Справянето с гравитацията в космическите изстрелвания не е лесна задача. Конвенционалните ракети са много скъпи, генерират много отломки и на практика са много опасни. За щастие науката не стои неподвижна и се появяват все повече алтернативни начини, които ни обещават по-ефективни, по-евтини и по-безопасни начини да завладеем космическото пространство. Днес ще говорим за това как човечеството ще лети в космоса в бъдеще.
Но преди да започнем, трябва да се отбележи, че химическите реактивни двигатели (CRM), които сега се използват като основа за всички космически изстрелвания, са критично средство за развитието на космическия сектор, така че използването им ще продължи няколко десетилетия, докато не се появи откри и, най-важното, многократно тествана технология, която може да осигури безболезнен преход към коренно ново ниво на изстрелвания и полети в космоса.
Но вече, когато цената на изстрелванията може да възлиза на няколкостотин милиона долара, става ясно, че HRD е задънена улица. Вземете за пример най-новата система за стартиране на космоса. Именно тази система се смята от Аерокосмическата агенция НАСА като основа за изследване в дълбочина в космоса. Експертите са изчислили, че цената на един старт на SLS ще бъде около 500 милиона долара. Сега, когато пространството се превърна не само от щати, но и от частни компании, започнаха да се предлагат по-евтини алтернативи. Например Falcon Heavy на SpaceX ще струва около 83 милиона долара за стартиране. Но все пак е много, много скъпо. И все още не се докосваме до въпроса за екологичността на космическите изстрелвания, базирани на CRD, които без съмнение причиняват значителна вреда на околната среда.
Добрата новина е, че учените и инженерите вече предлагат алтернативни начини и методи за изстрелване в космоса, а някои от тях имат потенциала да станат ефективни технологии през следващите десетилетия. Всички тези алтернативи могат да бъдат обобщени в няколко категории: алтернативни видове реактивни изстрелвания, стационарни и динамични транспортни системи и изхвърлящи системи. Разбира се, те не обединяват всички предложени идеи, но в тази статия ще анализираме най-обещаващите.
Алтернативни видове реактивни изстрелвания
Лазерна тяга
Пренасочване на плазмен поток за увеличаване на тягата
Промоционално видео:
Използваните днес ракети изискват огромни количества твърди или течни горива и най-често техният обхват и ефективност са ограничени от това колко гориво могат да носят. Съществува обаче вариант, който в бъдеще ще преодолее тези ограничения. Решението може да бъде специални лазерни инсталации, които ще изпращат ракети в космоса.
Руските физици Юрий Резунков от Института за разработване на оптоелектронни инструменти и Александър Шмид от Физико-техническия институт на Ioffe описаха наскоро процеса на "лазерна аблация", според който тягата на самолет ще се генерира с помощта на лазерно излъчване, генерирано от лазерно устройство извън космическия кораб. В резултат на излагане на това излъчване материалът на приемащата повърхност ще бъде изгорен и ще се създаде плазмен поток. Този поток ще осигури необходимата тяга, способна да ускори космическия кораб до скорости десетки пъти по-големи от скоростта на звука.
Ако пропуснем цялата фантастична природа на този метод, преди да създадем такава система, ще е необходимо да се решат два проблема: лазерът в този случай трябва да бъде невероятно мощен. Толкова мощен, че може буквално да изпари метала на разстояние от няколкостотин километра. Оттук идва и друг проблем - този лазер може да се използва като оръжие за унищожаване на други космически кораби.
Стратосферни изстрелвания и космически самолети
По-малко концептуален и по-реалистичен изглежда методът за изстрелване на космически кораби с помощта на специални мощни носещи въздушни трактори.
Кой каза, че методът на Virgin Galactic може да се използва само за космически туризъм? Компанията планира да използва своето устройство LauncherOne като транспортна система за изстрелване на компактни спътници с тегло до 100 килограма в земната орбита. Като се има предвид скоростта, с която космическите системи са миниатюрни сега, идеята е много интересна.
Други примери за изстрелваща система са космическият кораб XCOR Aerospace Lynx Mark III (на снимката по-горе) и космическият кораб Orbital Sciences Pegasus II (на снимката по-долу).
Едно от предимствата на космическите изстрелвания от въздушното пространство е, че ракетите не трябва да пътуват през много плътна атмосфера. В резултат на това натоварването на самото устройство ще намалее. Освен това самолетът е много по-лесен за стартиране. Той е по-малко податлив на атмосферни климатични промени. В крайна сметка характеристиката на такива изстрелвания отваря повече възможности по отношение на избираемата скала.
Космическите самолети са друга възможност. Тези самолети за многократна употреба ще бъдат подобни на пенсионираната совалка и Buran, но за разлика от последния, те няма да изискват използването на огромни ракети-носители за изстрелване в орбита. Един от най-обещаващите и модерни проекти в това отношение е британският космически самолет British Skylon (на снимката по-горе) - едноетапен самолет за влизане в орбита. Реактивната тяга на космическия кораб ще се генерира от два двигателя с въздушна струя, които ще го ускорят до скорост 5 пъти по-висока от скоростта на звука и ще го повдигнат на надморска височина от почти 30 километра. Това обаче е само 20 процента от необходимата скорост и височина, необходими за космически разход, така че космическият самолет ще премине в така наречения „ракетен режим“, след като достигне тавана на височина.
За съжаление, все още има много технологични трудности по пътя на реализирането на този проект, които все още не са решени. Например, космическите самолети се очаква да се сблъскат с непланирана промяна в траекторията на изкачването си поради високи динамични налягания и екстремни температури, които неизбежно ще засегнат най-чувствителните части на самолета. С други думи, такива космически самолети могат да бъдат опасни.
Друг пример за разработка на космически самолети е Dream Chaser, разработен от корпорацията Sierra Nevada за аерокосмическата агенция на НАСА (на снимката по-горе).
Стационарни и динамични транспортни системи
Ако не са летящи машини, тогава огромни структури, които се издигат до невероятни височини или дори направо в космоса, са решението.
Например Джефри Ландис, учен и писател на научна фантастика, предложи идеята за изграждане на гигантска кула, чийто връх ще достигне границите на земната атмосфера. Разположен на около 100 километра над земната повърхност, той може да се използва като изстрелваща платформа за конвенционални ракети. На тази надморска височина ракетите практически не трябва да се справят с никакво въздействие на земната атмосфера.
Друг вариант на строителство, който привлече вниманието на много представители на научните и псевдонаучни общности, е космическият асансьор. Всъщност тази идея датира от 19 век. Съвременната версия предлага да се разтегне тежък кабел до височина 35 400 (което е извън местоположението на повечето комуникационни спътници) километри над земната повърхност. След извършване на цялото необходимо балансиране на кабела се предлага пускането на превозни средства, работещи на лазерно сцепление, с товар.
Илюстрация на космически асансьор на Марс
Идеята за космически асансьори наистина има потенциал да създаде истинска революция в космическия транспорт до околоземна орбита. Но ще бъде много трудно да преведем тази идея в реалния живот. Ще отнеме много време, преди учените да създадат материал, който да поддържа тежестта на такава структура. Разглежданите варианти вече са въглеродни нанотръби, или по-скоро структури, базирани на микроскопични диамантени взаимодействия с ултра тънки нано влакна. Но дори и да намерим начин да изградим космически асансьор, това няма да реши всички проблеми. Опасните вибрации, интензивните вибрации, сблъсъците със сателити и космически отломки са само част от задачите, които ще трябва да се справят.
Друга предложена алтернатива са гигантските „орбитални маховици“. Маховиците са въртящи се спътници с дълги кабели, които се разминават в две различни посоки, чиито краища ще се свържат с атмосферата на планетата по време на въртене. В този случай скоростта на въртене на конструкцията частично или напълно ще компенсира орбиталната скорост.
Порталът на Orion's Arm обяснява как работят:
„В долната част на кабела, разположена близо до планета с размерите на Земята, ще има платформа за докинг на височина 100-300 километра над повърхността (докато самата дължина на кабелите от центъра на маховика ще бъде няколко хиляди километра). Тази височина беше избрана, защото тук ефектът от атмосферата върху самия „маховик“ще бъде сведен до минимум, както и гравитационните загуби на докинг-совалки ще бъдат сведени до минимум. Докингът ще се осъществи при много ниски скорости както на самия маховик, така и на совалката, обикновено на върха на параболичната суборбитална траектория, зададена от изстрелващия автомобил. В този случай совалката ще бъде сравнително неподвижна по отношение на „маховика“и може да бъде хваната от специална кука и след това да бъде изтеглена до бравата за докинг или платформата за кацане. За правилно позициониране в орбита "маховиците" ще използват тласкатели."
Тъй като маховиците ще бъдат разположени изцяло в космоса, а не са фиксирани към Земята, те няма да трябва да изпитват същото физическо натоварване като космическия асансьор, така че в крайна сметка тази идея може да се окаже по-жизнеспособна.
Що се отнася до динамичните структури, Popular Mechanics описва поне две основни опции:
„Конструкции като„ космическия фонтан “и„ контура на Лофстром “ще запазят своята структурна цялост поради електродинамичните ефекти или импулсите, движещи се части вътре в тях, както и товарите и пътниците, излизащи в орбита. Ротаторите изглежда са по-интересна концепция. Тази идея предлага изграждането на голяма орбитална структура с въртящ се в равнината на орбитата тетър, така че в точката на окръжността, която е най-близо до Земята, скоростта на края на тетера спрямо центъра е противоположна на орбиталната скорост. По този начин кабелът, преминавайки минималната, може да вземе желания обект, който има скорост, по-ниска от първата космическа, и да го освободи в точката на максимално разстояние със скорост, която вече е по-голяма от първата космическа”.
Ще изглежда нещо като "gif"
Друга алтернатива на космическия кабел и асансьор е вертикална надуваема кула, която може да нарасне 20-200 километра във височина. Дизайнът, предложен от Брендън Куин и неговите колеги, ще бъде издигнат на върха на планината и е идеален за атмосферни изследвания, инсталация на телевизионна и радиокомуникационна техника, изстрелване на космически кораби и туризъм. Самата кула ще бъде създадена на базата на няколко пневматични външно контролирани плъзгащи се секции.
„Изборът на кула ще помогне да се избегнат проблемите, свързани с космическия асансьор. Става въпрос за здравината на строителен материал, подходящ за работа в космоса, за трудността да се произведе кабел с дължина поне 50 000 километра и да се обърне внимание на заплахата от метеорит в ниска земна орбита “, заявиха изследователите, които предложиха дизайна на кулата.
За да тестват идеята си, те изградили 7-метров модел на кулата с шест модула, всеки от които се основавал на три тръби, монтирани около цилиндрично отделение, изпълнено с въздух.
Интересно е, че подобна технология може да бъде използвана при изграждането на „космическия кей“, предложен от Джон Сторс Хол. Според тази концепция се предлага да се издигне конструкция с височина 100 километра и дължина 300 километра. С тази настройка асансьорът ще се придвижи директно до точката на изстрелване. Самото изстрелване на полезния товар в орбита ще се случи с ускорение само 10g.
„Този хибриден вариант пренебрегва недостатъците на предложените опции с орбитална кула (размерът на кея е много по-малък, следователно е по-лесно да се изгради) и трудностите, които ще трябва да бъдат изправени пред електромагнитните изстрелвания (плътността и съпротивлението на въздуха на надморска височина от 100 километра е милион пъти по-малко, отколкото на нивото море)”, казва Хол.
Катапултни системи
Ако всички предложени идеи за обикновения читател може да изглеждат напълно научна фантастика, то следващите са много по-близки до реалността, отколкото може да изглежда на пръв поглед. Друга алтернатива на ракетните изстрелвания са катапултовите системи, при които космическите кораби ще бъдат изстреляни в космоса като оръдие.
Напълно очевидно е, че в този случай самият товар ще трябва да бъде проектиран за въздействието на екстремни сили. Въпреки това системите за катапулт могат да се превърнат в наистина ефективен инструмент за изпращане на полезен товар в космоса, където той ще бъде взет от космически кораби, разположени там.
Катапултните системи могат да бъдат разделени на три основни типа: електрически, химически и механични.
Електрически
Този тип включва релсови пистолети или електромагнитни катапулти, работещи на принципа на електромагнитните ускорители. По време на изстрелването космическият кораб ще бъде поставен на специални направляващи релси и ще се ускори рязко с помощта на магнитно поле. В този случай силата на ускорението ще бъде достатъчна, за да изведе устройството от земната атмосфера.
Въпреки това, дизайнерската особеност на такива системи ще ги направи много масивни и скъпи за изграждане. В допълнение, такива системи ще консумират огромно количество електроенергия. Въпреки силата си, електромагнитните катапулти все пак ще трябва да се сблъскат с някои от проблемите, свързани с гравитацията и плътната атмосфера на Земята. Ако се използват, е по-вероятно на планети с по-ниска гравитация и разредена атмосфера.
химически
Той предлага изстрелването на обекти в космоса с помощта на огромни оръдия, подхранвани от горим газ като водород. Въпреки това, както при всяка система за изхвърляне, товарът, изпратен в космоса, ще трябва да изпитва увеличени товари по време на изстрелването. Освен това такива системи не могат да се използват за изпращане на хора в космоса. Освен това ще трябва да се използва допълнително оборудване, което ще позволи изстрелването на товари, като компактни спътници, в постоянна орбита. В противен случай изстреляният обект, придобивайки максимална височина, просто ще падне обратно на Земята.
