčinnejšie pre robotické misie medzi slnkom a Marsom a jadrový elektrický pohon pre robotické misie mimo Marsu, kde je slabé slnečné svetlo alebo pre ľudské misie, kde je rýchlosť podstatná.
Iónové pohony pracujú. Svoju rozvahu dokázali nielen pri skúškach na Zemi, ale aj v pracovných kozmických lodiach - najznámejšou je Deep Space 1, malá misia na testovanie technológií poháňaná solárnym elektrickým pohonom, ktorá v septembri preletela a vyfotografovala kométu Borrelly, 2001. Iónové pohony ako tie, ktoré poháňali Deep Space 1, sú asi 10-krát účinnejšie ako chemické rakety.
Systémy bez hnacieho plynu
Pohonné systémy s najnižšou hmotnosťou však môžu byť také, ktoré nenesú vôbec žiadne palivo na palube. V skutočnosti to nie sú ani rakety. Namiesto toho v „skutočnom priekopníckom štýle“ „žijú z pevniny“ - požadujú energiu na prírodných zdrojoch bohatých na vesmír, rovnako ako priekopníci z dávnych čias spoliehali na jedlo na chytanie zvierat a nájdenie koreňov a bobúľ na hranici.
Dvaja vedúci kandidáti sú solárne plachty a plazmatické plachty. Hoci je účinok podobný, prevádzkové mechanizmy sa veľmi líšia.
Slnečná plachta sa skladá z obrovskej oblasti klebety, vysoko reflexného materiálu, ktorý sa rozvíja v hlbokom priestore na zachytenie svetla zo slnka (alebo z mikrovlnného alebo laserového lúča zo Zeme). Pri veľmi ambicióznych misiách sa môžu plachty pohybovať až po mnoho kilometrov štvorcových.
Slnečné plachty využívajú skutočnosť, že solárne fotóny, hoci nemajú hmotnosť, majú hybnosť - niekoľko mikronewtonov (približne o hmotnosti mince) na meter štvorcový vo vzdialenosti Zeme. Tento jemný radiačný tlak pomaly, ale určite zrýchli plachtu a jej užitočné zaťaženie od Slnka a dosiahne rýchlosť až 150 000 míľ za hodinu alebo viac ako 40 míľ za sekundu.
Bežná mylná predstava je, že slnečné plachty zachytávajú slnečný vietor, prúd energetických elektrónov a protónov, ktoré vrú mimo vonkajšiu atmosféru Slnka. Nie tak. Solárne plachty získavajú svoju hybnú silu zo samotného slnečného svetla. Je však možné využiť dynamiku slnečného vetra pomocou tzv. Plazmatických plachiet.
Plazmové plachty sú modelované na vlastnom magnetickom poli Zeme. Silné palubné elektromagnety by obklopili kozmickú loď s magnetickou bublinou s priemerom 15 alebo 20 kilometrov. Vysokorýchlostné nabité častice v slnečnom vetre by vytlačili magnetickú bublinu, rovnako ako magnetické pole Zeme. Keď sa takto posunie, Zem sa nepohybuje - naša planéta je príliš veľká. Kozmická loď by sa však od Slnka postupne vyhadzovala. (Dodatočný bonus: rovnako ako magnetické pole Zeme chráni našu planétu pred slnečnými explóziami a búrkami žiarenia, tak by aj posádka kozmickej lode chránila plachta s magnetickou plazmou.)
Hore: umelecká koncepcia vesmírnej sondy vo vnútri magnetickej bubliny (alebo „plazmatickej plachty“). Nabité častice v slnečnom vetre zasiahli bublinu, vyvíjali tlak a poháňali kozmickú loď. [Viac]
Pôvodná osvedčená technológia bez pohonných hmôt samozrejme pomáha pri gravitácii. Keď sa kozmická loď otočí planétou, môže ukradnúť časť jej orbitálnej hybnosti. To sotva robí rozdiel v obrovskej planéte, ale môže to pôsobivo zvýšiť rýchlosť kozmickej lode. Napríklad, keď sa Galileo v roku 1990 otočil Zemou, rýchlosť kozmickej lode sa zvýšila o 11 620 mph; medzitým sa Zem spomalila na svojej obežnej dráhe o sumu menšiu ako 5 miliárdtin palca ročne. Takéto asistencie pri gravitácii sú cenné pri dopĺňaní akejkoľvek formy pohonného systému.
Dobre, teraz, keď ste prešli medziplanetárnym priestorom, ako spomalíte natáčanie v cieľovom mieste, aby ste šli na parkovaciu dráhu a pripravili sa na pristátie? V prípade chemického pohonu je obvyklou technikou vystrelenie puzdier - opäť vyžadujúcich veľké množstvo paliva na palube.
Oveľa lacnejšia alternatíva sľubuje letectvo - brzdenie kozmickej lode trením s atmosférou cieľovej planéty. Trikom samozrejme nie je nechať vyhorieť vysokorýchlostná medziplanetárna kozmická loď. Vedci NASA sa však domnievajú, že pri vhodne navrhnutom tepelnom štíte by bolo možné mnoho misií zachytiť na obežnú dráhu okolo cieľovej planéty iba jedným prechodom cez jej hornú atmosféru.
Vpred!
"Žiadna technológia pohonu nebude robiť všetko pre každého," varoval Johnson. Solárne plachty a plazmové plachty by boli skutočne užitočné predovšetkým na pohon nákladu než ľudí zo Zeme na Mars, pretože „trvá príliš dlho, kým tieto technológie vstanú, aby unikli rýchlosti,“ dodal Drake.
Kombinácia viacerých technológií by sa však mohla ukázať ako veľmi hospodárna pri získavaní misie s posádkou na Mars. V skutočnosti by kombinácia chemického pohonu, iónového pohonu a aerocaptúry mohla znížiť štartovaciu hmotnosť misie pre 6 osôb na Mars pod 450 metrických ton (vyžadujúcich iba šesť vypustení) - bez toho, aby bola polovica dosiahnuteľná iba pri chemickom pohone.
Takáto hybridná misia by mohla ísť takto: Chemické rakety, ako obvykle, dostanú kozmickú loď zo zeme. Keď sa na obežnej dráhe s nízkou zemou vyskytnú, moduly iónového pohonu sa zapália alebo pozemné regulátory môžu nasadiť solárnu alebo plazmovú plachtu. Počas 6 až 12 mesiacov by sa vesmírna loď - dočasne bez posádky, aby sa vyhol vystaveniu posádky veľkým dávkam žiarenia v radiačných pásoch Zeme Allen - špirálovite preč a postupne by sa zrýchľovala až na konečnú vysokú obežnú dráhu odletu zeme. Posádka by potom bola prevezená na vozidlo Mars vo vysokorýchlostnom taxíku; malá chemická fáza by potom nakopla vozidlo, aby unikla rýchlosti, a smerovala by ďalej na Mars.
Keď sa Zem a Mars otáčajú na svojich príslušných dráhach, relatívna geometria medzi oboma planétami sa neustále mení. Aj keď príležitosti na spustenie na Mars sa objavujú každých 26 mesiacov, optimálne zarovnanie na najlacnejšie a najrýchlejšie možné cesty sa uskutočňujú každých 15 rokov - nasledujúci rok v roku 2018.
Možno do tej doby budeme mať inú odpoveď na otázku „Houston, už sme tam?“
Pôvodný zdroj: NASA Science Story
