Painovoiman käsittely avaruuteen laukaisuissa ei ole helppoa. Perinteiset raketit ovat erittäin kalliita, ne tuottavat paljon roskia ja ovat käytännössä erittäin vaarallisia. Onneksi tiede ei ole paikallaan, ja esiintyy yhä enemmän vaihtoehtoisia tapoja, jotka lupaavat meille tehokkaampia, edullisempia ja turvallisempia tapoja valloittaa ulkoavaruus. Tänään puhumme siitä, kuinka ihmiskunta lentää tulevaisuudessa avaruuteen.
Mutta ennen aloittamista on syytä huomauttaa, että kemialliset suihkumoottorit (CRM), joita käytetään nyt kaikkien avaruuteen laukaisujen perustana, ovat kriittinen väline avaruussektorin kehittämisessä, joten niiden käyttö jatkuu yli tusinan vuoden, kunnes on olemassa löysi ja - mikä tärkeintä - toistuvasti kokeillut tekniikkaa, joka kykenee tarjoamaan kivuttoman siirtymisen täysin uusille tasoille avaruuteen laukaisuista ja lennoista.
Mutta jo nyt, kun lanseerauskustannukset voivat olla useita satoja miljoonia dollareita, käy selväksi, että HRD on umpikuja. Ota esimerkki viimeisimmästä Space Launch -järjestelmästä. Juuri tätä järjestelmää NASA-ilmailuvirasto pitää perustana syvän avaruustutkimuksen tekemiselle. Asiantuntijat ovat laskeneet, että yhden SLS-lanseerauksen kustannukset ovat noin 500 miljoonaa dollaria. Nyt kun avaruudesta on tullut paitsi valtioiden, myös yksityisten yritysten asia, on alettu tarjota halvempia vaihtoehtoja. Esimerkiksi SpaceX: n Falcon Heavy -yrityksen käynnistäminen maksaa noin 83 miljoonaa dollaria. Mutta se on silti erittäin, erittäin kallista. Emme myöskään koske vieläkään CRD: hen perustuvien avaruuteen laukaisujen ympäristöystävällisyyttä, joka epäilemättä aiheuttaa merkittävää haittaa ympäristölle.
Hyvä uutinen on, että tutkijat ja insinöörit ehdottavat jo vaihtoehtoisia tapoja ja menetelmiä avaruuteen laukaisemiseksi, ja joillakin niistä on potentiaalia tulla tehokkaiksi teknologioiksi seuraavien vuosikymmenien aikana. Kaikki nämä vaihtoehdot voidaan tiivistää useisiin luokkiin: vaihtoehtoiset suihkukoneiden tyypit, paikallaan olevat ja dynaamiset kuljetusjärjestelmät ja poistojärjestelmät. Ne eivät tietenkään yhdistä kaikkia ehdotettuja ideoita, mutta tässä artikkelissa analysoimme lupaavimmat.
Vaihtoehtoiset suihkukoneiden laukaisutyypit
Lasersuihkun työntövoima
Plasmavirtauksen uudelleenohjaus työntövoiman lisäämiseksi
Mainosvideo:
Nykyään käytössä olevat ohjukset vaativat valtavia määriä kiinteitä tai nestemäisiä ponneaineita, ja useimmiten niiden toiminta-aluetta ja tehokkuutta rajoittaa se, kuinka paljon polttoainetta ne voivat kuljettaa. On kuitenkin vaihtoehto, jolla nämä rajoitukset voitetaan tulevaisuudessa. Ratkaisu voi olla erityiset laser-asennukset, jotka lähettävät raketit avaruuteen.
Venäläiset fyysikot Juri Rezunkov optoelektronisten instrumenttien kehittämisinstituutista ja Alexander Schmidt Ioffe-fysikaalisesta instituutista kuvasivat äskettäin "laserablaatio" -prosessia, jonka mukaan lentokoneen työntövoima syntyy käyttämällä avaruusaluksen ulkopuolella olevan laserlaitteen tuottamaa lasersäteilyä. Tälle säteilylle altistumisen seurauksena vastaanottopinnan materiaali palaa ja syntyy plasmavirtaus. Tämä virtaus tarjoaa tarvittavan työntövoiman, joka pystyy kiihdyttämään avaruusaluksen nopeuksille, jotka ovat kymmeniä kertoja suuremmat kuin äänenopeus.