HARP Project (Изследователски проект на голяма надморска височина). Това оръдие изстреля ракета-снаряд Марлет-2 до надморска височина от 180 километра. Записът все още се съхранява
Логичното развитие на HARP проекта беше проектът SHARP (Изследователски проект за супер голяма надморска височина). През 90-те години на миналия век изследователи от лабораторията Лорънс Ливърмор проведоха демонстрация на изстрелването на снаряди със скорост 3 километра в секунда (макар и не във височина, а на земята). В крайна сметка учените стигнаха до извода, че за изграждането на истинска работна проба от такова оръжие ще са необходими поне 1 милиард долара. Картината се сгъсти и от факта, че учените не успяха да постигнат планираната скорост на снаряда от 7 километра в секунда.
механичен
Механичните пушки могат да служат като алтернатива на електромагнитните и химическите пушки. Вярно е, че не е напълно правилно да се наричат такива системи пушки. По-скоро е вид прашка. Пример е проектът на Slingatron на HyperV Technologies Corp. Самата система представлява спирална куха структура вътре. Обект, поставен вътре в спиралата, се ускорява чрез завъртане на цялата структура около фиксирана точка.
На теория сленгатронът е в състояние да осигури необходимото ускорение. Както обаче самите разработчици посочват, системата не е подходяща за изстрелване на хора и големи товари в орбита. Но този метод може да се използва за изпращане на малки товари в космоса, като водоснабдяване, гориво и строителни материали.
Изглед в пълен размер на слинготрона би изглеждал нещо подобно
Какво всъщност ще бъде бъдещето?
Изключително трудно е да се предвиди какъв ще бъде отговорът на този въпрос. Неочакваните технологични открития и ефектите, създадени от тях, могат да доведат до факта, че всички варианти за ракети без ракети, разгледани днес, ще станат наравно с ефективността. Сега това не е така, както се вижда от сравнителната таблица тук.
Вземете за пример потенциала на технологията за молекулно сглобяване. След като овладеем тази област, вече няма нужда да стартираме нищо в космоса. Ние просто ще хващаме астероиди в Слънчевата система и ще създаваме от тях (или по-скоро полезните материали, съдържащи се в тях) каквото искаме точно в космоса. Най-интересното е, че напредъкът в тази посока вече се вижда днес. Например, веднъж астронавтът на НАСА Бари Уилмор се нуждаеше от компактен регулируем гаечен ключ. Изглежда, какъв е проблемът - да отидете до най-близкия магазин за инструменти? Само най-близкият магазин за инструменти по това време не беше до Уилмор, тъй като астронавтът беше на борда на Международната космическа станция!НАСА се измъкна от ситуацията грациозно - изпрати имейл до ISS диаграма на необходимия ключ и предложи на Уилмор сам да го отпечата на 3D принтер на борда. Това е само един пример, показващ, че за сравнително кратко време изобщо няма да е необходимо да стартираме нищо в космоса. Всичко ще бъде създадено вече на място.
Що се отнася до необходимите ресурси, тогава това също ще престане да бъде проблем. Астероидният колан е пълен с необходимия материал: неговият обем е почти половината от масата на нашата Луна. Някой ден ще стигнем до извода, че цял рой космически сонди, подобни на "Фила", просто ще кацне на следващия астероид или метеорит и ще произвежда минерални ресурси върху тях. НАСА иска да проведе първата подобна мисия през 2020 г. Предвижда се да се хване малък астероид, да се постави в стабилна лунна орбита и там да се приземят астронавти, които могат да изучават космическия калдъръм и дори да събират интересни проби от неговата почва.
Поставянето на хора в космоса е различен проблем, особено когато вземете предвид, че в бъдеще има планове за преминаване към масово изпращане на хора в космоса. Някои от предложените идеи, като космическия асансьор, всъщност могат да работят. Но само ако не говорим за завладяването на дълбокото пространство. Следователно в този въпрос ще трябва да разчитаме на традиционните ракетни изстрели за дълго време. Техните идеи вече се озвучават както на държавно ниво, така и в частна сфера. Вземете отново същия Елон Мъск с неговия проект за колонизация на Марс.
Трябва да вземем предвид и факта, че човешкото тяло всъщност не е проектирано за много дълъг престой в космоса. Следователно, докато не стигнем до ефективни технологии, които позволяват създаването на изкуствена гравитация, роботите могат да се превърнат в частично решение на този проблем. Роботите могат да се изпращат в космоса и да се контролират отдалечено от Земята с помощта на разширена или виртуална реалност.
Роботите имат реален шанс да бъдат ключът към започването на нашето дълбоко космическо проучване. Напълно възможно е в по-далечното бъдеще да се научим как да дигитализираме мозъците си и да предаваме тази информация на суперкомпютри на борда на отдалечени космически станции, където тя ще бъде заредена в най-различни роботизирани аватари, с които ще проправим път към далечните граници на космоса.
НИКОЛАЙ ХИЖНЯК
