През двадесети век писателите на научна фантастика пишат много и талантливо за изследването на космоса. Героите на "Chius" дадоха на човечеството богатствата на уран Golconda, пилотът Pirks работеше като капитан на космически кораби за сухотоварни превози, превозвачи на контейнери и кораби за насипни товари се разхождаха из Слънчевата система и не говоря за някаква мистика при пътуване до мистериозни монолити.
21 век обаче не оправда очакванията. Човечеството плахо стои в коридора на Космоса, без да излиза за постоянно отвъд земната орбита. Защо се случи и на какво да се надяват тези, които биха искали да прочетат в новините за увеличаване на добива на марсиански ябълкови дървета?
Не е необходим цигулар
Първият парадокс, с който се сблъскахме, е, че хората не са най-подходящият обект за изследване на космоса. Писателите на научна фантастика, които измислят космически експедиции, могат да разчитат само на историческия опит на пионерите на Земята - моряци, полярни изследователи, първите авиатори. Всъщност, как би се различавало завладяването на Марс от завладяването на Южния полюс?
И тук-там средата е неподходяща за живот без предварителна подготовка, трябва да носите провизии със себе си и не можете да излезете извън кораба или вкъщи, без да облечете специално оборудване. Но писателите на научна фантастика и футуристи не можеха да предвидят развитието на електрониката и роботиката и изследователите на роботи обикновено се описват по анекдотичен начин:
„Трябваше да отклоня поглед от писмото за половин час и да изслушам оплакванията на моя съсед, кибернетикът Щербаков. Вероятно знаете, че на север от ракетницата се изгражда голям подземен завод за преработка на уран и трансуранид. Хората работят шест смени. Роботи - денонощно; прекрасни машини, последната дума в практическата кибернетика. Но, както казват японците, маймуната също пада от дървото. Сега Щербаков дойде при мен, ядосан като дявола, и каза, че банда от тези механични идиоти (по негови думи) открадна едно от големите рудни депа тази вечер, като я сбърка, очевидно, с необичайно богат депозит. Роботите имаха различни програми, така че до сутринта част от склада се озова в складовете на ракетницата, част - на входа на геоложкия отдел, а част от него като цяло беше неизвестно къде. Търсенето продължава."
Промоционално видео:
Но никой от известните автори не се досеща, че роботът в космическите изследвания има много предимства пред човек:
За разлика от човек, роботът се нуждае само от мощност и топлинен баланс. Не е необходимо да привличате десетки тонове оранжерии, храна, вода, кислород, дрехи и хигиенни продукти, лекарства и други неща.
Роботът може да бъде изпратен по един начин, без да се връща.
Роботът е способен да работи години наред. Опитът на Вояджъри, марсоходи или Касини предполага, че сега е по-правилно да се говори не за години, а за десетилетия.
Роботът е способен да работи години наред при условия, които са фатални за хората. Сондата „Галилео“получи доза, 25 пъти по-висока от леталната доза за хора и след това работи в орбита в продължение на 8 години.
В резултат се оказа, че само роботи с тегло от няколко тона се вписват в техническите възможности на човечеството, за да ги изпращат на други планети срещу разумни пари и се превръща в единствения начин да се задоволи научното любопитство и да се получат красиви снимки.
Живеем в логистична крива
Втората грешка на писателите на научна фантастика беше, че те предсказваха линейно или дори експоненциално развитие на космонавтиката. Въпреки че през 1838 г. е открит такъв феномен като логистичната крива. Какъв е този ужасен звяр? Да вземем за пример авиационната история:
1900-те. Първите несръчни библиотеки, първите записи - полети на няколко километра с един пътник.
1910-ти. Първите разузнавачи, изтребители, бомбардировачи, поща и пътнически самолети.
1920-1930-те. Овладяване на полети през нощта, първите трансконтинентални полети.
1940-те. Авиацията е сериозна военна и транспортна сила.
