Źródło zdjęcia: NASA
Jak wszyscy wiedzą, rakiety chemiczne są zbyt wolne do eksploracji kosmosu. Być może najbardziej wydajne będą systemy hybrydowe, z różnymi rodzajami napędu stosowanymi w różnych punktach podróży. Ten artykuł zawiera przegląd technologii, nad którymi NASA obecnie pracuje.
„Mamo, już tam jesteśmy?”
Każdy rodzic słyszał ten płacz z tylnego siedzenia samochodu. Zwykle zaczyna się około 15 minut po rozpoczęciu każdej rodzinnej wycieczki. Dobrze, że rzadko podróżujemy więcej niż kilkaset lub kilka tysięcy mil od domu.
Ale co, jeśli podróżujesz, powiedzmy, na Marsa? Nawet przy najbliższym zbliżeniu do Ziemi co kilka lat czerwona planeta jest zawsze w odległości co najmniej 35 milionów mil. Sześć miesięcy tam i sześć miesięcy wstecz - w najlepszym razie.
„Houston, już tam jesteśmy?”
„Rakiety chemiczne są po prostu zbyt wolne”, ubolewa Les Johnson, kierownik ds. Technologii transportu kosmicznego w NASA Marshall Space Flight Center. „Spalają cały swój gaz pędny na początku lotu, a następnie statek kosmiczny wybija resztę drogi”. Chociaż statek kosmiczny można przyspieszyć za pomocą wspomagania grawitacyjnego - niebiańskiego uderzenia bata wokół planet, takiego jak ten wokół Saturna, który rzucił Voyager 1 na krawędź Układu Słonecznego - czasy podróży w obie strony między planetami wciąż są mierzone w latach do dziesięcioleci. Podróż do najbliższej gwiazdy zajęłaby wieki, jeśli nie tysiąclecia.
Co gorsza, rakiety chemiczne są po prostu zbyt mało wydajne paliwowo. Pomyśl o jeździe w sklepie z gazem w kraju bez stacji benzynowych. Będziesz musiał przewieźć mnóstwo gazu i niewiele więcej. W misjach kosmicznych to, co możesz zabrać w podróż, które nie jest paliwem (lub zbiornikami paliwa), nazywa się masą ładunku - np. Ludzie, czujniki, samplery, sprzęt komunikacyjny i jedzenie. Tak jak przebieg gazu jest użyteczną wartością zasługi dla efektywności paliwowej samochodu, tak „ułamek masy ładunku” - stosunek masy ładunku misji do całkowitej masy - jest użyteczną wartością zasługi dla wydajności układów napędowych.
Przy dzisiejszych rakietach chemicznych ułamek masowy ładunku jest niski. „Nawet używając trajektorii minimalnej energii, aby wysłać sześcioosobową załogę z Ziemi na Marsa, przy samych rakietach chemicznych całkowita masa startowa przekroczyłaby 1000 ton metrycznych - z czego około 90 procent stanowiłoby paliwo”, powiedział Bret G. Drake, kierownik ds. analizy i integracji kosmicznej w Johnson Space Center. Samo paliwo ważyłoby dwa razy więcej niż ukończona Międzynarodowa Stacja Kosmiczna.
Pojedyncza wyprawa Marsa z dzisiejszą technologią napędu chemicznego wymagałaby dziesiątek uruchomień, z których większość po prostu polegałaby na uruchomieniu paliwa chemicznego. To tak, jakby Twój 1-tonowy kompaktowy samochód potrzebował 9 ton benzyny, aby jechać z Nowego Jorku do San Francisco, ponieważ miał średnio tylko milę na galon.
Innymi słowy, systemy napędowe o niskiej wydajności są jednym z głównych powodów, dla których ludzie nie postawili jeszcze stopy na Marsie.
Bardziej wydajne układy napędowe zwiększają ułamek masowy ładunku, zapewniając lepszy „przebieg gazu” w przestrzeni kosmicznej. Ponieważ nie potrzebujesz tyle paliwa, możesz przewieźć więcej rzeczy, pojechać mniejszym pojazdem i / lub dotrzeć tam szybciej i taniej. „Kluczowe przesłanie brzmi: potrzebujemy zaawansowanych technologii napędu, aby umożliwić tanią misję na Marsa” - powiedział Drake.
NASA opracowuje teraz napędy jonowe, żagle słoneczne i inne egzotyczne technologie napędowe, które przez dziesięciolecia przenosiły ludzi na inne planety i gwiazdy - ale tylko na stronach science fiction.
Od żółwia do zająca
Jakie są opcje faktów naukowych?
NASA ciężko pracuje nad dwoma podstawowymi podejściami. Pierwszym z nich jest opracowanie radykalnie nowych rakiet, które mają o rząd wielkości lepszą oszczędność paliwa niż napęd chemiczny. Drugim jest opracowanie systemów „pozbawionych paliwa”, które są zasilane zasobami bogatymi w próżnię kosmosu.
Wszystkie te technologie mają jedną kluczową cechę: zaczynają się powoli, jak przysłowiowy żółw, ale z czasem stają się zającem, który faktycznie wygrywa wyścig na Marsa - lub gdziekolwiek. Opierają się na fakcie, że małe ciągłe przyspieszenie w ciągu miesięcy może ostatecznie napędzać statek kosmiczny znacznie szybciej niż jeden ogromny początkowy kopnięcie, po którym następuje długi okres wybiegu.
Powyżej: ten statek kosmiczny o niskim ciągu (koncepcja artysty) jest napędzany silnikiem jonowym i napędzany energią słoneczną. W końcu statek nabierze prędkości - wynik nieustannego przyspieszenia - i będzie ścigał się z prędkością wielu mil na sekundę. Źródło zdjęcia: John Frassanito & Associates, Inc.
Technicznie rzecz biorąc, są to wszystkie układy o niskim ciągu (co oznacza, że ledwo poczujesz oh tak łagodne przyspieszenie, równoważne z ciężarem kawałka papieru leżącego na dłoni), ale długie czasy działania. Po miesiącach ciągłego niewielkiego przyspieszania będziesz się poruszać z prędkością wielu mil na sekundę! Natomiast chemiczne systemy napędowe charakteryzują się wysokim ciągiem i krótkim czasem działania. Zostajesz przygnieciony z powrotem do poduszek siedzeń podczas odpalania silników, ale tylko na krótko. Następnie zbiornik jest pusty.
Rakiety o niskim zużyciu paliwa
„Rakieta to wszystko, co rzuca coś za burtę, by napędzać się do przodu” - zauważył Johnson. (Nie wierzysz w tę definicję? Usiądź na deskorolce z wężem wysokociśnieniowym skierowanym w jedną stronę, a będziesz napędzany w przeciwnym kierunku).
Czołowymi kandydatami na zaawansowaną rakietę są warianty silników jonowych. W obecnych silnikach jonowych gaz pędny jest bezbarwnym, bez smaku, bezwonnym gazem obojętnym, takim jak ksenon. Gaz wypełnia komorę z pierścieniem magnetycznym, przez którą przepływa wiązka elektronów. Elektrony uderzają w atomy gazowe, odrzucając elektron zewnętrzny i zamieniając neutralne atomy w dodatnio naładowane jony. Naelektryzowane siatki z wieloma otworami (15 000 w dzisiejszych wersjach) skupiają jony w kierunku wydechu statku kosmicznego. Jony wystrzeliwują obok siatek z prędkością do ponad 100 000 mil na godzinę (porównaj to do samochodu wyścigowego Indianapolis 500 przy 225 mil / h) - przyspieszając silnik w przestrzeń kosmiczną, wytwarzając w ten sposób ciąg.
Skąd pochodzi energia elektryczna do jonizacji gazu i ładowania silnika? Albo z paneli słonecznych (tak zwany elektryczny napęd słoneczny), albo z rozszczepienia lub stapiania (tak zwany elektryczny napęd jądrowy). Elektryczne silniki napędu słonecznego byłyby najbardziej skuteczne w robotycznych misjach między Słońcem a Marsem, a jądrowy elektryczny napęd w misjach robotycznych poza Marsem, gdzie słońce jest słabe, lub w misjach ludzkich, w których istotna jest prędkość.
Napędy jonowe działają. Udowodnili swoją zapał nie tylko w testach na Ziemi, ale w działającym statku kosmicznym - najbardziej znanym jest Deep Space 1, mała misja testowania technologii zasilana energią słoneczną, która przeleciała obok i zrobiła zdjęcia komecie Borrelly we wrześniu, 2001. Napędy jonowe, takie jak te, które napędzały Deep Space 1, są około 10 razy wydajniejsze niż rakiety chemiczne.
Systemy bez paliwa
Jednakże układy napędowe o najniższej masie mogą być tymi, które w ogóle nie mają na pokładzie paliwa. W rzeczywistości nie są nawet rakietami. Zamiast tego, w prawdziwie pionierskim stylu, „żyją z ziemi” - polegając na energii na zasobach naturalnych obfitujących w kosmos, podobnie jak dawni pionierzy polegali na żywności na odłowu zwierząt oraz znajdowaniu korzeni i jagód na granicy.
Dwoma wiodącymi kandydatami są żagle słoneczne i plazmowe. Chociaż efekt jest podobny, mechanizmy operacyjne są bardzo różne.
Żagiel słoneczny składa się z ogromnego obszaru gossameru, silnie odbijającego materiału, który jest rozwinięty w głębokiej przestrzeni w celu wychwytywania światła słonecznego (lub mikrofalowego lub laserowego z Ziemi). W przypadku bardzo ambitnych misji żagle mogą mieć zasięg do wielu kilometrów kwadratowych.
Żagle słoneczne wykorzystują fakt, że fotony słoneczne, chociaż nie mają masy, mają pęd - kilka mikronewtonów (około masy monety) na metr kwadratowy w odległości Ziemi. To delikatne ciśnienie promieniowania powoli, ale z pewnością przyspieszy żagiel i jego ładunek z dala od słońca, osiągając prędkość do 150 000 mil na godzinę lub ponad 40 mil na sekundę.
Powszechnym nieporozumieniem jest to, że żagle słoneczne wychwytują wiatr słoneczny, strumień energetycznych elektronów i protonów, które gotują się z zewnętrznej atmosfery Słońca. Skąd. Żagle słoneczne nabierają tempa od samego światła słonecznego. Można jednak wykorzystać pęd wiatru słonecznego za pomocą tak zwanych „żagli plazmowych”.
Żagle plazmowe są modelowane na własnym polu magnetycznym Ziemi. Silne elektromagnesy pokładowe otaczałyby statek kosmiczny bańką magnetyczną o średnicy 15 lub 20 kilometrów. Cząsteczki o dużej prędkości na wietrze słonecznym pchają bańkę magnetyczną, podobnie jak pole magnetyczne Ziemi. Ziemia nie porusza się, gdy jest popychana w ten sposób - nasza planeta jest zbyt masywna. Ale statek kosmiczny byłby stopniowo odpychany od Słońca. (Dodatkowy bonus: tak jak ziemskie pole magnetyczne chroni naszą planetę przed eksplozjami słonecznymi i burzami radiacyjnymi, tak też magnetyczny żagiel plazmowy chroniłby pasażerów statku kosmicznego.)
