Kép jóváírása: NASA
Mint mindenki tudja, a kémiai rakéták túl lassúak az űrkutatáshoz. Talán a leghatékonyabb hibrid rendszerek lesznek, különféle hajtásokkal, amelyeket az utazás különböző pontjain használnak. Ez a cikk összefoglalja azokat a technológiákat, amelyekkel a NASA jelenleg dolgozik.
- Anya, még ott vagyunk?
Minden szülő hallotta ezt a sírást az autó hátsó üléséből. Ez általában minden családi kirándulás kezdete után 15 perccel kezdődik. Jó dolog, hogy ritkán haladunk meg néhány száz vagy néhány ezer mérföldre az otthontól.
De mi lenne, ha például Marsra utazna? Még a legközelebbi földfelszíni megközelítésnél is, a vörös bolygó mindig legalább 35 millió mérföldre van. Hat hónap ott és hat hónap vissza - a legjobb.
- Houston, még ott vagyunk?
„A kémiai rakéták éppen túl lassúak” - panaszkodik Les Johnson, a NASA Marshall űrrepülési központjának űrben történő szállítási technológiáinak igazgatója. "A repülés kezdetén elégetik az összes hajtóanyagukat, majd az űrhajó csak a többi út mentén fekszik." Noha az űrhajókat fel lehet gyorsítani a gravitációs segítséggel - egy égi repedés-ostorral a bolygók körül, például a Szaturnusz körül, amely a Voyager 1-et a Naprendszer szélére dobta, a bolygók közötti oda-vissza utazási időket még mindig években mérik. évtizedekig. És a legközelebbi csillagig tartó utazás évszázadokon át tartana, ha nem évezredekig.
Még ennél is rosszabb, hogy a vegyi rakéták csak üzemanyag-hatékonysággal bírnak. Gondolj arra, hogy egy országban benzinkutak nélküli gázkemencében haladjon. Ha hajótöltet kell szállítania, akkor nem sok más. Az űrrepülések során azt, amit utazása során végezhet, amely nem üzemanyag (vagy üzemanyag-tartály), hasznos tehernek nevezzük - pl. Emberek, érzékelők, mintavételezők, kommunikációs eszközök és élelmiszerek. Ugyanúgy, ahogy az üzemanyag-kilométer hasznos hasznos tényező egy autó üzemanyag-hatékonysága szempontjából, a „hasznos teher tömegének hányadosa” - a misszió hasznos teher tömegének aránya a teljes tömeggel - hasznos haszonkulcs a meghajtó rendszerek hatékonysága szempontjából.
A mai kémiai rakétáknál a hasznos teher tömegének hányada alacsony. "Még ha egy minimális energiapályát is használunk egy hatszemélyes személyzet Földről a Marsba való továbbításához, csupán vegyi rakétákkal, a teljes indító tömeg meghaladná a 1000 tonnát - ennek kb. 90% -a lenne üzemanyag" - mondta Bret G. Drake, a Johnson Space Center űrhajózási elemzésének és integrációjának igazgatója. Önmagában az üzemanyag kétszer akkora súlyú lenne, mint a befejezett Nemzetközi Űrállomás.
Egyetlen Mars-expedíció a mai kémiai meghajtó technológiával tucatnyi indítást igényelne - ezek többsége a legtöbb lenne csak vegyi üzemanyag elindítása. Úgy tűnik, hogy az 1 tonnás kompakt autójának 9 tonnára lenne szüksége a New York City-ből San Franciscóba való elhajtáshoz, mert átlagosan csak mérföld / liter volt.
Más szavakkal, az alacsony teljesítményű meghajtó rendszerek az egyik fő oka annak, hogy az emberek még nem léptek fel a Marsra.
A hatékonyabb meghajtórendszerek növelik a hasznos teher tömegét azáltal, hogy jobb űrtartalmat adnak az űrben. Mivel nem kell annyi hajtóanyagra, több cuccot szállíthat, kisebb járműben mehet, és / vagy gyorsabban és olcsóbban juthat oda. "A legfontosabb üzenet: fejlett meghajtó technológiákra van szükségünk, hogy lehetővé váljon a Marsba történő olcsó misszió" - jelentette ki Drake.
A NASA tehát most fejleszti az ionmeghajtókat, napelemes vitorlákat és más egzotikus meghajtó technológiákat, amelyek évtizedek óta az embereket más bolygókra és csillagokra összekötik - de csak a tudományos fantasztika oldalán.
Teknőstől nyúlig
Melyek a tudományos tények lehetőségei?
A NASA két alapvető megközelítés mellett keményen dolgozik. Az első egy radikálisan új rakéták kifejlesztése, amelyek nagyságrenddel jobb üzemanyag-fogyasztásúak, mint a kémiai meghajtás. A második az a „hajtóanyag-mentes” rendszerek kifejlesztése, amelyeket a mély űr vákuumában gazdag erőforrások táplálnak.
Mindezen technológiáknak van egy kulcsfontosságú tulajdonsága: lassan indulnak, mint a közmondásos teknős, de az idő múlásával olyan mezei nyúlrá alakulnak, amelyek valójában versenyt nyernek a Mars felé - vagy bárhol. Ezekre a tényekre támaszkodnak, hogy a kis, folyamatos gyorsulás a hónapok során végül sokkal gyorsabban meghajtja az űrhajót, mint egy hatalmas kezdeti rúgás, amelyet egy hosszú part menti időszak követ.
Fent: Ezt az alacsony nyomású űrhajót (egy művész koncepciója) egy ionmotor hajtja meg, és napenergiával hajtja. A hajó végül felveszi a sebességet - a könyörtelen gyorsulás eredményeként - és másodpercenként több mérfölden halad tovább. Kép jóváírása: John Frassanito & Associates, Inc.
Technikai szempontból az összes alacsony nyomású rendszer (azaz alig érezné az ó ó-gyengéd gyorsulást, ami megegyezik a tenyerében fekvő papírdarab súlyával), de hosszú működési időket jelent. Hónapok folyamatos kis gyorsulása után másodpercenként több mérföldes sebességgel haladnál tovább! Ezzel szemben a kémiai meghajtó rendszerek nagy tolóerővel és rövid működési idővel rendelkeznek. Amíg a motorok égnek, visszaverődnek az üléspárnákba, de csak röviden. Ezután a tartály üres.
Üzemanyag-takarékos rakéták
„A rakéta bármi, ami a fedélzeten dob valamit, hogy előre haladjon” - mutatott rá Johnson. (Ne higgye el ennek a meghatározásnak? Üljön egy gördeszkára egy nagynyomású tömlővel, egy irányba mutatva, és ellentétes módon fog meghajtani).
A fejlett rakéta vezető jelöltjei az ionmotorok változatai. A jelenlegi ionmotorokban a hajtógáz színtelen, íztelen, szagtalan inert gáz, például xenon. A gáz kitölti a mágneses gyűrűvel ellátott kamrát, amelyen keresztül egy elektronikus sugár áramlik át. Az elektronok megütik a gáznemű atomokat, leütik a külső elektronot, és a semleges atomokat pozitív töltésű ionokká alakítják. A sok lyukkal ellátott elektromos rácsok (a mai verziókban 15 000) az ionokat az űrhajó kipufogógázai felé fókuszálják. Az ionok óránként több mint 100 000 mérföldes sebességgel lőnek a rácsokon (összehasonlítva egy Indianapolis 500 versenyautóval 225 km / h sebességgel) - a motort az űrbe gyorsítva, így tolóerőt eredményezve.
Honnan származik az elektromosság a gáz ionizálásához és a motor feltöltéséhez? Vagy napelemektől (úgynevezett napenergia-meghajtás), vagy hasadástól vagy fúziótól (ún. Nukleáris elektromos meghajtás). A napelemes elektromos meghajtómotorok lennének a leghatékonyabbak a Nap és a Mars közötti robotfeladatokhoz, a nukleáris elektromos meghajtás pedig a Marson kívüli robotfeladatokhoz, ahol a napfény gyenge, vagy olyan emberi feladatokhoz, ahol a sebesség alapvető fontosságú.
Ionhajtások dolgoznak. Nemcsak a Földön, hanem a műholdas űrhajókban is bizonyították érzékenységüket - a legismertebb a Deep Space 1, egy kicsi technológiai tesztelési misszió, melyet napenergia hajtott meghajtó hajtott végre, és szeptemberben repült fel és készített képeket Borrelly-ból. 2001. Az Ionhajtások, mint például a Deep Space 1 meghajtója, körülbelül 10-szer hatékonyabbak, mint a vegyi rakéták.
Hajtóanyag-mentes rendszerek
A legkisebb tömegű meghajtórendszerek azonban lehetnek azok, amelyek egyáltalán nem tartalmaznak fedélzeti hajtóanyagot. Valójában még rakéta sem. Ehelyett, valódi úttörő stílusban, „a földön élnek” - energiára támaszkodva az űrben gazdag természeti erőforrásokra, ugyanakkor az ág úttörői táplálékra támaszkodtak az állatok csapdázására, a gyökerek és bogyók megtalálására a határon.
A két vezető jelölt a nap- és a plazmavitorlák. Bár a hatás hasonló, a működési mechanizmusok nagyon különbözőek.
A napelemes vitorla hatalmas, nagy fényvisszaverő képességű anyagból áll, amely a mély űrben kibomlik a napfény (vagy a Föld mikrohullámú vagy lézersugárának) fényének felvétele céljából. Nagyon ambiciózus küldetések esetén a vitorlák területe akár négyzetkilométer is lehet.
A napelemes vitorlák kihasználják azt a tényt, hogy noha a fotonok nem tömegük, lendületük van - négy mikrométer (érme súlya körülbelül) négyzetméterenként a Föld távolságra. Ez az enyhe sugárnyomás lassan, de biztosan felgyorsítja a vitorlát és annak hasznos teherét a napfénytől, elérve a sebességet akár 150 000 mérföld / óra vagy több, mint 40 mérföld / másodperc sebességig.