1950-те. Реактивните двигатели дават нов тласък за развитието на авиацията - нови скорости, обхвати и височини, още повече пътници.
1960-70-те. Първият свръхзвуков и широкофюзелажен пътнически самолет, авиацията е по-достъпна.
1980-90-те. Спиране. Развитието става все по-скъпо, фирмите за развитие се обединяват в гигантски компании. А самолетите все повече си приличат.
2000-те. Ограничение. Двата гиганта, Boeing и Airbus, правят външно еднакви машини, а свръхзвуковият пътнически самолет изчезна напълно.
Ако превърнете тези постижения в числа, ще получите следната картина:
В астронавтиката ситуацията е абсолютно същата:
За по-голяма яснота графиката на S-кривата може да бъде покрита с графика на разходите за постигане на това ниво:
И тъгата на нашето „днес“е, че в астронавтиката със съществуващи технологии сме близо до нивото на насищане. Технически можете да летите в пилотирана версия до Луната и дори Марс, но някак си е жалко за парите.
Сложете KC - ще получите гравитация
Следващият тъжен аспект, забавящ хвърлянето в космоса, е, че все още не е открито нещо много ценно, за което си струва да се харчат пари за космически изследвания извън орбитата на Земята. Моля, имайте предвид, че има много търговски спътници в околоземна орбита - комуникации, телевизия и интернет, метеорологични, картографски. И всички те имат осезаеми парични облаги. И каква е ползата от пилотирана мисия до Луната? Ето официалния списък с резултатите от лунната програма на САЩ на стойност около 170 милиарда щатски долара (в цени от 2005 г.):
Луната не е основен обект, тя е земна планета, със своята еволюция и вътрешна структура, подобна на Земята.
Луната е древна и пази историята на първите милиарди години еволюция на земните планети.
Най-младите лунни скали са приблизително на същата възраст като най-старите земни скали. Следи от най-ранните процеси и събития, които може да са повлияли на Луната и Земята, сега могат да бъдат намерени само на Луната.
Луната и Земята са генетично свързани и са формирани от различни пропорции на общ набор от материали.
Луната е безжизнена и не съдържа живи организми или местни органични вещества.
Лунните скали произхождат от високотемпературни процеси без участието на вода. Те се класифицират в три вида: базалти, анортозити и бреки.
Преди много време Луната беше разтопена до голяма дълбочина и образува океан от магма. Лунните планини съдържат останки от ранни скали с ниска плътност, които са плавали по повърхността на този океан.
Океанът на магмата се формира от поредица от огромни астероидни удари, които образуват басейни, пълни с потоци от лава.
Луната е донякъде асиметрична, вероятно поради влиянието на Земята.
Лунната повърхност е покрита с парчета скали и прах. Това се нарича лунен реголит и съдържа уникалната лъчиста история на Слънцето, която е важна за разбирането на изменението на климата на Земята.
Всичко това е много интересно (без шеги), но всички тези знания имат непоправим недостатък - не можете да го намажете върху хляб, да го излеете в резервоар за газ или да построите къща от него. Ако в пространството на космоса бъдат открити определен "елерий", "тиберий" или друг шишдостаний, който може да се използва като:
Рентабилен енергиен източник.
Неразделна част от производството на нещо ценно и полезно.
Храна / лекарство / витамин с принципно ново качество.
Луксозен артикул или източник на удоволствие.
Ако той също расте само на Марс или в астероидния пояс (и не се възпроизвежда на Земята) и може да бъде добиван само от хора (така че хитрото човечество да не изпраща по-евтини и по-непретенциозни роботи), тогава би било пилотирано космическо изследване, което би получило безценен стимул. И в отсъствието му, при песимистичен сценарий през 2020-те, човечеството може да загуби постоянно присъствие дори в околоземна орбита - на фона на саксии за международно сътрудничество, счупени от политици, данъкоплатците могат да попитат: „Защо ни трябва нова станция след МКС?“
Проклятието на формулата на Циолковски
Ето го, немезидата на космонавтиката:
Тук:
V е крайната скорост на ракетата.
I - специфичен импулс на двигателя (колко секунди двигателят на 1 килограм гориво може да създаде тяга 1 Нютон)
М1 е началната маса на ракетата.
М2 е крайната маса на ракетата.
V за случая с пълни резервоари ще бъде характерният запас на скоростта, т.е., запасът на скоростта, с който можем да ускорим / забавим, ако е необходимо. Това също се нарича делта-V граница (делта означава промяна, т.е. това е граница за промяната в скоростта).
Какъв е проблемът тук? Нека вземем карта на необходимите промени в скоростта за Слънчевата система:
Нека си представим сега, че искаме да летим до Марс и обратно. Това ще възлиза на:
9400 m / s - започнете от Земята.
3210 m / s - напускане на земната орбита.
1060 m / s - прихващане на Марс.
0 m / s - навлизане в ниската орбита на Марс (бял триъгълник означава възможност за спиране срещу атмосферата).
0 m / s - кацане на Марс (ние забавяме атмосферата).
3800 м / сек - старт от Марс.
1440 m / s - ускорение от орбита на Марс.
1060 m / s - прихващане на Земята.
0 m / s - навлизане в ниска земна орбита (забавяме се спрямо атмосферата).
0 m / s - кацане на Земята (забавяме в атмосферата).
Резултатът е красива цифра от 19970 m / s, която закръгляме до 20 000 m / s. Нека нашата ракета бъде идеална и обемът на горивото по никакъв начин не влияе върху нейната маса (резервоари, тръбопроводи не тежат нищо). Нека се опитаме да изчислим зависимостта на началната маса на ракетата от крайната маса и специфичния импулс. Преобразувайки формулата на Циолковски, получаваме:
M1 = eV / I * M2
Нека използваме безплатния математически пакет Scilab. Вземаме крайната маса в диапазона 10-1000 тона, специфичният импулс ще варира от 2000 m / s (химически двигатели на хидразин) до 200 000 m / s (теоретична оценка на максималния импулс на електрическия задвижващ двигател за днес). Трябва да кажа веднага, че за максималната маса и минималния импулс ще има много голяма стойност (22 милиона тона), така че скалата на дисплея ще бъде логаритмична.
[m2 I] = мрежеста мрежа (10: 50: 1000,2000: 5000: 200000);
m1 = log (exp (20000 * I. ^ - 1). * m2);
сърф (m2, I, m1)
Тази красива графика всъщност е визуална присъда за химическите двигатели. Това не е новина - на химическите двигатели, както перфектно показва практиката, обикновено можете да пускате малки сонди, но дори да летите до Луната с екипаж вече е малко трудно.
Нека облекчим нашите условия. Първо, нека приемем, че започваме от орбитата на Земята и вместо 20 km / s ни трябват 10. Второ, отрязваме „опашката“на неефективните химически двигатели, като определяме минималната стойност от I на 4400 m / s (AI на водородния двигател на космическата совалка) RS-25):
[m2 I] = мрежеста мрежа (10: 50: 1000,4400: 5000: 200000);
m1 = log (exp (10000 * I. ^ - 1). * m2);
сърф (m2, I, m1)
Логаритмична скала:
Линейна скала:
Ще се откажем напълно от химическите двигатели. Ядреният двигател NERVA имаше AI от 9000 секунди. Нека преизчислим:
[m2 I] = мрежеста мрежа (10: 50: 1000,9000: 5000: 200000);
m1 = опит (10000 * I. ^ - 1). * m2;
сърф (m2, I, m1)
Линейна скала:
Защо повтарям тези монотонни графики? Факт е, че равнинната зона, обозначена като „причина за оптимизъм“, показва, че когато се появят двигатели с AI над 50 000 m / s, ще стане възможно да се лети повече или по-малко поносимо без кораби с изходна маса от милиони тонове в Слънчевата система. А двигателите с електрическо задвижване, които вече съществуват, имат идентификатор 25000-30000 m / s (например SPD 2300).
Необходимо е обаче да се разбере, че причината за оптимизма е много сдържана. Първо, тези хиляди тонове трябва да бъдат доставени до орбитата на Земята (а това е изключително трудно). На второ място, съществуващите двигатели с електрическо задвижване имат малка тяга и за да се ускори с подходящо ускорение, трябва да се монтират реактори с много мегавати.
Нека да изградим друга интересна графика. Уведомете ни за крайната маса - 1000 тона. Нека да конструираме зависимостта на началната маса от специфичния импулс и крайната скорост:
[VI] = мрежова мрежа (10000: 2000: 100000.50000: 5000: 200000);
m1 = опит (V. * (I. ^ - 1)) * 1000;
сърф (V, I, m1)
Тази графика е интересна с това, че в известен смисъл е поглед към по-далечното бъдеще на човечеството. Ако искаме комфортен и бърз полет през Слънчевата система, тогава ще трябва да отидем с един порядък по-високо в овладяването на специфичния импулс - трябват ни двигатели с идентификатор от няколкостотин хиляди метра в секунда.
Тук няма риба
Човечеството се отличава с хитрост и изобретателност. Затова са измислени много идеи, за да се улесни достъпът до космоса. Един от най-важните параметри, характеризиращи бариерата, която искаме да прескочим, е цената за извеждане на килограм в орбита. Сега, според различни оценки (тази колона е премахната от Wiki, тук, например друг източник) за различни ракети-носители, тази цена е в диапазона от 4000 до 13000 $ за килограм за ниска околоземна орбита. Какво се опитахте да измислите, за да улесните, улесните и по-евтино да стигнете поне до околоземна орбита?
Системи за многократна употреба. В исторически план тази идея вече се провали веднъж в програмата Space Shuttle. Сега Илон Мъск прави това, планирайки да заложи първия етап. Бих искал да му пожелая всеки успех, но въз основа на миналия провал, не мисля, че това ще бъде качествен пробив. В най-добрия случай разходите ще спаднат с няколко процента.
Едноетапен до орбита. Тя не надхвърля проектите, въпреки многократните опити.
Въздушен старт. Има успешен проект за малък полезен товар, но не се мащабира за големи товари.
Безракетно космическо изстрелване. Измислени са много проекти, но всички те имат фатален недостатък - изискват се астрономически инвестиции, които не могат да бъдат „върнати“без пълното завършване на проекта. Докато космическият асансьор, фонтан или масово шофьор не бъде напълно изграден и пуснат, няма печалба от него.
След това сърцето ще се успокои
Как можете да се развеселите след тези тъжни размисли? Имам два аргумента - единият абстрактен и основен, другият по-конкретен.
Първо, напредъкът като цяло не е една S-крива, а много от тях, което формира точно такава оптимистична картина:
В историята на авиацията могат да се разграничат например:
И със сигурност стоим на подобна точка в развитието на космонавтиката. Да, сега има известен застой и дори е възможно връщане назад, но човечеството с главите на своите най-добри представители пробива стената на знанието и някъде, все още не забелязано, пробиват издънките на ново бъдеще.
Вторият аргумент е новината за разработването на ядрен реактор за транспортно-енергийния модул, която протича без много шум:
Последните новини по този проект бяха през лятото - беше сглобен първият TVEL. Работата, макар и без редовна публичност, очевидно продължава и може да се надяваме на появата през следващите години на принципно нов апарат - ядрен влекач с двигател с електрическо задвижване.
P. S
Това са малко объркани мисли, нека ги наречем първата итерация. Бих искал да получа обратна връзка - може би съм пропуснал нещо или неправилно съм определил значението на явлението. Кой знае, може би след обработката на обратната връзка ще получите по-последователна концепция или ще излезете с нещо интересно?
Avor: lozga
