Înainte de a fantezi despre explorarea spațiului, ar fi frumos să înțelegem cum vom cădea în acest cosmos. Pentru că am îndoieli uriașe în viitorul strălucit al cosmonauticii, cheltuind zeci de milioane de dolari pentru fiecare lansare a rachetei.
Deci, să ne dăm seama ce avem și ce se poate face cu adevărat. Este real - fără ascensoare cosmice, bucle de lansare, inele de accelerare în jurul întregului ecuator, antigravitate și alte ficțiuni.
Nu vor mai fi mai multe opțiuni: rachete, avioane cu rachete și arme. Aceasta este ceea ce este cu adevărat fezabil și aplicabil în viitorul apropiat.
Acesta este un dispozitiv devilishly wasteful, care ia doar 2 - 3% din propria masă de pornire pe orbită. În plus, începutul cel mai ieftin al rachetei de marfă va costa aproximativ 10 milioane de dolari. Cele mai ieftine. O lansare tipică a unei rachete costă 60-80 milioane de euro. Dacă aveți nevoie să aruncați ceva pe orbita geostaționară - fiți pregătit să vă prezentați mai mult de o sută de milioane. Și aceasta este doar lansarea în sine, fără costul unei sarcini utile.
Să ne uităm acum la programul spațial echipat. A se vedea, adevărul, mai ales nu pe faptul că: rus „Soyuz“, American „Space Shuttle“ copie chineză „a Uniunii“ - „Shenzhen“.
Clonele chinezești în prezența originalului nu vor fi luate în considerare. De asemenea, navele de transfer nu pot fi luate în considerare - deja își completează zborurile. Asta, în general, și nu e de mirare, cu costul lansării naveta în jumătate de miliard de dolari. Este adevărat că navetele au fost opt locuri împotriva uniunilor cu trei locuri, astfel încât lansarea navelor rusești costă "doar" 40 de milioane.
Dintre navele potențiale, puteți acorda atenție "dragonului", dezvoltat de o companie americană privată. El a zburat deja într-o versiune automată și, cel mai probabil, va zbura mai departe. Deoarece NASA, după ce a rămas fără nave proprii, a semnat deja un contract cu dezvoltatorii Dragonului pentru 12 lansări în valoare de 1,6 miliarde de dolari. Aceasta înseamnă că o lansare va costa 130 milioane de euro. Deoarece nava are șapte locuri, obținem 19 milioane de euro pe persoană. Nu este ieftin!
Să ne gândim cum să îmbunătățim caracteristicile rachetelor. Deși nu trebuie să mă gândesc la asta. Rețetă de rachete bine stabilit în formule Tsiolkovskii: lansarea reducerea relativă în masă la masa sarcinii utile, descărcarea de viteza de lucru a corpului a crescut, creșterea numărului de etape ale rachetei.
Cu toate acestea, mai mult de trei pași nu sunt de obicei făcuți, deoarece Cu un număr mai mare de pași, caracteristicile se îmbunătățesc ușor, iar complexitatea crește considerabil.
Prin urmare, rămâne să se reducă masa rachetelor și să se mărească viteza fluidului de lucru. Cu toate acestea, proiectarea rachetei nu poate fi redusă la infinit - trebuie să reziste supraîncărcării la început. Proiectele de rachete sunt deja luminate până la limită. De exemplu, masa "uscată" a "Proton" - 47 de tone, și combustibil în ea conduce 620 de tone!
Deci, toate speranțele sunt doar pentru îmbunătățirea motoarelor. Și acum sunt tip chimic. Asta se bazează pe combustibilul ars. Nu vom enumera toate variantele combustibilului și oxidantului (sunt prea multe), menționând doar hidrogenul și kerosenul oxidat de oxigen. În acest caz, impulsul specific (viteza de curgere) pentru kerosen este de aproximativ 3000 m / s, pentru hidrogen - 4500. Avem nevoie de mai multă viteză, trebuie să ne uităm la alte tipuri de motoare.
Și există astfel de motoare și sunt chiar folosite. Acestea sunt motoarele ionice, ale căror impuls specific atinge sute de kilometri pe secundă! Dar - din păcate! Propulsia acestor motoare este măsurată în grame, spre deosebire de sutele de forțe de forță ale motoarelor chimice. Pentru zborurile undeva spre Jupiter, un motor ionic care funcționează în mod constant este chiar mai bun decât câteva minute de muncă chimică. Cu toate acestea, pentru a porni de la suprafața planetelor, motorul cu ioni nu este bun.
