Zaobchádzanie s gravitáciou pri vypustení vesmíru nie je ľahká úloha. Konvenčné rakety sú veľmi drahé, vytvárajú veľa úlomkov av praxi sú veľmi nebezpečné. Našťastie veda nehybne stojí a objavujú sa stále viac alternatívne metódy, ktoré nám sľubujú účinnejšie, lacnejšie a bezpečnejšie spôsoby dobývania vesmíru. Dnes budeme hovoriť o tom, ako bude ľudstvo v budúcnosti lietať do vesmíru.
Predtým, ako začneme, by sa však malo zdôrazniť, že chemické prúdové motory (CRM), ktoré sa teraz používajú ako základ pre všetky vesmírne lode, sú kritickým nástrojom rozvoja vesmírneho sektora, takže ich používanie bude trvať niekoľko desaťročí, kým nebude existovať našla a čo je najdôležitejšie, opakovane testovanú technológiu, ktorá je schopná zabezpečiť bezbolestný prechod na úplne novú úroveň vesmírnych letov a letov.
Ale už teraz, keď náklady na spustenie môžu dosiahnuť niekoľko stoviek miliónov dolárov, je zrejmé, že HRD je slepá ulička. Zoberme si ako príklad najnovší vesmírny systém. Letecký úrad NASA považuje tento systém za základ hlbokého prieskumu vesmíru. Odborníci vypočítali, že náklady na jedno spustenie SLS budú okolo 500 miliónov dolárov. Teraz, keď sa priestor stal nielen záležitosťou štátov, ale aj súkromných spoločností, sa začali ponúkať lacnejšie alternatívy. Napríklad, Falcon Heavy od spoločnosti SpaceX bude stáť približne 83 miliónov dolárov. Ale je to stále veľmi, veľmi drahé. A zatiaľ sa nedotýkame otázky environmentálnej vhodnosti vesmírnych plavidiel založených na CRD, ktoré bezpochyby spôsobujú značné škody na životnom prostredí.
Dobrou správou je, že vedci a inžinieri už navrhujú alternatívne spôsoby a metódy vypustenia kozmického priestoru a niektorí z nich majú potenciál stať sa účinnými technológiami v nasledujúcich desaťročiach. Všetky tieto alternatívy možno zhrnúť do niekoľkých kategórií: alternatívne typy nosných rakiet, stacionárne a dynamické dopravné systémy a ejekčné systémy. Samozrejme nespojujú všetky navrhované myšlienky, ale v tomto článku budeme analyzovať tie najsľubnejšie.
Alternatívne typy štartovacích lietadiel
Prúd laserového lúča
Presmerovanie toku plazmy na zvýšenie ťahu
Propagačné video:
Rakety, ktoré sa dnes používajú, si vyžadujú obrovské množstvo pevných alebo kvapalných palív a ich dosah a účinnosť sú najčastejšie obmedzené tým, koľko z toho paliva môžu niesť. Existuje však možnosť, ktorá tieto obmedzenia v budúcnosti prekoná. Riešením môžu byť špeciálne laserové inštalácie, ktoré vysiela rakety do vesmíru.
Ruskí fyzici Jurij Rezunkov z Inštitútu pre rozvoj optoelektronických prístrojov a Alexander Schmidt z Ioffeho fyzikálno-technického inštitútu nedávno opísali proces „laserovej ablácie“, podľa ktorého by sa úder lietadla generoval laserovým žiarením generovaným laserovým zariadením mimo kozmickej lode. V dôsledku vystavenia tomuto žiareniu bude materiál prijímacieho povrchu spálený a bude vytvorený plazmový tok. Tento tok poskytne potrebný ťah schopný urýchliť kozmickú loď na desiatky krát väčšie rýchlosti, ako je rýchlosť zvuku.