Jos jätetään pois tämän menetelmän fantastinen luonne, ennen tällaisen järjestelmän luomista on ratkaistava kaksi ongelmaa: laserin on tässä tapauksessa oltava uskomattoman tehokas. Niin voimakas, että se voi kirjaimellisesti höyrystää metallia useiden satojen kilometrien etäisyydellä. Tästä syystä toinen ongelma - tätä laseria voidaan käyttää aseena muiden avaruusalusten tuhoamiseen.
Stratosfäärin laukaisut ja avaruuslentokoneet
Vähemmän konseptuaalinen ja realistisempi näyttää olevan menetelmä avaruusaluksen laukaisemiseksi erityisten voimakkaiden kuorma-autojen avulla.
Kuka sanoi, että Virgin Galacticin menetelmää voitaisiin käyttää vain avaruusmatkailuun? Yhtiö suunnittelee käyttävänsä LauncherOne-laitetta kuljetusjärjestelmänä laukaistakseen kompakteja, jopa 100 kilogramman painoisia satelliitteja maan kiertoradalle. Ajatus on erittäin mielenkiintoinen ottaen huomioon nopeus, jolla avaruusjärjestelmät pienennetään nyt.
Muita esimerkkejä laukaisujärjestelmästä ovat XCOR Aerospace Lynx Mark III -alusta (kuva yllä) ja Orbital Sciences Pegasus II -aluksen alus (kuva alla).
Yksi ilmatilasta tulevien avaruuteen laukaisujen eduista on, että rakettien ei tarvitse kulkea kovin tiheän ilmapiirin läpi. Seurauksena on, että itse laitteen kuormitus vähenee. Lisäksi lentokone on huomattavasti helpompi käynnistää. Se on vähemmän herkkä ilmakehän säämuutoksille. Lopulta tällaisten laukaisujen ominaisuus avaa enemmän mahdollisuuksia valittavissa olevan asteikon kannalta.
Avaruustasot ovat toinen vaihtoehto. Nämä uudelleenkäytettävät ilma-alukset ovat samanlaisia kuin eläkkeellä oleva sukkula ja Buran, mutta toisin kuin viimeksi mainitut, niiden käyttäminen kiertoradalle ei edellytä valtavien kantorakettien käyttöä. Yksi lupaavimmista ja edistyneimmistä hankkeista tässä suhteessa on brittiläinen avaruuslentokone British Skylon (kuva yllä) - yksivaiheinen ilma-alus lentokoneelle pääsemiseksi. Avaruusaluksen suihkumoottori syntyy kahdesta ilma-suihkumoottorista, jotka kiihdyttävät sen nopeuteen, joka on 5 kertaa äänenopeutta suurempi, ja nostaa sen melkein 30 kilometrin korkeuteen. Tämä on kuitenkin vain 20 prosenttia vaellusväylältä vaadittavasta nopeudesta ja korkeudesta, joten avaruuslentokone siirtyy ns. "Rakettitilaan" saavutettuaan korkeuskaton.
Valitettavasti tämän hankkeen toteuttamisessa on vielä monia teknisiä vaikeuksia, jotka ovat vielä ratkaisematta. Esimerkiksi, lentokoneiden odotetaan kohtaavan suunnittelemattoman muutoksen nousuradallaan korkeiden dynaamisten paineiden ja äärimmäisten lämpötilojen takia, jotka väistämättä vaikuttavat ilma-aluksen herkimpiin osiin. Toisin sanoen, sellaiset spaceplanes voivat olla vaarallisia.
Toinen esimerkki kehitteillä olevista spaceplaneista on Dream Chaser, jonka Sierra Nevada Corporation on kehittänyt NASA: n ilmailuvirastolle (kuva yllä).