Uite, asta e la noi. Plasma electrica, magnetohidrodinamica. Toate rahaturile! Prea puțină tracțiune. Singurul lucru care ne salvează este motoarele cu rachete nucleare. Tragerea lor este comparabilă cu forța motoarelor chimice, dar impulsul specific este mult mai mare. De exemplu, motorul nuclear SS-0410, dezvoltat în Uniunea Sovietică, are un impuls specific de 9000 m / s. Părea, de numai 3 ori mai mare decât kerosenul. Cu toate acestea, aceste "numai de trei ori" duc în practică la o diferență colosală. De exemplu, o rachetă "kerosen" cântărind 300 de tone sau o greutate nucleară de 30 este necesară pentru a aduce un satelit de zece tone într-o orbită de 250 km înălțime! O diferență notabilă, nu-i așa?
Principiul funcționării NRD este foarte simplu - încălzirea fluidului de lucru atunci când este pompată printr-un reactor nuclear. Și nu vă temeți de cuvântul "nuclear": atunci când motorul nu funcționează, nu se produce contaminarea radioactivă, iar în caz de accidente, fără îndoială, vor fi furnizate măsuri de securitate adecvate. La fel, aceste motoare vor fi instalate în mod evident pe nave spațiale reutilizabile, respectiv vor ateriza ușor pentru reutilizare.
Chiar și indicatori mai mari vor fi furnizați de motoarele nucleare în fază lichidă și în fază gazoasă. În ele materialul fisionabil este încălzit într-o asemenea măsură încât este în stare lichidă și chiar gazoasă. Impulsul specific acestor motoare este de 15.000 și mai mult de 30.000 m / s, respectiv! Cu astfel de parametri, o singură etapă va fi suficientă pentru ca orbita să părăsească orbita și zborurile către Marte sau Venus vor deveni rutine. În principiu, nu există probleme insurmontabile pentru dezvoltarea unor astfel de motoare. În URSS, a fost elaborată chiar și mostra de lucru a ansamblului de combustibil al YAR-ului cu fază gazoasă. Principalul motiv pentru care aceste motoare nu sunt utilizate este teama de posibila contaminare radioactivă în timpul accidentelor navelor spațiale.
Dar, se pare, problema sa mutat din capătul sfârșitului: Roskosmos a anunțat începutul dezvoltării unor module unificate de centrale atomice de mare putere pentru vehicule spațiale. Primele copii de lucru ar trebui să fie gata în 5-8 ani. Este adevărat că aceste reactoare nu vor fi utilizate în NRD, ci ca surse de energie pentru motoarele ionice. Cu toate acestea, există o speranță că funcționarea acestor reactoare va schimba atitudinea prejudecată față de un atom pașnic în spațiu și va continua să dezvolte NDD.
2. Rocketplanes (aeronave și aeronave)
În timp ce urca rachetă spațială învinge gravitația, dar nu cel mai eficient mod: până la o altitudine de 30-40 de kilometri este posibil să se utilizeze forța de ridicare a atmosferei. La fel, la astfel de înălțimi este posibil și oxidantul pentru combustibil să nu poarte, ci să ia direct din aerul din jur. Există o economie dublă.
Desigur, de la 40 de kilometri până la spațiu încă se ridică și se ridică, deci la urma urmei, consumul principal de combustibil cade pe prima etapă a rachetei. Și orice procent din economiile de aici va fi mai vizibil.
Din păcate, utilizarea chimice extrem de dificil de a construi motoare „clasice“ singur plan etapă racheta ajunge pe orbita doar pe propriile sale motoare fără acceleratoare și evacuate tancuri. Și Yard pe ea este puțin probabil să pună. În orice caz, în viitorul apropiat.
Prin urmare, este logic să se ia în considerare sisteme în două etape, dintre care un număr suficient a fost deja inventat. Se poate aminti Zenger, MAKS, Spiral. Unele elemente ale acestor sisteme au fost deja puse în aplicare „de fier“: Proiectul MAX a creat un unic cu trei componente RD-701, pentru Proiectul Helix este construit și testat un plan experimental orbital. Din păcate, niciunul dintre aceste sisteme din diverse motive (în principal planul financiar) nu a fost adus la capăt.