Ak vynecháme všetku fantastickú povahu tejto metódy, pred vytvorením takého systému bude potrebné vyriešiť dva problémy: laser v tomto prípade musí byť neuveriteľne silný. Tak silný, že dokáže doslova odpariť kov na vzdialenosť niekoľkých stoviek kilometrov. Preto je ďalším problémom - tento laser sa dá použiť ako zbraň na zničenie inej kozmickej lode.
Stratosférické nosiče a vesmírne lietadlá
Menej koncepčný a realistickejší sa zdá byť spôsob vypustenia kozmickej lode pomocou špeciálnych výkonných leteckých nákladných traktorov.
Kto povedal, že metóda spoločnosti Virgin Galactic sa dá použiť iba na vesmírny cestovný ruch? Spoločnosť plánuje používať svoje zariadenie LauncherOne ako dopravný systém na vypustenie kompaktných satelitov s hmotnosťou až 100 kilogramov na obežnú dráhu Zeme. Vzhľadom na rýchlosť, s akou sa vesmírne systémy teraz miniaturizujú, je táto myšlienka veľmi zaujímavá.
Ďalšími príkladmi spúšťacích systémov sú kozmická loď XCOR Aerospace Lynx Mark III (na obrázku vyššie) a kozmická loď Orbital Sciences Pegasus II (na obrázku nižšie).
Jednou z výhod vesmírnych nosičov zo vzdušného priestoru je, že rakety nemusia cestovať veľmi hustou atmosférou. V dôsledku toho sa zaťaženie samotného zariadenia zníži. Okrem toho je lietadlo oveľa ľahšie naštartovať. Je menej náchylný na zmeny počasia. Nakoniec funkcia takýchto spúšťačov otvára viac možností, pokiaľ ide o voliteľnú škálu.
Vesmírne lietadlá sú ďalšou možnosťou. Tieto opakovane použiteľné lietadlá budú podobné raketoplánom na dôchodku a Buranovi, ale na rozdiel od nich nebudú vyžadovať použitie veľkých nosných rakiet na vypustenie na obežnú dráhu. Jedným z najsľubnejších a najpokročilejších projektov v tomto smere je britská kozmická loď British Skylon (na obrázku vyššie) - jednostupňové lietadlo na vstup na obežnú dráhu. Tryska kozmickej lode bude generovaná dvoma prúdovými motormi, ktoré ju zrýchlia na rýchlosť 5-krát vyššiu ako rýchlosť zvuku a zdvihnú ju do výšky takmer 30 kilometrov. Je to však iba 20 percent požadovanej rýchlosti a výšky požadovanej pre vesmírnu cestu, takže po dosiahnutí stropu výšky sa kozmická loď prepne do takzvaného „raketového režimu“.
Na ceste k realizácii tohto projektu, žiaľ, ešte stále existuje veľa technologických problémov, ktoré sa ešte musia vyriešiť. Napríklad sa očakáva, že kozmické lietadlá budú čeliť neplánovanej zmene trajektórie stúpania v dôsledku vysokých dynamických tlakov a extrémnych teplôt, ktoré nevyhnutne ovplyvnia najcitlivejšie časti lietadla. Inými slovami, také vesmírne lietadlá môžu byť nebezpečné.
Ďalším príkladom vyvíjaných vesmírnych lietadiel je Dream Chaser, ktorý vyvinula spoločnosť Sierra Nevada Corporation pre leteckú agentúru NASA (obrázok vyššie).
Stacionárne a dynamické dopravné systémy
Ak nelietajú stroje, riešením sú obrovské štruktúry, ktoré sa zdvihnú do neuveriteľných výšok alebo dokonca priamo do vesmíru.
Napríklad vedec a spisovateľ sci-fi Geoffrey Landis navrhol myšlienku vybudovania obrovskej veže, ktorej vrchol by dosiahol hranice zemskej atmosféry. Nachádza sa asi 100 kilometrov nad zemským povrchom a môže sa používať ako štartovacia platforma pre konvenčné rakety. V tejto nadmorskej výške sa rakety nemusia vyrovnať so žiadnym vplyvom zemskej atmosféry.