Powyżej: artystyczna koncepcja sondy kosmicznej wewnątrz bańki magnetycznej (lub „żagla plazmowego”). Naładowane cząstki wiatru słonecznego uderzają w bańkę, wywierają nacisk i napędzają statek kosmiczny. [więcej]
Oczywiście oryginalną, sprawdzoną technologią pozbawioną paliwa jest wspomaganie grawitacyjne. Kiedy statek kosmiczny przelatuje przez planetę, może ukraść część pędu orbity planety. Nie ma to większego znaczenia dla ogromnej planety, ale może imponująco zwiększyć prędkość statku kosmicznego. Na przykład, kiedy Galileusz przeleciał przez Ziemię w 1990 r., Prędkość statku kosmicznego wzrosła o 11620 mil na godzinę; tymczasem Ziemia zwolniła na swojej orbicie o kwotę mniejszą niż 5 miliardów cala rocznie. Takie wspomaganie grawitacyjne jest cenne w uzupełnianiu dowolnej formy układu napędowego.
Ok, skoro już śpieszysz przez przestrzeń międzyplanetarną, jak zwolnisz w miejscu docelowym na tyle, by wejść na orbitę parkingową i przygotować się do lądowania? W przypadku napędu chemicznego zwykłą techniką jest odpalanie retrorocket - ponownie, wymagających dużej masy paliwa na pokładzie.
O wiele bardziej ekonomiczna opcja jest obiecana przez przechwytywanie statku powietrznego - hamowanie statku kosmicznego przez tarcie z własną atmosferą planety docelowej. Sztuką jest oczywiście nie dopuścić do spalenia się szybkiej sondy międzyplanetarnej. Ale naukowcy z NASA uważają, że przy odpowiednio zaprojektowanej osłonie cieplnej możliwe byłoby przechwycenie wielu misji na orbitę wokół planety docelowej za pomocą tylko jednego przejścia przez jej górną atmosferę.
Naprzód!
„Żadna technologia pojedynczego napędu nie zrobi wszystkiego dla wszystkich”, ostrzegł Johnson. Rzeczywiście, żagle słoneczne i żagle plazmowe byłyby prawdopodobnie przydatne przede wszystkim do napędzania ładunków, a nie ludzi z Ziemi na Marsa, ponieważ „technologia ta potrzebuje zbyt dużo czasu, aby osiągnąć prędkość ucieczki” - dodał Drake.
Niemniej jednak hybryda kilku technologii może okazać się bardzo ekonomiczna, jeśli chodzi o założenie załogi na Marsa. W rzeczywistości połączenie napędu chemicznego, napędu jonowego i przechwytywania powietrza mogłoby zmniejszyć masę wystrzelenia 6-osobowej misji Marsa do poniżej 450 ton metrycznych (wymagających tylko sześciu startów) - o połowę mniej niż przy samym napędzie chemicznym.
Taka hybrydowa misja mogłaby wyglądać następująco: rakiety chemiczne, jak zwykle, wyrywałyby statek kosmiczny z ziemi. Gdy znajdą się na orbicie nisko-ziemskiej, moduły napędów jonowych zapalą się lub kontrolery naziemne mogą rozmieścić żagiel słoneczny lub plazmowy. Przez 6 do 12 miesięcy statek kosmiczny - tymczasowo bezzałogowy, aby uniknąć narażenia załogi na duże dawki promieniowania na ziemskich pasach radiacyjnych Van Allen - krążyłby spiralnie, stopniowo przyspieszając do końcowej wysokiej orbity odlotu z Ziemi. Załoga zostałaby następnie przewieziona do pojazdu marsjańskiego szybką taksówką; mały etap chemiczny poderwałby pojazd do prędkości ucieczki i skierowałby się na Marsa.
Gdy Ziemia i Mars obracają się na swoich odpowiednich orbitach, względna geometria między dwiema planetami stale się zmienia. Chociaż możliwości startu na Marsa odbywają się co 26 miesięcy, optymalne ustawienia dla najtańszych, najszybszych możliwych podróży odbywają się co 15 lat - kolejne w 2018 roku.
Być może do tego czasu będziemy mieli inną odpowiedź na pytanie: „Houston, jesteśmy już tam?”
Oryginalne źródło: NASA Science Story