Cu toate acestea, nu mă îndoiesc că astfel de sisteme vor fi utilizate în viitor. Pe lângă eficiența energetică a transportării mărfurilor pe orbită, au și alte avantaje.
Pentru ei nu este necesar să construim cosmodromuri scumpe - decolarea unui avion purtător poate fi făcută dintr-un aerodrom convențional. Aterizarea planului orbital se face, de asemenea, la aerodrom. Și pentru că începerea are loc în aer, puteți începe de oriunde din lume, în special din cel mai avantajos loc energetic - de la ecuator.
Versiunea optimă a "primei etape" este o aeronavă de transport hipersonic. În viitor, poate accelera până la viteze de 10-15M (3-4,5 km / s), ceea ce reprezintă jumătate din viteza necesară pentru a intra pe orbită. De fapt, având o astfel de viteză, un accelerator hipersonic poate fi folosit și ca avion suborbital pentru turiștii spațiali "pokatushki". Accelerând în atmosferă, poate ajunge la o înălțime mai mare de 500 km de-a lungul unei traiectorii parabolice, iar timpul în gravitație zero va fi mai mare de 10 minute.
În plus, un avion suborbital poate fi folosit și ca vehicul, permițând câteva ore să zboare oriunde în lume.
Din păcate, avioanele hipersonice nu există încă. Dezvoltarea lor este plină de numeroase probleme tehnice, a căror soluționare necesită resurse financiare imense. Una dintre probleme este ca motorul hipersonic incepe sa functioneze eficient la o viteza de 6-8M, la care trebuie sa fie accelerata. Overclockarea la astfel de viteze se poate face în două moduri:
1) folosind un motor cu rachete
2) cu ajutorul motorului cu jet de aer supersonic cu jet de aer (SPVRD)
Dar SPMS însuși, așa cum sugerează și numele, operează la viteze supersonice, cărora trebuie, de asemenea, să fie dispersate. Acest lucru se poate face cu motoarele turbojet convenționale. Cu toate acestea, acest lucru este destul de "urât" din punct de vedere tehnic - pentru a instala pe un singur avion cât mai multe trei tipuri diferite de motoare! Așadar, am venit cu o variantă mai interesantă - un combinat combinat hipersonic / supersonic. Până la viteze de aproximativ 5 milioane (în funcție de proiectare), funcționează ca un SPMS, apoi modifică geometria și intră în modul SHVRD. În acest caz, aeronava poate gestiona un astfel de motor combinat și motoarele convenționale turbojet pentru a accelera la viteza de zgomot și manevre în timpul aterizării.
A doua problemă mare este încălzirea foarte puternică a corpului dispozitivului atunci când zboară în atmosferă la astfel de viteze. Nasul fuselajului, muchiile frontale ale aripilor și orificiul de admisie a aerului pot fi încălzite la temperaturi de ordinul a unu și jumătate de mii de grade, adică până la temperatura de topire a oțelului. Prin urmare, este necesar să se facă aceste părți ale aparatului din materiale speciale rezistente la căldură, să se instaleze un sistem de răcire și să se elimine foarte rapid o cantitate imensă de căldură. Există și câteva opțiuni:
1) atunci când se stochează combustibil sub formă de hidrogen lichid, hidrogenul lichid poate fi pompat prin pereții dubli ai aeronavei, care se vor evapora și se vor trimite către sistemul de propulsie
2) când se utilizează kerosen, se poate descompune în prezența catalizatorilor la hidrogen și alte hidrocarburi și se absorb o cantitate mare de căldură. Desigur, produsele de descompunere ajung în motoare și iau căldura cu ele.
A doua opțiune este folosită într-o fantastică la prima vedere, sistemul "Ajax". Ai citit și nu credeți: generatoare MHD, acceleratoare MHD, reducerea rezistenței mediului la ionizarea aerului, controlul aerodinamicii aparatului cu ajutorul plasmei. În cele din urmă, veți fi uimiți când veți afla că unele dintre aceste tehnologii au fost deja testate cu succes!