Általános tévhit, hogy a napvitorlák elkapják a napszélet, az energetikai elektronok és protonok áramát, amelyek forrnak a Nap külső atmoszférájától. Nem így van. A napelemes vitorlák magát a napfényt kapják meg. Lehetséges azonban a napsugár lendületének megérintése úgynevezett „plazmavitorlák” segítségével.
A plazmavitorlákat a Föld saját mágneses mezőjére modellezik. A hatalmas fedélzeti elektromágnesek körül egy 15 vagy 20 kilométer átmérőjű mágneses buborékokkal ellátott űrhajót vesznek körül. A nagy sebességű töltött részecskék a napszélben a mágneses buborékot nyomják, ugyanúgy, mint a Föld mágneses mezője. A Föld nem mozog, amikor ilyen irányba tolódik - bolygónk túl hatalmas. De egy űrhajót fokozatosan elvonnának a Nap. (További bónusz: ugyanúgy, ahogy a Föld mágneses tere védi bolygónkat a napsugárzásoktól és a sugárzási viharoktól, úgy a mágneses plazmavitorla védi az űrhajó utasokat.)
Fent: A művész koncepciója egy űrszondáról egy mágneses buborékban (vagy „plazmavitorlaban”). A napszélben lévő töltött részecskék elérik a buborékot, nyomást gyakorolnak és meghajtják az űrhajót. [több]
Természetesen az eredeti, bevált és valódi hajtóanyag-mentes technológia a gravitációs segédprogram. Amikor egy űrhajó egy bolygón mozog, ellophatja a bolygó keringési lendületének egy részét. Ez alig változtat meg egy hatalmas bolygót, de látványosan növelheti az űrhajó sebességét. Például, amikor a Galileo 1990-ben a Föld felé fordult, az űrhajó sebessége 11 620 km / h-val növekedett; eközben a Föld évente kevesebb, mint 5 milliárd hüvelykrel lelassult pályáján. Az ilyen gravitációs segédeszközök értékesek a meghajtó rendszerek bármilyen formájának kiegészítésében.
Oké, most, amikor átmészett a bolygóközi térben, hogyan tud lelassulni úgy a rendeltetési helyén, hogy beléphessen egy parkolópályára és felkészülhessen a leszállásra? A kémiai meghajtással a szokásos módszer az utórekeszek tüzelése - ismét nagy tömegű fedélzeti üzemanyag megkövetelése.
Sokkal gazdaságosabb megoldást ígér az aerocapture - az űrhajó fékezése a rendeltetési bolygó saját légkörének súrlódásával. A trükk természetesen az, hogy nem engedik nagy sebességű bolygóközi űrhajót. A NASA tudósai azonban úgy érzik, hogy egy megfelelően megtervezett hővédő pajzs segítségével sok küldetést el lehet vetni egy rendeltetési bolygó körüli pályára, csupán egy átjárással a felső légkörben.
Tovább!
"Egyetlen meghajtó technológia semmit sem fog mindenki számára megtenni" - figyelmeztette Johnson. Valójában a napelemes és a plazmavitorlák valószínűleg elsősorban a rakomány meghajtására szolgálnának, nem pedig az embereknek a Földről a Marsra, mert "túl sok időbe telik, amíg ezek a technológiák fel tudnak lépni a sebesség elől" - tette hozzá Drake.
Ennek ellenére számos technológia hibridje nagyon gazdaságosnak bizonyulhat, ha egy személyzettel ellátott küldetést indít a Marsra. Valójában a kémiai meghajtás, az ionmeghajtás és az aeropapture kombinációja csökkentheti a 6 fős Mars-misszió indító tömegét 450 metrikus tonnára (csak hat indítást igényel) - anélkül, hogy csak a kémiai meghajtással elérhető.
Egy ilyen hibrid küldetés így járhat: A kémiai rakéták, mint általában, az űrhajót a földre szállítják. Az alacsony földi pályára kerülve az ionmeghajtó modulok meggyulladhatnak, vagy a földi vezérlők napelemes vagy plazmavitorlát bocsáthatnak ki. 6–12 hónapig az űrhajó - ideiglenesen pilóta nélküli, hogy elkerülje a személyzetnek a sugárzás nagy dózisának való kitettségét a Föld Van Allen sugárzó öveiben - elcsúszna, fokozatosan felgyorsulva a végső magas Föld-indulási pályára. A személyzetet ezután nagysebességű taxival szállítják a Mars járművére; egy kis kémiai szakasz ekkor felrúgja a járművet, hogy elkerülje a sebességet, és továbbhaladjon a Mars felé.
Ahogy a Föld és a Mars a megfelelő pályáján forog, a két bolygó közötti relatív geometria folyamatosan változik. Bár a Marsra történő indítás lehetősége 26 havonta történik, a lehető legolcsóbb és leggyorsabb utazáshoz az optimális igazítások 15 évente történnek - a következő 2018-ban.
Talán addigra másképp válaszolunk a következő kérdésre: „Houston, ott vagyunk még?”
Eredeti forrás: NASA Science Story