Ďalšou možnosťou výstavby, ktorá upútala pozornosť mnohých predstaviteľov vedeckých a pseudovedeckých komunít, je vesmírny výťah. Táto myšlienka sa v skutočnosti datuje do 19. storočia. Moderná verzia navrhuje natiahnuť ťažký kábel do výšky 35 400 (čo je mimo umiestnenia väčšiny komunikačných satelitov) kilometrov nad zemským povrchom. Po vykonaní všetkého potrebného vyváženia na kábli sa navrhuje uviesť do prevádzky dopravné vozidlá pracujúce na laserovej trakcii s bremenom.
Ilustrácia vesmírneho výťahu na Marse
Myšlienka vesmírnych výťahov má skutočne potenciál vytvoriť skutočnú revolúciu vo vesmírnej doprave na obežnú dráhu blízku Zemi. Bude však veľmi ťažké preniesť túto myšlienku do skutočného života. Bude to trvať dlho, kým vedci vytvoria materiál, ktorý dokáže uniesť váhu takejto štruktúry. Uvažované možnosti sú teraz uhlíkové nanorúrky alebo skôr štruktúry založené na mikroskopických diamantových vložkách s ultratenkými nanovláknami. Ale aj keď nájdeme spôsob, ako postaviť vesmírny výťah, nevyrieši to všetky problémy. Nebezpečné vibrácie, intenzívne vibrácie, zrážky so satelitmi a vesmírne trosky sú len niektoré z úloh, ktoré bude potrebné riešiť.
Ďalšou navrhovanou alternatívou sú obrovské „orbitálne zotrvačníky“. Zotrvačníky sú rotujúce satelity s dlhými káblami rozbiehajúcimi sa v dvoch rôznych smeroch, ktorých konce sa počas rotácie budú dotýkať atmosféry planéty. V tomto prípade bude rýchlosť rotácie konštrukcie čiastočne alebo úplne kompenzovať orbitálnu rýchlosť.
Portál Orion's Arm vysvetľuje, ako fungujú:
„Na spodnej časti kábla, ktorá sa nachádza blízko planéty veľkosti Zeme, bude v nadmorskej výške 100 - 300 kilometrov nad povrchom dokovacia plošina (zatiaľ čo káble od stredu zotrvačníka budú niekoľko tisíc kilometrov). Táto výška bola zvolená, pretože tu bude minimalizovaný vplyv atmosféry na "zotrvačník" a minimalizované gravitačné straty kotvových člnov. Dokovanie sa uskutoční pri veľmi nízkych rýchlostiach tak samotného zotrvačníka, ako aj dokovacieho člna, zvyčajne na vrchole parabolickej dráhy podorbitalu stanovenej nosným člnom. V tomto prípade bude raketoplán relatívne nehybný vo vzťahu k „zotrvačníku“a môže byť zachytený špeciálnym hákom a potom vytiahnutý k doku alebo k pristávacej plošine. Pre správne umiestnenie na obežnej dráhe budú „zotrvačníky“používať poháňače. “
Pretože zotrvačníky budú umiestnené úplne vo vesmíre a nebudú pripevnené k Zemi, nebudú musieť zažiť rovnaké fyzické napätie ako vesmírny výťah, takže táto myšlienka sa nakoniec môže ukázať ako životaschopnejšia.
Pokiaľ ide o dynamické štruktúry, populárna mechanika popisuje aspoň dve hlavné možnosti:
„Štruktúry ako„ vesmírna fontána “a„ Lofstromova slučka “si zachovajú svoju štrukturálnu integritu vďaka elektrodynamickým efektom alebo impulzom pohybujúcim sa v ich častiach, ako aj nákladu a cestujúcim, ktorí idú na obežnú dráhu. Zdá sa, že rotavátori sú zaujímavejší koncept. Táto myšlienka navrhuje konštrukciu veľkej orbitálnej štruktúry s priväzovacím popruhom rotujúcim v rovine obežnej dráhy tak, aby v bode kruhu najbližšie k Zemi bola rýchlosť konca priväzovacieho prostriedku vzhľadom na stred opačná ako orbitálna rýchlosť. Kábel, prechádzajúci minimom, tak môže vyzdvihnúť požadovaný objekt, ktorý má rýchlosť menšiu ako prvý kozmický, a uvoľniť ho v bode maximálnej vzdialenosti rýchlosťou, ktorá je už väčšia ako prvá kozmická. “
Vyzerá to niečo ako „gif“
Ďalšou alternatívou k vesmírnemu káblu a výťahu je vertikálna nafukovacia veža, ktorá môže dorásť do výšky 20-200 kilometrov. Dizajn, ktorý navrhli Brendan Quinn a jeho kolegovia, bude postavený na vrchole hory a je ideálny pre atmosférický výskum, inštaláciu televízneho a rádiového komunikačného zariadenia, štartovanie kozmických lodí a cestovný ruch. Samotná veža bude vytvorená na základe niekoľkých pneumaticky ovládaných vonkajších posuvných úsekov.
„Výber veže pomôže vyhnúť sa problémom spojeným s vesmírnym výťahom. Je to o pevnosti stavebného materiálu vhodného na prácu vo vesmíre, o ťažkostiach pri výrobe kábla dlhého najmenej 50 000 km a riešení hrozby meteoritu na nízkej obežnej dráhe Zeme, “uviedli vedci, ktorí navrhli návrh veže.
Aby otestovali svoj nápad, postavili 7-metrový model veže so šiestimi modulmi, z ktorých každý bol založený na troch trubkách inštalovaných okolo valcového priestoru naplneného vzduchom.
Zaujímavé je, že podobná technológia sa môže použiť pri konštrukcii „vesmírneho móla“, ktoré navrhol John Storrs Hall. Podľa tohto konceptu sa navrhuje postaviť stavbu dlhú 100 kilometrov a 300 kilometrov. Pri tomto nastavení sa výťah presunie priamo na začiatočný bod. Samotné spustenie užitočného zaťaženia na obežnú dráhu nastane so zrýchlením iba 10 g.
„Táto hybridná možnosť ignoruje nevýhody navrhovaných variantov s okružnou vežou (veľkosť móla je omnoho menšia, preto je ľahšie ju stavať) a ťažkosti, ktorým bude musieť čeliť elektromagnetické spúšťanie (hustota a odpor vzduchu v nadmorskej výške 100 kilometrov je miliónkrát nižšia ako na úrovni more), “hovorí Hall.
Katapultovacie systémy
Ak sa všetky navrhované myšlienky pre priemerného čitateľa môžu zdať úplne sci-fi, potom sú nasledujúce myšlienky oveľa bližšie k realite, ako by sa mohli zdať na prvý pohľad. Ďalšou alternatívou k odpáleniu rakiet sú katapultové systémy, v ktorých bude kozmická loď vypustená do vesmíru ako kanón.
Je celkom zrejmé, že v tomto prípade bude samotné zaťaženie musieť byť navrhnuté na pôsobenie extrémnych síl. Katapultové systémy sa však môžu stať skutočne účinným nástrojom na odoslanie užitočného zaťaženia do vesmíru, kde ho vyzdvihnú kozmické lode, ktoré sa tam nachádzajú.
Katapultové systémy možno rozdeliť do troch hlavných typov: elektrické, chemické a mechanické.
elektrický
Tento typ zahŕňa koľajnice alebo elektromagnetické katapulty, ktoré fungujú na princípe elektromagnetických urýchľovačov. Počas štartu bude kozmická loď umiestnená na špeciálne vodiace koľajnice a prudko zrýchlená pomocou magnetického poľa. V tomto prípade bude sila zrýchlenia postačovať na to, aby sa zariadenie dostalo mimo zemskú atmosféru.