Totuși, acest lucru nu este, într-adevăr, cel mai apropiat viitor. Dar deja există un candidat bun pentru rolul unui tampon de lansare a aerului - An-225 "Mriya". Este vorba despre aeronava care ar trebui folosită în sistemul aerospațial multifuncțional (MAKS). Desigur, viteza aici este mult mai puțin - subsonic, dar această aeronavă a zburat mult timp, iar restul sistemului este complet elaborat. Costul de producție a mărfurilor cu ajutorul MAKS va fi de numai 1 mie de dolari / kg.
Cu siguranta ai citit "De la tun la luna" de Jules Verne. Desigur, aceasta este o fantezie completă, dar, de fapt, de ce nu lansăm nave spațiale, aruncându-le de la un tun? Răspunsul vă va fi dat de orice student care nu trece peste clase în fizică. Există mai multe motive:
1) O accelerare imensă care apare atunci când o focalizare este trasă. 5000g - este mortală nu numai pentru oameni, ci pentru cea mai mare parte a "umpluturii" obișnuite a sateliților
2) Viteza scăzută a gazelor propulsoare este de aproximativ 2 km / s, care este foarte departe de prima viteză cosmică. Și proiectilul nu va zbura mai repede decât gazele care o împing.
3) Chiar dacă viteza a fost suficientă, satelitul ar zbura peste o orbită eliptică care trece prin butoiul pistolului. De fapt, aceasta sa prăbușit în Pământ.
Este posibil să se facă față acestor probleme? Poți! Să o luăm în schimb.
Da, ele sunt minunate. Dar o mulțime de încărcături trebuie trimise pe orbită, care va supraviețui cu ușurință unor astfel de accelerații: combustibil rachetă, oxigen, apă și alte mărfuri lichide și în vrac. Desigur, o cantitate relativ mică de marfă se va potrivi în proiectil, dar aceasta este compensată de prețul scăzut al producției. Și va elibera un loc scump în navele de marfă pentru alte mărfuri mai fragile.
Aceasta, de fapt, nu este o mare problemă. Este suficient să echipăm proiectilele cu propriile lor motoare pentru a corecta traiectoria. Această tehnologie a fost folosită de mult în artilerie și rachete ghidate, care sunt trase de tunuri.
O viteză mică de gaze pulverulente
Această problemă este rezolvată prin utilizarea de gaze cu greutate moleculară mică, care au cea mai mare rată de expansiune. Opțiune ideală - hidrogen. Și astfel de arme au fost deja testate. Pe tunul de hidrogen SHARP a fost posibil să se atingă viteza proiectilului de 3 km / s, iar după modernizare sa planificat obținerea a 7 km / s. Din nefericire, datorită încetării finanțării, proiectul a fost închis. Dar arma generației anterioare (proiectul HARP) a reușit să arunce un proiectil de 180 km în sus. Vai! Și acest proiect a fost închis.
Cu toate acestea, "bannerul căzut" a fost preluat de compania nou-organizată Quicklaunch. Această companie promite lansarea în aparate de orbită cu greutatea de 450 kg, care vor fi emise de pistol la o viteză de 6 km / s. Deja în spațiu, dispozitivul va porni propriul motor, va corecta traiectoria și va accelera viteza orbitală.
Arma de la Quicklaunch va fi destul de mare - mai mult de un kilometru lung. Și pentru a nu construi elemente de recuzită pentru a da unghiul dorit trunchiului, arma va pluti în mare, scufundată în apă sub un unghi. Costul estimat al livrării mărfurilor este de numai 550 USD pe kilogram! Având în vedere că acum costul minim - aproximativ 3 mii de dolari (sub rezerva încărcătura completă a vehiculului de lansare), se dovedește de 6 ori mai ieftin.
Rămâne să găsești o jumătate de miliard de dolari pentru a construi un tun.
Deci, ceea ce ne așteaptă în viitor? Care proiect va câștiga? Personal, nu știu. Cel mai probabil, va exista o utilizare simultană a mai multor modalități de punere a mărfurilor în orbită. În mod ideal, aș dori să văd implementarea proiectului Ajax și utilizarea YAR pe nave spațiale, cu toate acestea, nu cred că acest lucru se va întâmpla în următorii 20 de ani. În acest timp, va fi posibilă doar construirea unui super-arma și finalizarea proiectului MAKS. Și apoi numai dacă există surse de finanțare.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: