Межпланетный космический полет - Interplanetary spaceflight

Схема в разрезе проекта Apollo Applications Project, пролетающего мимо Венеры
Вид из МЕССЕНДЖЕР как он летит мимо Земли по пути к Меркурию

Межпланетный космический полет или же межпланетное путешествие это экипаж или же без экипажа путешествовать между звезды и планеты, обычно в пределах одного планетная система.[1] На практике, космические полеты этого типа ограничены путешествиями между планетами Солнечная система.

Текущие достижения в межпланетных путешествиях

Равнины Плутон, как видно Новые горизонты после почти 10-летнего плавания

Дистанционно управляемый космические зонды пролетели все планеты Солнечной системы от Меркурия до Нептуна, с Новые горизонты зонд пролетел над карликовой планетой Плутон и Рассвет космический корабль в настоящее время вращается вокруг карликовой планеты Церера. Самый далекий космический корабль, Вояджер 1 и Вояджер 2 покинули Солнечную систему 8 декабря 2018 г., а Пионер 10, Пионер 11, и Новые горизонты собираются покинуть его.[2]

В целом, планетарные орбитальные аппараты и посадочные аппараты возвращают гораздо более подробную и полную информацию, чем пролетные миссии. Космические зонды были выведены на орбиту вокруг всех пяти планет, известных древним: первая из них Венера (Венера 7, 1970), Юпитер (Галилео, 1995), Сатурн (Кассини / Гюйгенс, 2004), и совсем недавно Меркурий (МЕССЕНДЖЕР, Март 2011 г.) и вернули данные об этих телах и их естественные спутники.

В РЯДОМ Сапожник миссия в 2000 году облетела большой околоземный астероид 433 Эрос, и даже успешно приземлился там, хотя он не был разработан с учетом этого маневра. Японский ионный двигатель космический корабль Хаябуса в 2005 году также вывел на орбиту небольшой околоземный астероид 25143 Итокава, ненадолго приземлившись на него и вернув на Землю частицы его поверхностного материала. Еще одна мощная миссия с ионным двигателем, Рассвет, облетел вокруг большого астероида Веста (Июль 2011 г. - сентябрь 2012 г.), а затем перебрались на карликовую планету Церера, прибытие в марте 2015 года.

Дистанционно управляемые посадочные модули, такие как Викинг, Следопыт и два Марсоходы приземлились на поверхности Марса и несколько Венера и Вега космический корабль приземлился на поверхность Венеры. В Гюйгенс зонд успешно приземлился на Луне Сатурна, Титан.

Ни на одну из планет Солнечной системы не отправлялись миссии с экипажем. НАСА с Программа Аполлон, однако, высадили двенадцать человек на Луна и вернул их земной шар. Американец Видение освоения космоса, первоначально представленный президентом США Джордж Буш и применять на практике через Программа Созвездие, имел долгосрочной целью в конечном итоге отправить людей-астронавтов на Марс. Однако 1 февраля 2010 года президент Барак Обама предложил отменить программу в 2011 финансовом году. Более ранний проект, который получил серьезное планирование со стороны НАСА, включал облет Венеры с экипажем в Пилотируемый пролет Венеры миссия, но была отменена, когда Программа приложений Apollo был прекращен из-за сокращения бюджета НАСА в конце 1960-х.

Причины межпланетных путешествий

Космическая колония на Цилиндр О'Нила

Затраты и риск межпланетных путешествий широко освещаются - яркими примерами являются сбои или полные отказы зондов без участия человека, например Марс 96, Глубокий космос 2, и Бигль 2 (статья Список зондов Солнечной системы дает полный список).

Многие астрономы, геологи и биологи считают, что исследование Солнечная система предоставляет знания, которые невозможно получить путем наблюдений с поверхности Земли или с орбиты вокруг Земли. Но они не согласны с тем, вносят ли полеты с экипажем людей полезный научный вклад - одни считают, что роботизированные зонды дешевле и безопаснее, а другие утверждают, что либо астронавты, которых консультируют ученые с Земли, либо ученые, работающие в космосе, по рекомендации ученых с Земли, могут ответить больше. гибко и разумно к новым или неожиданным особенностям изучаемого региона.[3]

Те, кто платит за такие миссии (в первую очередь в государственном секторе), с большей вероятностью будут заинтересованы в выгодах для себя или для человечества в целом. До сих пор единственными преимуществами этого типа были "побочные" технологии, которые были разработаны для космических полетов, а затем были признаны не менее полезными в других видах деятельности (НАСА рекламирует побочные продукты своей деятельности).

Другие практические мотивы для межпланетных путешествий более спекулятивны, потому что наши текущие технологии еще недостаточно развиты для поддержки тестовых проектов. Но научная фантастика писатели имеют неплохой послужной список в прогнозировании технологий будущего - например, геостационарные спутники связи (Артур Кларк ) и многие аспекты компьютерных технологий (Мак Рейнольдс ).

Во многих научно-фантастических рассказах подробно описывается, как люди могут добывать минералы из астероиды и энергия из источников, включая орбитальные солнечные панели (без облаков) и очень сильный магнитное поле Юпитера. Некоторые отмечают, что такие методы могут быть единственным способом обеспечить повышение уровня жизни без остановки из-за загрязнения или истощения ресурсов Земли (например, пик добычи нефти ).

Наконец, колонизация других частей Солнечной системы предотвратит уничтожение всего человеческого вида в результате любого из ряда возможных событий (см. Вымирание человека ). Одним из таких возможных событий является удар астероида как тот, который мог привести к Меловое – палеогеновое вымирание. Хотя различные Космический страж проекты отслеживают Солнечную систему на предмет объектов, которые могут оказаться опасно близко к Земле, в настоящее время стратегии отклонения астероидов грубые и непроверенные. Чтобы усложнить задачу, углеродистые хондриты довольно сажистые и поэтому их трудно обнаружить. Хотя углеродистые хондриты считаются редкими, некоторые из них очень большие и предполагаются "убийца динозавров «возможно, был углеродистым хондритом.

Некоторые ученые, в том числе члены Институт космических исследований, утверждают, что подавляющее большинство человечества в конечном итоге будет жить в космосе и выиграет от этого.[4]

Экономичные методы путешествий

Одна из основных проблем при межпланетных путешествиях - это очень большие изменения скорости, необходимые для перехода от одного тела к другому в Солнечной системе.

Из-за гравитационного притяжения Солнца космический корабль, движущийся дальше от Солнца, замедлится, а приближающийся космический корабль ускорится. Кроме того, поскольку любые две планеты находятся на разном расстоянии от Солнца, планета, с которой стартует космический корабль, движется вокруг Солнца с другой скоростью, чем планета, к которой движется космический корабль (в соответствии с Третий закон Кеплера ). Из-за этих фактов космический корабль, желающий переместиться на планету, расположенную ближе к Солнцу, должен значительно уменьшить свою скорость по отношению к Солнцу, чтобы его перехватить, в то время как космический корабль, летящий на планету, расположенную дальше от Солнца, должен увеличиться. его скорость существенно.[5] Затем, если дополнительно космический корабль желает выйти на орбиту вокруг планеты назначения (вместо того, чтобы просто лететь мимо нее), он должен соответствовать орбитальной скорости планеты вокруг Солнца, что обычно требует еще одного большого изменения скорости.

Простое выполнение этого грубой силы - ускорение по кратчайшему маршруту до пункта назначения и затем соответствие скорости планеты - потребует чрезвычайно большого количества топлива. И топливо, необходимое для создания этих изменений скорости, должно запускаться вместе с полезной нагрузкой, и поэтому требуется еще больше топлива, чтобы вывести как космический корабль, так и топливо, необходимое для его межпланетного путешествия на орбиту. Таким образом, было разработано несколько методов снижения потребности в топливе при межпланетных путешествиях.

В качестве примера вовлеченных изменений скорости: космический корабль, перемещающийся с низкой околоземной орбиты на Марс по простой траектории, должен сначала претерпеть изменение скорости (также известное как дельта-v ), в данном случае увеличение примерно на 3,8 км / с. Затем, после перехвата Марса, он должен изменить свою скорость еще на 2,3 км / с, чтобы соответствовать орбитальной скорости Марса вокруг Солнца и выйти на орбиту вокруг него.[6] Для сравнения: запуск космического корабля на низкую околоземную орбиту требует изменения скорости примерно на 9,5 км / с.

Hohmann ТРАНСФЕРЫ

Переходная орбита Хомана: космический корабль отправляется из точки 2 на орбите Земли и прибывает в точку 3 на Марсе (не в масштабе)

В течение многих лет экономичное межпланетное путешествие означало использование Переходная орбита Хомана. Хоманн продемонстрировал, что путь с наименьшей энергией между любыми двумя орбитами - это эллиптический "орбита", которая образует касательная на стартовую и конечную орбиты. Как только космический корабль прибудет, второе приложение тяги изменит круговую орбиту на новое место. В случае планетарных перелетов это означает направление космического корабля, первоначально находившегося на орбите, почти идентичной земной, так что афелий переходной орбиты находится на обратной стороне Солнца вблизи орбиты другой планеты. Космический корабль, путешествующий с Земли на Марс с помощью этого метода, приблизится к орбите Марса примерно через 8,5 месяцев, но поскольку орбитальная скорость больше, чем ближе к центру масс (то есть Солнца), и медленнее, когда дальше от центра, космический корабль двигаться довольно медленно, и небольшое приложение тяги - это все, что нужно, чтобы вывести его на круговую орбиту вокруг Марса. Если маневр рассчитан правильно, Марс "прибудет" под космический корабль, когда это произойдет.

Перенос Хомана применим к любым двум орбитам, а не только к орбитам с участием планет. Например, это наиболее распространенный способ передачи спутников в геостационарная орбита, после первой "парковки" в низкая околоземная орбита. Однако переход Хомана занимает время, примерно равное 1/2 периода обращения внешней орбиты, поэтому в случае внешних планет это много лет - слишком долго, чтобы ждать. Он также основан на предположении, что точки на обоих концах безмассовые, как, например, в случае перехода между двумя орбитами вокруг Земли. Когда планета находится в конце передачи, вычисления становятся значительно сложнее.

Гравитационная рогатка

Основная статья: гравитационная рогатка
Упрощенный пример гравитационной рогатки: скорость космического корабля изменяется вдвое больше, чем скорость планеты
Участок Вояджер 2's гелиоцентрическая скорость относительно его расстояния от Солнца, иллюстрирующая использование силы тяжести для ускорения космического корабля по Юпитеру, Сатурну и Урану. Наблюдать Тритон, Вояджер 2 прошел над северным полюсом Нептуна, что привело к ускорению вне плоскости эклиптики и уменьшению скорости вдали от Солнца.[7]

В технике гравитационной рогатки используется сила тяжести планет и лун, чтобы изменять скорость и направление космического корабля без использования топлива. В типичном примере космический корабль отправляется к далекой планете по пути, который намного быстрее, чем то, что требовалось бы при передаче Хомана. Обычно это означает, что он достигнет орбиты планеты и продолжит движение мимо нее. Однако, если между точкой отправления и целью находится планета, ее можно использовать для изменения пути к цели, и во многих случаях общее время полета значительно сокращается. Ярким примером этого являются два ремесла Программа "Вояджер", который с помощью эффекта рогатки несколько раз менял траектории во внешней Солнечной системе. Этот метод сложно использовать для путешествий по внутренней части Солнечной системы, хотя можно использовать и другие близлежащие планеты, такие как Венера или даже Луна как рогатки в путешествиях к внешним планетам.

Этот маневр может изменить только скорость объекта относительно третьего, не задействованного объекта, - возможно, «центра масс» или Солнца. Нет никаких изменений в скоростях двух объектов, участвующих в маневре, относительно друг друга. Солнце нельзя использовать в гравитационной рогатке, потому что оно неподвижно по сравнению с остальной частью Солнечной системы, которая вращается вокруг Солнца. Его можно использовать для отправки космического корабля или зонда в галактику, потому что Солнце вращается вокруг центра Млечного Пути.

Рогатка с приводом

Основная статья: эффект оберта

Рогатка с приводом - это использование ракетного двигателя на самом близком расстоянии от тела (перицентр ). Использование в этой точке усиливает эффект дельта-v и дает больший эффект, чем в другое время.

Нечеткие орбиты

Компьютеров не было, когда Переходные орбиты Хомана были впервые предложены (1925 г.) и были медленными, дорогими и ненадежными, когда гравитационные рогатки были разработаны (1959). Последние достижения в вычисление позволили использовать многие другие особенности гравитационных полей астрономических тел и, таким образом, вычислить даже менее затратные траектории.[8][9] Были рассчитаны пути, связывающие Точки Лагранжа различных планет в так называемые Межпланетная транспортная сеть. Такие «нечеткие орбиты» используют значительно меньше энергии, чем передачи Хомана, но намного медленнее. Они непрактичны для миссий с участием людей, потому что обычно они занимают годы или десятилетия, но могут быть полезны для крупносерийных перевозок с низкой стоимостью. товары если человечество разовьет космическую экономику.

Аэробрейкинг

Командный модуль Аполлона летит на высоте угол атаки к аэробрейке, скользя по атмосфере (художественная передача)

Аэробрейкинг использует атмосфера целевой планеты, чтобы замедлиться. Впервые он был использован на Программа Аполлон где возвращающийся космический аппарат не выходил на околоземную орбиту, а вместо этого использовал S-образный профиль вертикального спуска (начиная с первоначально крутого спуска с последующим выравниванием, затем с небольшим набором высоты с последующим возвратом к положительной скорости снижения, продолжающейся для приводнения в океане) через атмосферу Земли, чтобы снизить ее скорость до тех пор, пока парашютная система не сможет быть развернута для безопасной посадки. Для аэротормозов не требуется плотная атмосфера - например, большинство посадочных устройств на Марс используют эту технику, и Атмосфера Марса всего на 1% толще Земли.

Аэротормоз преобразует космический корабль кинетическая энергия в тепло, поэтому требуется тепловой экран чтобы поделка не загорелась. В результате аэродинамическое торможение полезно только в тех случаях, когда топлива, необходимого для транспортировки теплозащитного экрана на планету, меньше количества топлива, которое потребовалось бы для торможения неэкранированного корабля путем запуска его двигателей. Эту проблему можно решить, создав теплозащитные экраны из материала, доступного рядом с целью.[10]

Улучшенные технологии и методологии

Было предложено несколько технологий, которые позволяют экономить топливо и обеспечивать значительно более быстрое перемещение по сравнению с традиционной методологией использования. Hohmann ТРАНСФЕРЫ. Некоторые из них все еще носят теоретический характер, но со временем некоторые из теоретических подходов были проверены в космических полетах. Например, Глубокий космос 1 миссия была успешной проверкой ионный привод.[11] Эти улучшенные технологии обычно ориентированы на одно или несколько из:

  • Космический движитель системы с гораздо большей экономией топлива. Такие системы позволят путешествовать намного быстрее, сохраняя при этом стоимость топлива в приемлемых пределах.
  • Использование солнечной энергии и использование ресурсов на месте чтобы избежать или минимизировать дорогостоящую задачу по доставке компонентов и топлива с поверхности Земли против земного притяжения (см. «Использование внеземных ресурсов» ниже).
  • Новые методики использования энергии в разных местах или разными способами, которые могут сократить время транспортировки или уменьшить Стоимость на единицу массы космический транспорт

Помимо ускорения или уменьшения затрат на перемещение, такие улучшения могут также позволить увеличить «запас прочности» конструкции за счет уменьшения необходимости делать космический корабль легче.

Улучшенные концепции ракет

Основная статья: Движение космического корабля

Все концепции ракет ограничены уравнение ракеты, который устанавливает характеристическую скорость в зависимости от скорости истечения и отношения масс начального (M0, включая топливо) в финальную (M1, топливо закончилось) масса. Основным следствием этого является то, что скорости полета более чем в несколько раз превышающие скорость выхлопа ракетного двигателя (по отношению к транспортному средству) быстро становятся непрактичными.

Ядерные тепловые и солнечные тепловые ракеты

Эскиз ядерной тепловой ракеты

В ядерная тепловая ракета или же солнечная тепловая ракета рабочая жидкость, обычно водород, нагревается до высокой температуры, а затем расширяется через сопло ракеты создавать толкать. Энергия заменяет химическую энергию реактивных химикатов в традиционных ракетный двигатель. Благодаря низкой молекулярной массе и, следовательно, высокой тепловой скорости водорода эти двигатели, по крайней мере, в два раза более экономичны, чем химические двигатели, даже с учетом веса реактора.[нужна цитата ]

Соединенные штаты Комиссия по атомной энергии и НАСА провело испытания нескольких конструкций с 1959 по 1968 год. Конструкции НАСА были задуманы как замена верхних ступеней Сатурн V ракета-носитель, но испытания выявили проблемы с надежностью, в основном вызванные вибрацией и нагревом, связанными с работой двигателей на таких высоких уровнях тяги. Политические и экологические соображения делают маловероятным, что такой двигатель будет использоваться в обозримом будущем, поскольку ядерные тепловые ракеты будут наиболее полезными на поверхности Земли или вблизи нее, а последствия неисправности могут быть катастрофическими. Концепции тепловых ракет на основе деления обеспечивают более низкие скорости истечения, чем электрические и плазменные концепции, описанные ниже, и поэтому являются менее привлекательными решениями. Для применений, требующих высокого отношения тяги к массе, таких как уход от планет, ядерная тепловая энергия потенциально более привлекательна.[нужна цитата ]

Электродвигатель

Электродвигатель системы используют внешний источник, такой как ядерный реактор или же солнечные батареи чтобы генерировать электричество, который затем используется для ускорения химически инертного топлива до скоростей, намного превышающих скорость, достигаемую в химической ракете. Такие двигатели создают слабую тягу и поэтому не подходят для быстрых маневров или для запуска с поверхности планеты. Но они настолько экономны в использованииреакционная масса что они могут вести непрерывную стрельбу в течение нескольких дней или недель, в то время как химические ракеты так быстро расходуют реакционную массу, что могут стрелять только секунды или минуты. Даже путешествие на Луну достаточно долгое, чтобы электрическая силовая установка обогнала химическую ракету. Аполлон миссии заняли по 3 дня в каждом направлении.

НАСА Deep Space One был очень успешным испытанием прототипа ионный привод, которая проработала в общей сложности 678 дней и позволила зонду сбить комету Боррелли, что было бы невозможно для химической ракеты. Рассвет, первая оперативная миссия НАСА (то есть не демонстрация технологий), в которой в качестве основного двигателя использовался ионный двигатель, успешно вылетела на большую орбиту. астероиды главного пояса 1 Церера и 4 Веста. Более амбициозная версия с ядерной установкой была предназначена для полета на Юпитер без участия человека. Орбитальный аппарат Jupiter Icy Moons (JIMO), изначально планировалось запустить где-то в следующем десятилетии. Из-за сдвига приоритетов в НАСА, которое отдавало предпочтение космическим миссиям с участием человека, проект потерял финансирование в 2005 году. Аналогичная миссия в настоящее время обсуждается в качестве американского компонента совместной программы НАСА / ЕКА по исследованию Европа и Ганимед.

Многоцентровая группа по оценке технологических приложений НАСА, возглавляемая Центр космических полетов Джонсона, по состоянию на январь 2011 года описал "Наутилус-X", концептуальное исследование многоцелевого космического корабля, полезного для миссий за пределами низкая околоземная орбита (LEO) продолжительностью до 24 месяцев для экипажа до шести человек.[12][13] Несмотря на то что Наутилус-Х адаптируется к различным силовым установкам для конкретных задач с различной малой тягой, большой удельный импульс (Язр) конструкции, ядерный ионно-электрический привод показан в иллюстративных целях. Он предназначен для интеграции и оформления заказа на Международная космическая станция (МКС), и будет подходить для полетов в дальний космос от МКС до Луны и за ее пределами, включая Земля / Луна L1, Солнце / Земля L2, околоземный астероид, и орбитальные пункты назначения Марса. Он включает в себя центрифугу с уменьшенным g, обеспечивающую искусственную гравитацию для здоровья экипажа, чтобы смягчить последствия длительного воздействия 0g, а также способность смягчать космическую радиационную среду.[14]

Ракеты, работающие на делении

В уже проведенных или запланированных в настоящее время миссиях на электрических силовых установках использовались солнечный электрический мощность, ограничивая их способность работать вдали от Солнца, а также ограничивая их пиковое ускорение из-за массы источника электроэнергии. Ядерно-электрические или плазменные двигатели, длительное время работающие на малой тяге и приводимые в действие реакторами деления, могут развивать скорость, намного превышающую скорость транспортных средств с химическим приводом.

Термоядерные ракеты

Термоядерные ракеты, питаться от термоядерная реакция реакции, будет "сжигать" такие легкие топлива, как дейтерий, тритий или 3Он. Поскольку в результате синтеза выделяется около 1% массы ядерного топлива в виде высвобождаемой энергии, он энергетически более выгоден, чем деление, при котором выделяется только около 0,1% массы-энергии топлива. Однако технологии ядерного деления или синтеза могут в принципе достигать скоростей, намного превышающих необходимые для исследования Солнечной системы, и энергия синтеза все еще ожидает практической демонстрации на Земле.

Одно предложение с использованием термоядерной ракеты было Проект Дедал. Еще одна довольно детальная система корабля, разработанная и оптимизированная для исследования Солнечной системы с экипажем, «Дискавери II»,[15] на основе D3Эта реакция, но с использованием водорода в качестве реакционной массы, была описана командой НАСА. Исследовательский центр Гленна. Он достигает характерных скоростей> 300 км / с с ускорением ~ 1,7 • 10−3 грамм, с начальной массой корабля ~ 1700 тонн и долей полезной нагрузки более 10%.

Экзотическая тяга

Увидеть двигательная установка космического корабля В статье обсуждается ряд других технологий, которые в среднесрочной и долгосрочной перспективе могут стать основой межпланетных миссий. В отличие от ситуации с межзвездное путешествие, препятствия на пути к быстрым межпланетным путешествиям связаны с инженерией и экономикой, а не с фундаментальной физикой.

Солнечные паруса

Основная статья: Солнечный парус
Иллюстрация НАСА космического корабля с солнечным парусом

Солнечные паруса основаны на том факте, что свет, отраженный от поверхности, оказывает давление на поверхность. В радиационное давление мала и уменьшается на квадрат расстояния от Солнца, но в отличие от ракет солнечные паруса не требуют топлива. Хотя тяга небольшая, она продолжается до тех пор, пока светит Солнце и парус развернут.[16]

Первоначальная концепция опиралась только на излучение Солнца - например, в Артур Кларк рассказ 1965 года "Sunjammer ". Более поздние конструкции легких парусов предлагают увеличивать тягу за счет прицеливания с земли. лазеры или же мазеры на парусе. Наземный лазеры или же мазеры может также помочь космическому кораблю с легким парусом замедлить: парус разделяется на внешнюю и внутреннюю части, внешняя часть выдвигается вперед, и ее форма изменяется механически, чтобы сфокусировать отраженное излучение на внутренней части, а излучение, сфокусированное на внутренней части, действует как тормоз.

Хотя большинство статей о легких парусах посвящены межзвездное путешествие, было несколько предложений по их использованию в Солнечной системе.

В настоящее время единственным космическим кораблем, использующим солнечный парус в качестве основного метода движения, является ИКАРОС который был запущен JAXA 21 мая 2010 года. С тех пор он был успешно развернут и показал ожидаемое ускорение. Многие обычные космические корабли и спутники также используют солнечные коллекторы, панели контроля температуры и солнцезащитные козырьки в качестве световых парусов, чтобы вносить незначительные поправки в свое положение и орбиту без использования топлива. У некоторых даже были для этого небольшие специально построенные солнечные паруса (например, Eurostar E3000 геостационарный спутники связи, построенные EADS Astrium ).

Велосипеды

Можно вывести станции или космические корабли на орбиты, которые циклически перемещаются между разными планетами, например Циклер Mars будет синхронно перемещаться между Марсом и Землей с очень небольшим расходом топлива для поддержания траектории. Циклеры концептуально являются хорошей идеей, потому что массивные радиационные экраны, системы жизнеобеспечения и другое оборудование нужно только один раз поставить на траекторию велосипедистов. Велосипедист может сочетать в себе несколько ролей: среду обитания (например, он может вращаться для создания эффекта «искусственной гравитации»); материнский корабль (обеспечивающий жизнеобеспечение экипажей меньших космических кораблей, которые на нем летят).[17] Велосипедисты также могут стать отличными грузовыми кораблями для пополнения запасов колонии.

Космический лифт

Основная статья: Космический лифт

Космический лифт - это теоретическая конструкция, которая будет транспортировать материал с поверхности планеты на орбиту.[18] Идея состоит в том, что как только дорогостоящая работа по строительству лифта будет завершена, неопределенное количество грузов может быть доставлено на орбиту с минимальными затратами. Даже самые простые конструкции избегают порочный круг запусков ракет с поверхности, при этом топливо, необходимое для выхода на орбиту последних 10% расстояния, должно быть полностью поднято с поверхности, что требует еще большего количества топлива и так далее. Более сложные конструкции космических лифтов снижают затраты энергии на поездку за счет использования противовесы, а самые амбициозные схемы направлены на то, чтобы сбалансировать повышающую и понижающую нагрузку и, таким образом, снизить стоимость энергии до нуля. Космические лифты также иногда называют "бобовые стебли »,« космические мосты »,« космические лифты »,« космические лестницы »и« орбитальные башни ».[19]

Наземный космический лифт выходит за рамки наших нынешних технологий, хотя лунный космический лифт теоретически может быть построен из существующих материалов.

Skyhook

Основная статья: Skyhook (структура)
Невращающийся скайхук впервые предложен Э. Сармоном в 1990 г.

Skyhook - это теоретический класс орбитального полета. тросовый двигатель предназначен для подъема грузов на большие высоты и скорости.[20][21][22][23][24] Предложения для небесных крюков включают конструкции, в которых используются тросы, вращающиеся с гиперзвуковой скоростью, для захвата высокоскоростных грузов или высотных самолетов и вывода их на орбиту.[25] Кроме того, было высказано предположение, что вращающийся скайхук «технически неосуществим с использованием имеющихся в настоящее время материалов».[26][27][28][29][30]

Многоразовость ракеты-носителя и космического корабля

В SpaceX Starship, первый запуск которого намечен не ранее 2020 года, рассчитан на полное и быстрое повторное использование с использованием Многоразовая технология SpaceX который был разработан в 2011–2018 гг. для Сокол 9 и Falcon Heavy ракеты-носители.[31][32]

Генеральный директор SpaceX Илон Маск оценивает, что одна только возможность повторного использования как на ракете-носителе, так и на космическом корабле, связанном со звездолетом, снизит общие системные затраты на тонну, доставленную на Марс, как минимум на два порядки величины по сравнению с тем, что ранее достигло НАСА.[33][34]

Ступенчатое топливо

При запуске межпланетных зондов с поверхности Земли, несущих всю энергию, необходимую для длительной миссии, количество полезной нагрузки обязательно чрезвычайно ограничено из-за ограничений базовой массы, теоретически описываемых уравнение ракеты. Одна из альтернатив переноса большей массы по межпланетным траекториям - израсходовать почти все верхняя ступень топлива при запуске, а затем заправить топливо на околоземной орбите перед запуском ракеты в скорость убегания для гелиоцентрический траектория. Это топливо могло храниться на орбите в склад топлива, или доставлены на орбиту в топливозаправщик для непосредственного перевода на межпланетный космический корабль. Для возврата массы на Землю есть связанный вариант - добывать сырье с небесного объекта Солнечной системы, очищать, обрабатывать и хранить продукты реакции (топливо) на теле Солнечной системы до тех пор, пока транспортное средство не будет загружено для запуска. .

Переходы на танкерах на орбиту

По состоянию на 2019 год SpaceX разрабатывает систему, в которой многоразовый аппарат первой ступени будет транспортировать межпланетный космический корабль с экипажем на околоземную орбиту, отсоединяться, возвращаться на свою стартовую площадку, где на нем будет установлен космический корабль-танкер, затем оба будут заправлены топливом, а затем запущены снова. на рандеву с ожидающим экипажем космического корабля. Затем танкер будет передавать свое топливо космическому кораблю с пилотом для использования в межпланетном путешествии. В SpaceX Starship это нержавеющая сталь -структурный космический корабль, приводимый в движение шестью Двигатели Raptor работает на уплотненный метан / кислородные пропелленты. Его длина - 55 м (180 футов), диаметр - 9 м (30 футов) в самом широком месте, и он способен перевозить до 100 тонн (220 000 фунтов) грузов и пассажиров за один рейс на Марс с выходом на орбиту. дозаправка топливом перед межпланетной частью путешествия.[34][31][35]

Пороховая установка на небесном теле

В качестве примера финансируемого проекта в настоящее время[когда? ] в стадии разработки, ключевая часть система SpaceX разработан для Марс в целях радикального снижения стоимости космических полетов к межпланетным пунктам назначения и эксплуатации физическое растение на Марсе для производства и хранения компонентов ракетного топлива, необходимых для запуска и полета Звездных кораблей обратно на Землю, или, возможно, для увеличения массы, которую можно транспортировать дальше к пунктам назначения в внешняя солнечная система.[34]

Первый звездолет на Марс будет нести небольшую топливную установку как часть груза. Завод будет расширен на несколько синоды по мере поступления большего количества оборудования, его установки и размещения в основном -автономное производство.[34]

В Топливная установка SpaceX воспользуемся большими запасами углекислый газ и водные ресурсы на Марсе, добывая воду (H2O) из недр лед и сбор CO2 от атмосфера. А химический завод переработает сырье с помощью электролиз и Сабатье процесс производить кислород (O2) и метан (CH4), а потом сжижать это для облегчения длительного хранения и максимального использования.[34]

Использование внеземных ресурсов

Основная статья: Использование ресурсов на месте
Ледяной купол Лэнгли на Марсе от 2016 года для базы на Марсе будет использовать воду на месте для создания своего рода космического пространства.иглу.[требуется разъяснение ]

Современные космические аппараты пытаются запускать со всем своим топливом (ракетным топливом и запасами энергии) на борту, которое им понадобится на протяжении всего путешествия, а существующие космические конструкции поднимаются с поверхности Земли. Неземные источники энергии и материалов в основном находятся намного дальше, но для большинства из них не требуется подниматься из сильного гравитационного поля, и поэтому их использование в космосе в долгосрочной перспективе должно быть намного дешевле.

Самым важным неземным ресурсом является энергия, потому что ее можно использовать для преобразования внеземных материалов в полезные формы (некоторые из которых также могут производить энергию). Было предложено по крайней мере два фундаментальных неземных источника энергии: выработка энергии на солнечной энергии (без облаков), либо непосредственно за счет солнечные батареи или косвенно путем фокусирования солнечного излучения на котлах, производящих пар для привода генераторов; и электродинамические тросы которые вырабатывают электричество из мощных магнитных полей некоторых планет (Юпитер имеет очень мощное магнитное поле).

Водяной лед был бы очень полезен и широко распространен на спутниках Юпитера и Сатурна:

  • Низкая гравитация этих лун сделала бы их более дешевым источником воды для космических станций и планетных баз, чем подъем воды с поверхности Земли.
  • Неназемные источники питания могут использоваться для электролиз водяной лед на кислород и водород для использования в двухкомпонентная ракета двигатели.
  • Ядерные тепловые ракеты или же Солнечные тепловые ракеты мог бы использовать это как реакционная масса. Для использования в этих двигателях также был предложен водород, который обеспечил бы гораздо большую удельный импульс (тяга на килограмм реакционной массы), но было заявлено, что вода превосходит водород по соотношению цена / производительность, несмотря на гораздо меньший удельный импульс на порядки.[36][37]

Кислород - это обычная составляющая Луна земной коры и, вероятно, в изобилии присутствует в большинстве других тел Солнечной системы. Кислород из других источников будет ценным источником водяного льда только при условии наличия соответствующего источника водород можно найти.[требуется разъяснение ] Возможные варианты использования включают:

  • в системы жизнеобеспечения космических кораблей, космических станций и планетных баз.
  • В ракетных двигателях. Даже если другое топливо придется поднять с Земли, использование кислорода из других источников может снизить затраты на запуск топлива на 2/3 для углеводородного топлива или на 85% для водорода. Экономия настолько велика, потому что кислород составляет большую часть массы в большинстве ракетное топливо комбинации.

К сожалению, водород, наряду с другими летучими веществами, такими как углерод и азот, гораздо менее распространен, чем кислород во внутренней Солнечной системе.

Ученые ожидают найти широкий спектр органические соединения на некоторых планетах, лунах и кометах внешняя солнечная система, а диапазон возможных применений еще шире. Например, метан может использоваться в качестве топлива (сжигаться с кислородом из других источников) или в качестве сырья для нефтехимический такие процессы, как создание пластмассы. И аммиак может быть ценным сырьем для производства удобрения для использования в огородах орбитальных и планетарных баз, уменьшая необходимость доставлять им пищу с Земли.

Даже необработанная порода может быть полезна в качестве ракетного топлива, если массовые водители работают.

Требования к конструкции для межпланетных путешествий с экипажем

В художественном видении космический корабль обеспечивает искусственная гравитация спиннингом (1989)
Транспорт в дальнем космосе и Лунные врата

Жизненная поддержка

Системы жизнеобеспечения должны быть способны поддерживать человеческую жизнь в течение недель, месяцев или даже лет. Должна поддерживаться пригодная для дыхания атмосфера с давлением не менее 35 кПа (5,1 фунт / кв. Дюйм) с достаточным количеством кислорода, азота и контролируемыми уровнями углекислого газа, следовых газов и водяного пара.

В октябре 2015 г. Управление генерального инспектора НАСА выпустил отчет об опасности для здоровья относится к полет человека в космос, включая человеческая миссия на Марс.[38][39]

Радиация

Как только автомобиль уезжает низкая околоземная орбита и защиты магнитосферы Земли, он входит в Радиационный пояс Ван Аллена, регион высоких радиация. Пройдя через это излучение падает до более низкого уровня,[нужна цитата ] с постоянным фоном высокой энергии космические лучи которые создают угроза здоровью. Они опасны в течение периодов от лет до десятилетий.[нужна цитата ]

Ученые Российская Академия Наук ищут методы снижения риска радиационно-индуцированных рак в рамках подготовки к миссии на Марс. В качестве одного из вариантов они рассматривают систему жизнеобеспечения, производящую питьевую воду с низким содержанием дейтерий (конюшня изотоп водорода ) для употребления членами экипажа. Предварительные исследования показали, что вода, обедненная дейтерием, обладает определенным противораковым действием. Следовательно, считается, что питьевая вода, не содержащая дейтерия, может снизить риск рака, вызванного чрезмерным радиационным воздействием на марсианский экипаж.[40][41]

Кроме того, выбросы корональной массы от солнце are highly dangerous, and are fatal within a very short timescale to humans unless they are protected by massive shielding.[42][43][44][45][46][47][48]

Надежность

Any major failure to a spacecraft en route is likely to be fatal, and even a minor one could have dangerous results if not repaired quickly, something difficult to accomplish in open space. Экипаж Аполлон-13 mission survived despite an explosion caused by a faulty oxygen tank (1970).