Kiinteät ja dynaamiset kuljetusjärjestelmät
Jos ei lentäviä koneita, ratkaisu on valtavat rakenteet, jotka nousevat uskomattomaan korkeuteen tai jopa suoraan avaruuteen.
Esimerkiksi tutkija ja tieteiskirjailija Geoffrey Landis ehdotti ajatusta rakentaa jättiläinen torni, jonka yläosa saavuttaisi maan ilmakehän rajat. Noin 100 kilometrin päässä maanpinnasta sitä voidaan käyttää tavanomaisten rakettien laukaisualustana. Tässä korkeudessa rakettien käytännössä ei tarvitse käsitellä mitään maapallon ilmakehän vaikutuksia.
Toinen rakennusvaihtoehto, joka on herättänyt useiden tieteellisten ja pseudotiedeyhteisöjen edustajien huomion, on avaruushissi. Itse asiassa tämä ajatus juontaa juurensa 1800-luvulle. Nykyaikaisessa versiossa ehdotetaan venytä raskaan kaapelin korkeudelle 35 400 km (joka on useimpien viestintäsatelliittien sijainnin ulkopuolella) kilometrien päähän maanpinnasta. Kaapelissa tarvittavan tasapainotuksen suorittamisen jälkeen ehdotetaan, että lastauslaitteella toimivat kuljetusvälineet käynnistetään kuormalla.
Kuva avaruushissistä Marsilla
Avaruushissien idealla on todellakin potentiaali luoda todellinen vallankumous avaruuskuljetuksissa maanläheiselle kiertoradalle. Mutta on hyvin vaikeaa kääntää tämä ajatus tosielämään. Kestää kauan, ennen kuin tutkijat luovat materiaalin, joka tukee tällaisen rakenteen painoa. Tarkasteltavana olevat vaihtoehdot ovat nyt hiilinanoputket tai pikemminkin mikroskooppisiin timanttien lomituksiin perustuvat rakenteet ultra-ohuiden nanokuitujen kanssa. Mutta vaikka löydämme tavan rakentaa avaruushissi, se ei ratkaise kaikkia ongelmia. Vaaralliset tärinät, voimakkaat tärinät, törmäykset satelliittien kanssa ja avaruusjätteet ovat vain muutamia tehtävistä, jotka on käsiteltävä.
Toinen ehdotettu vaihtoehto on jättiläismäiset "kiertoratavaunut". Vauhtipyörät ovat pyöriviä satelliitteja, joiden pitkät kaapelit eroavat toisiinsa kahteen suuntaan, joiden päät koskettavat planeetan ilmapiiriä kiertymisen aikana. Tässä tapauksessa rakenteen pyörimisnopeus kompensoi osittain tai kokonaan kiertoradan.
Orion's Arm -portaali selittää heidän työskentelynsä:
”Kaapelin alaosassa, joka sijaitsee lähellä maapallon kokoista planeettata, on telakointialusta 100-300 kilometrin korkeudessa pinnan yläpuolella (kun taas kaapelien pituus vauhtipyörän keskustasta on useita tuhansia kilometrejä). Tämä korkeus valittiin, koska tässä ilmakehän vaikutus itse "vauhtipyörään" minimoidaan, samoin kuin telakointikytkimien painovoimahäviöt minimoidaan. Telakointi tapahtuu sekä itse vauhtipyörän että telakointialuksen erittäin alhaisilla nopeuksilla, yleensä kantorakettien asettaman parabolisen suborbitaalisen suuntauksen huipulla. Tässä tapauksessa sukkula on suhteellisen liikkumaton suhteessa "vauhtipyörään", ja se voidaan tarttua erityisellä koukulla ja vetää sitten telakointilukkoon tai laskualustaan. Jotta oikea asema kiertoradalla, "vauhtipyörät" käyttävät työntövoimia."
Koska vauhtipyörät sijaitsevat kokonaan tilassa, ei ankkuroituna maahan, niiden ei tarvitse kokea samaa fyysistä rasitusta kuin avaruushissin, joten tämä ajatus voi lopulta osoittautua kannattavammaksi.
Dynaamisten rakenteiden suhteen Popular Mechanics kuvaa ainakin kaksi päävaihtoehtoa:
”Rakenteet, kuten” avaruuslähde”ja” Lofstromin silmukka”, ylläpitävät rakenteellista eheyttään johtuen niiden sisällä olevista sähköodynaamisista vaikutuksista tai impulsseista liikkuviin osiin sekä kiertoradalle meneviin rahtiin ja matkustajiin. Rotovatorit näyttävät olevan mielenkiintoisempi käsite. Tämä idea ehdottaa suuren kiertoratarakenteen rakentamista siten, että nauha kiertää kiertoradan tasossa siten, että maapallon lähinnä olevan ympyrän pisteessä jalan lopun nopeus keskustaan nähden on vastapäätä kiertoradan nopeutta. Siten kaapeli, joka ohittaa minimin, voi poimia halutun kohteen, jonka nopeus on pienempi kuin ensimmäinen kosminen, ja vapauttaa sen maksimietäisyyden pisteessä nopeudella, joka on jo suurempi kuin ensimmäinen kosminen.
Se näyttää jotain "gif"
Toinen vaihtoehto avaruuskaapelille ja hissille on pystysuora puhallettava torni, joka voi kasvaa 20-200 kilometrin korkeudeksi. Brendan Quinnin ja hänen kollegoidensa ehdottama malli pystytään rakentamaan vuoren huipulle ja sopii erinomaisesti ilmakehän tutkimukseen, televisio- ja radioviestintälaitteiden asentamiseen, avaruusalusten laukaisuun ja matkailuun. Itse torni luodaan useiden ulkoisesti ohjattavien pneumaattisten liukuosien perusteella.
”Tornin valitseminen auttaa välttämään avaruushissiin liittyviä ongelmia. Kyse on avaruudessa työskentelemiseen sopivan rakennusmateriaalin lujuudesta, vaikeudesta tuottaa vähintään 50 000 kilometrin pituinen kaapeli ja puuttua meteoriittiuhaan matalalla Maan kiertoradalla”, tornin suunnittelua ehdottaneet tutkijat kertoivat.
Idean testaamiseksi he rakensivat 7-metrisen tornimallin, jossa oli kuusi moduulia, joista jokainen perustui kolmeen putkeen, jotka oli asennettu ilmalla täytetyn lieriömäisen lokeron ympärille.
Mielenkiintoista on, että samanlaista tekniikkaa voidaan käyttää John Storrs Hallin ehdottaman "avaruuslaiturin" rakentamisessa. Tämän konseptin mukaan ehdotetaan 100 kilometrin korkuisen ja 300 kilometrin pituisen rakenteen pystyttämistä. Tämän asennuksen avulla hissi siirtyy suoraan lähtöpaikkaan. Hyvin hyötykuorman laukaisu kiertoradalle tapahtuu vain 10 gramman kiihtyvyydellä.
”Tämä hybridivaihtoehto ei huomioi kiertotornilla ehdotettujen vaihtoehtojen haittoja (laiturin koko on paljon pienempi, joten sitä on helpompi rakentaa) ja vaikeudet, jotka sähkömagneettisten laukaisujen kanssa on kohdattava (ilman tiheys ja vastus 100 kilometrin korkeudessa on miljoona kertaa pienempi kuin tasolla) meri)”, Hall sanoo.
Katapulttijärjestelmät
Jos kaikki keskimääräiselle lukijalle ehdotetut ideat saattavat tuntua täysin tieteiskirjallisuuksilta, niin seuraavat ovat paljon lähempänä todellisuutta kuin miltä voi näyttää ensi silmäyksellä. Toinen vaihtoehto rakettien laukaisulle on katapulttijärjestelmät, joissa avaruusalukset lasketaan avaruuteen kuin tykki.
On aivan selvää, että tässä tapauksessa itse kuorma on suunniteltava äärimmäisten voimien vaikutuksille. Katapultijärjestelmistä voi kuitenkin tulla todella tehokas työkalu hyötykuorman lähettämiseen avaruuteen, missä siellä sijaitsevat avaruusalukset noutavat sen.
Catapult-järjestelmät voidaan jakaa kolmeen päätyyppiin: sähköiset, kemialliset ja mekaaniset.
sähkö-
Tähän tyyppiin kuuluvat raidepistoolit tai sähkömagneettiset katapultit, jotka toimivat sähkömagneettisten kiihdyttimien periaatteella. Käynnistyksen aikana avaruusalus asetetaan erityisille ohjauskiskoille ja kiihdytetään voimakkaasti magneettikentän avulla. Tässä tapauksessa kiihtyvyys on riittävä laitteen tuomiseksi ulos maan ilmakehästä.
Tällaisten järjestelmien suunnitteluominaisuus tekee niistä kuitenkin erittäin massiivisia ja kalliita rakentaa. Lisäksi tällaiset järjestelmät kuluttavat valtavan määrän sähköä. Voimastaan huolimatta sähkömagneettisilla katapultteilla on edelleen edessään joitain ongelmia, jotka liittyvät painovoimaan ja maan tiheään ilmakehään. Jos niitä käytetään, se on todennäköisempi planeetoilla, joilla on alhaisempi painovoima ja harvinainen ilmapiiri.
kemiallinen
Siinä ehdotetaan esineiden laukaisua avaruuteen käyttämällä valtavia aseita, joita polttaa kaasu, kuten vety. Avaruuteen lähetetyn lastin, kuten minkä tahansa katapulttijärjestelmän, on kuitenkin koettava lisääntyneitä kuormia laukaisun aikana. Lisäksi tällaisia järjestelmiä ei voida käyttää ihmisten lähettämiseen avaruuteen. Lisäksi olisi käytettävä lisälaitteita, jotka mahdollistaisivat lastin, kuten pienikokoisten satelliittien, laskemisen pysyvälle kiertoradalle. Muuten laukaistu esine, joka on saavuttanut suurimman korkeuden, putoaa vain takaisin Maahan.
HARP-projekti (High Altitude Research Project). Tämä tykki ampui Martlet-2-raketin ammuksen 180 kilometrin korkeuteen. Ennätystä pidetään edelleen
HARP-projektin looginen kehitys oli SHARP-projekti (Super High Altitude Research Project). Viime vuosisadan 90-luvulla Lawrence Livermore Lab -yrityksen tutkijat osoittivat ammusten laukaisun nopeudella 3 kilometriä sekunnissa (vaikkakaan ei korkeudessa, mutta maassa). Lopulta tutkijat päättelivät, että todellisen toimivan näytteen rakentaminen tällaisesta aseesta vaatisi vähintään miljardia dollaria. Kuvaa pahensi myös se, että tutkijat eivät onnistuneet saavuttamaan suunniteltua ammuksen nopeutta, joka oli 7 km / s.
Mekaaninen
Mekaaniset aseet voivat toimia vaihtoehtona sähkömagneettisille ja kemiallisille aseille. Totta, ettei ole täysin oikein kutsua tällaisia järjestelmiä aseiksi. Pikemminkin se on eräänlainen slingshot. Esimerkki on HyperV Technologies Corp.: n Slingatron-projekti. Itse järjestelmä on kierre ontto rakenne sisällä. Spiraalin sisään sijoitettua esinettä kiihdytetään kiertämällä koko rakennetta kiinteän pisteen ympäri.
Teoriassa slingatron kykenee tuottamaan tarvittavan kiihtyvyyden. Kuten kehittäjät itse huomauttavat, järjestelmä ei kuitenkaan sovellu ihmisten ja suurten kuormien asettamiseen kiertoradalle. Tätä menetelmää voidaan kuitenkin käyttää pienten kuormien lähettämiseen avaruuteen, kuten vesivarastot, polttoaineet ja rakennusmateriaalit.
Täysikokoinen näkymä slingatronista näyttäisi tällaiselta
Millainen tulevaisuus todella on?
On erittäin vaikea ennustaa, mikä vastaus tähän kysymykseen tulee. Odottamattomat teknologiset löytöt ja niiden luomat vaikutukset voivat johtaa siihen, että kaikki tänään tarkastellut rakettittomien avaruuteen laukaisujen vaihtoehdot ovat yhtä tehokkaita. Nyt näin ei ole, kuten ainakin tästä vertailutaulukosta voidaan nähdä.
Otetaan esimerkki molekyylikokoonpanotekniikan potentiaalista. Kun hallitsemme tämän alueen, meidän ei enää tarvitse viedä mitään avaruuteen. Me vain pyydystämme asteroideja aurinkokunnassa ja luomme niistä (tai pikemminkin niiden sisältämiä hyödyllisiä materiaaleja) mitä haluamme avaruudessa. Mielenkiintoisin on, että edistyminen tähän suuntaan näkyy jo tänään. Esimerkiksi NASAn astronautti Barry Wilmore tarvitsi kerran pienikokoisen, säädettävän jakoavaimen. Vaikuttaa siltä, mikä on ongelma - menee lähimpään työkalukauppaan? Vain lähin työkalujen myymälä tuolloin ei ollut Wilmoren vieressä, koska astronautti oli aluksella kansainvälisellä avaruusasemalla!NASA pääsi tilanteesta kauniisti - se lähetti ISS: lle sähköpostiviestin kaavion vaaditusta avaimesta ja tarjosi Wilmorelle tulostaa sen itse 3D-tulostimella aluksella. Tämä on vain yksi esimerkki, joka osoittaa, että suhteellisen lyhyessä ajassa meidän ei tarvitse laittaa mitään avaruuteen. Kaikki luodaan jo paikallaan.
Tarvittavien resurssien suhteen tämäkin lakkaa olemasta ongelma. Asteroidihihna on täynnä tarvittavaa materiaalia: sen tilavuus on melkein puolet meidän kuutamme massasta. Jonain päivänä tulemme siihen tulokseen, että koko "Philae" -tyyppisten avaruuskoettimien parvi laskeutuu yksinkertaisesti seuraavalle asteroidille tai meteoriitille ja tuottaa niistä mineraalivaroja. NASA haluaa suorittaa ensimmäisen tällaisen operaation vuonna 2020. Suunniteltu on kiinni pieni asteroidi, laittaa se vakaan kuun kiertoradalle ja laskeutua sinne astronautien päälle, jotka voivat tutkia avaruuskivikiveä ja jopa kerätä mielenkiintoisia näytteitä sen maaperästä.
Ihmisten pääsy avaruuteen on erilainen ongelma, varsinkin kun ajatellaan, että tulevaisuudessa on tarkoitus siirtyä joukkolähetykseen ihmisten avaruuteen. Jotkut ehdotetuista ideoista, kuten avaruushissi, saattavat tosiasiallisesti toimia. Mutta vain, jos emme puhu syvän avaruuden valloittamisesta. Siksi tässä asiassa meidän on luotettava pitkään perinteisiin rakettien laukaisuihin. Heidän ajatuksensa ilmaistaan jo sekä valtion tasolla että yksityisellä tasolla. Ota taas sama Elon Musk Marsin kolonisaatioprojektinsa kanssa.
Meidän on myös otettava huomioon se tosiseikka, että ihmiskehoa ei oikeastaan ole suunniteltu erittäin pitkään oleskeluun avaruudessa. Siksi robotteista voi tulla osittainen ratkaisu tähän ongelmaan, kunnes olemme päässeet tehokkaisiin tekniikoihin, jotka mahdollistavat keinotekoisen painovoiman luomisen. Robotit voidaan lähettää avaruuteen ja kauko-ohjata maapallolta käyttämällä laajennettua tai virtuaalitodellisuutta.
Roboteilla on todellinen mahdollisuus olla avain syvän avaruustutkimuksen aloittamiseen. On täysin mahdollista, että kauemmassa tulevaisuudessa opimme kuinka aivomme digitalisoida ja siirtää nämä tiedot etäavaruusasemien supertietokoneisiin, missä ne ladataan moniin robotteihin, joiden avulla me tasoitamme tietämme avaruuden kaukaisiin rajoihin.
NIKOLAY KHIZHNYAK