Launch windows

За астродинамика reasons, economic spacecraft travel to other planets is only practical within certain time windows. Outside these windows the planets are essentially inaccessible from Earth with current technology. This constrains flights and limits rescue options in the case of an emergency.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Interplanetary Flight: an introduction to astronautics. London: Temple Press, Артур Кларк, 1950
  2. ^ «Космический корабль НАСА отправляется в историческое путешествие в межзвездное пространство». Получено 20 февраля 2014.
  3. ^ Crawford, I.A. (1998). "The Scientific Case for Human Spaceflight". Astronomy and Geophysics: 14–17.
  4. ^ Valentine, L (2002). "A Space Roadmap: Mine the Sky, Defend the Earth, Settle the Universe". Space Studies Institute, Princeton. Архивировано из оригинал on 2007-02-23.
  5. ^ Curtis, Howard (2005). Орбитальная механика для студентов инженерных специальностей (1-е изд.). Эльзевир Баттерворт-Хайнеманн. п.257. ISBN  978-0750661690.
  6. ^ "Rockets and Space Transportation". Архивировано из оригинал 1 июля 2007 г.. Получено 1 июня, 2013.
  7. ^ Dave Doody (2004-09-15). "Basics of Space Flight Section I. The Environment of Space". .jpl.nasa.gov. Получено 2016-06-26.
  8. ^ "Обод гравитации". discovermagazine.com.
  9. ^ Belbruno, E. (2004). Capture Dynamics and Chaotic Motions in Celestial Mechanics: With the Construction of Low Energy Transfers. Издательство Принстонского университета. ISBN  9780691094809. Архивировано из оригинал на 2014-12-02. Получено 2007-04-07.
  10. ^ https://www.nasa.gov/pdf/744615main_2011-Hogue-Final-Report.pdf
  11. ^ «Глубокий космос 1». www.jpl.nasa.gov. Получено 2018-09-12.
  12. ^ Наутилус-Х – NASA's Multi-mission Space Exploration Vehicle Concept
  13. ^ NAUTILUS-X NASA/JSC Multi-Mission Space Exploration Vehicle, Jan. 26, 2011.
  14. ^ "NASA Team Produces NAUTILUS-X, A Fascinating Spacecraft" 21 февраля 2011 г.
  15. ^ PDF К. Р. Уильямс и др., «Реализация" 2001: Космическая одиссея ": пилотируемый ядерный термоядерный двигатель со сферическим тором», 2001 г., 52 страницы, NASA Glenn Research Center
  16. ^ "Abstracts of NASA articles on solar sails". Архивировано из оригинал on 2008-03-11.
  17. ^ Aldrin, B; Noland, D (2005). "Дорожная карта Базза Олдрина на Марс". Популярная механика. Архивировано из оригинал на 2006-12-11.
  18. ^ David, D (2002). "The Space Elevator Comes Closer to Reality". space.com. Архивировано из оригинал на 2010-11-04.
  19. ^ Edwards, Bradley C. (2004). "A Space Elevator Based Exploration Strategy". Материалы конференции AIP. 699: 854–862. Bibcode:2004AIPC..699..854E. Дои:10.1063/1.1649650.
  20. ^ Moravec, H. (1977). "A non-synchronous orbital skyhook". Journal of the Astronautical Sciences. 25 (4): 307–322. Bibcode:1977JAnSc..25..307M.
  21. ^ Colombo, G.; Gaposchkin, E. M.; Grossi, M. D.; Weiffenbach, G. C. (1975). "The sky-hook: a shuttle-borne tool for low-orbital-altitude research". Meccanica. 10 (1): 3–20. Дои:10.1007/bf02148280.
  22. ^ M. L. Cosmo and E. C. Lorenzini, Tethers in Space Handbook, NASA Marshall Space Flight Center, Huntsville, Ala, USA, 3rd edition, 1997.
  23. ^ L. Johnson, B. Gilchrist, R. D. Estes, and E. Lorenzini, "Overview of future NASA tether applications," Достижения в космических исследованиях, т. 24, вып. 8, pp. 1055–1063, 1999.
  24. ^ E. M. Levin, "Dynamic Analysis of Space Tether Missions", Американское астронавтическое общество, Washington, DC, USA, 2007.
  25. ^ Hypersonic Airplane Space Tether Orbital Launch (HASTOL) System: Interim Study Results В архиве 2016-04-27 at the Wayback Machine
  26. ^ Bogar, Thomas J.; Bangham, Michal E.; Forward, Robert L.; Lewis, Mark J. (7 January 2000). "Hypersonic Airplane Space Tether Orbital Launch System" (PDF). Research Grant No. 07600-018l Phase I Final Report. Институт передовых концепций НАСА. Получено 2014-03-20.
  27. ^ Dvorsky, G. (13 February 2013). "Why we'll probably never build a space elevator". io9.com.
  28. ^ Feltman, R. (7 March 2013). "Why Don't We Have Space Elevators?". Популярная механика.
  29. ^ Scharr, Jillian (29 May 2013). "Space Elevators On Hold At Least Until Stronger Materials Are Available, Experts Say". Huffington Post.
  30. ^ Templeton, Graham (6 March 2014). "60,000 miles up: Space elevator could be built by 2035, says new study". Экстремальные технологии. Получено 2014-04-19.
  31. ^ а б Bergin, Chris (2016-09-27). "SpaceX reveals ITS Mars game changer via colonization plan". NASASpaceFlight.com. Получено 2016-09-27.
  32. ^ Belluscio, Alejandro G. (2014-03-07). "SpaceX advances drive for Mars rocket via Raptor power". NASAspaceflight.com. Получено 2014-03-07.
  33. ^ Elon Musk (27 September 2016). Making Humans a Multiplanetary Species (видео). IAC67, Guadalajara, Mexico: SpaceX. Event occurs at 9:20–10:10. Получено 10 октября 2016. So it is a bit tricky. Because we have to figure out how to improve the cost of the trips to Mars by five million percent ... translates to an improvement of approximately 4 1/2 orders of magnitude. These are the key elements that are needed in order to achieve a 4 1/2 order of magnitude improvement. Most of the improvement would come from full reusability—somewhere between 2 and 2 1/2 orders of magnitude—and then the other 2 orders of magnitude would come from refilling in orbit, propellant production on Mars, and choosing the right propellant.CS1 maint: location (связь)
  34. ^ а б c d е "Making Humans a Multiplanetary Species" (PDF). SpaceX. 2016-09-27. Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-09-28. Получено 2016-09-29.
  35. ^ Berger, Eric (2016-09-18). "Elon Musk scales up his ambitions, considering going "well beyond" Mars". Ars Technica. Получено 2016-09-19.
  36. ^ Origin of How Steam Rockets can Reduce Space Transport Cost by Orders of Magnitude
  37. ^ "Neofuel" -interplanetary travel using off-earth resources
  38. ^ Данн, Марсия (29 октября 2015 г.). «Отчет: НАСА нужно лучше справляться с опасностями для здоровья Марса». AP Новости. Получено 30 октября, 2015.
  39. ^ Персонал (29 октября 2015 г.). «Усилия НАСА по управлению рисками для здоровья и деятельности человека при исследовании космоса (IG-16-003)» (PDF). НАСА. Получено 29 октября, 2015.
  40. ^ Siniak IuE, Turusov VS; Grigorev, AI; и другие. (2003). "[Consideration of the deuterium-free water supply to an expedition to Mars]". Aviakosm Ekolog Med. 37 (6): 60–3. PMID  14959623.
  41. ^ Sinyak, Y; Григорьев А; Gaydadimov, V; Gurieva, T; Levinskih, M; Pokrovskii, B (2003). "Deuterium-free water (1H2O) in complex life-support systems of long-term space missions". Acta Astronautica. 52 (7): 575–80. Bibcode:2003AcAau..52..575S. Дои:10.1016/S0094-5765(02)00013-9. PMID  12575722.
  42. ^ popularmechanics.com В архиве 2007-08-14 на Wayback Machine
  43. ^ Wilson, John W; Cucinotta, F.A; Shinn, J.L; Simonsen, L.C; Dubey, R.R; Jordan, W.R; Jones, T.D; Chang, C.K; Kim, M.Y (1999). "Shielding from solar particle event exposures in deep space". Измерения радиации. 30 (3): 361–382. Bibcode:1999RadM...30..361W. Дои:10.1016/S1350-4487(99)00063-3. PMID  11543148.
  44. ^ nature.com/embor/journal
  45. ^ islandone.org/Settlements
  46. ^ iss.jaxa.jp/iss/kibo
  47. ^ yarchive.net/space/spacecraft
  48. ^ uplink.space.com В архиве 2004-03-28 at the Wayback Machine

дальнейшее чтение

  • Seedhouse, Erik (2012). Interplanetary Outpost: The Human and Technological Challenges of Exploring the Outer Planets. Нью-Йорк: Спрингер. п. 288. ISBN  978-1441997470.