Konštrukčná črta takýchto systémov ich však robí veľmi masívnymi a nákladnými na zostavenie. Okrem toho tieto systémy spotrebujú obrovské množstvo elektriny. Napriek svojej sile budú elektromagnetické katapulty stále musieť čeliť niektorým problémom spojeným s gravitáciou a hustou atmosférou Zeme. Ak sa používajú, je pravdepodobnejšie na planétach s nižšou gravitáciou a vzácnou atmosférou.
chemický
Navrhuje vypustenie predmetov do vesmíru pomocou obrovských pištolí poháňaných horľavým plynom, ako je vodík. Avšak, rovnako ako v prípade každého vyhadzovacieho systému, aj náklad vyslaný do vesmíru bude musieť počas štartu čeliť zvýšenému zaťaženiu. Takéto systémy sa navyše nemôžu použiť na posielanie ľudí do vesmíru. Okrem toho by bolo potrebné použiť ďalšie vybavenie, ktoré by umožňovalo vypustiť náklad, napríklad kompaktné satelity, na trvalú obežnú dráhu. V opačnom prípade sa spustený objekt po získaní maximálnej výšky jednoducho vráti späť na Zem.
Projekt HARP (výskumný projekt vo veľkých nadmorských výškach). Toto delo vystrelilo raketový projektil Martlet-2 do výšky 180 kilometrov. Záznam sa stále uchováva
Logickým vývojom projektu HARP bol projekt SHARP (výskumný projekt v nadmorskej výške). V 90. rokoch minulého storočia vedci z laboratória Lawrence Livermore Lab demonštrovali spustenie projektilov rýchlosťou 3 kilometrov za sekundu (aj keď nie na výšku, ale na zemi). Vedci nakoniec dospeli k záveru, že výstavba skutočnej pracovnej vzorky takejto zbrane si bude vyžadovať najmenej 1 miliardu dolárov. Obraz bol tiež zosilnený skutočnosťou, že vedci nedosiahli plánovanú rýchlosť projektilu 7 kilometrov za sekundu.
Mechanický
Mechanické zbrane môžu slúžiť ako alternatíva k elektromagnetickým a chemickým strelám. Je pravda, že nie je úplne správne nazývať takéto systémové zbrane. Je to skôr prak. Príkladom je projekt Slingatron spoločnosti HyperV Technologies Corp. Samotný systém je vo vnútri špirálovitá dutá štruktúra. Objekt umiestnený vo vnútri špirály sa urýchľuje otáčaním celej štruktúry okolo pevného bodu.
Teoreticky je prak schopný zabezpečiť potrebné zrýchlenie. Ako však samotní vývojári zdôrazňujú, tento systém nie je vhodný na vypúšťanie ľudí a veľkých nákladov na obežnú dráhu. Táto metóda by sa však mohla použiť na zasielanie malých nákladov do vesmíru, ako sú dodávky vody, palivo a stavebné materiály.
Pohľad na prak v plnej veľkosti bude vyzerať asi takto
Aká bude budúcnosť naozaj?
Je mimoriadne ťažké predpovedať, aká bude odpoveď na túto otázku. Neočakávané technologické objavy a účinky, ktoré vyvolávajú, môžu viesť k tomu, že všetky možnosti na spustenie vesmírnych rakiet, o ktorých sa dnes uvažuje, budú na rovnakej úrovni ako účinnosť. Teraz to tak nie je, ako vidno prinajmenšom z porovnávacej tabuľky tu.
Zoberme si príklad technológie molekulárneho zostavenia. Po zvládnutí tejto oblasti už nemusíme nič vypustiť do vesmíru. Jednoducho chytíme asteroidy v slnečnej sústave a vytvoríme z nich (alebo skôr užitočné materiály v nich obsiahnuté) všetko, čo chceme priamo vo vesmíre. Najzaujímavejšie je, že pokrok v tomto smere je už dnes viditeľný. Napríklad astronaut NASA Barry Wilmore raz potreboval kompaktný nastaviteľný kľúč. Zdá sa, aký je problém - ísť do najbližšieho obchodu s nástrojmi? Iba najbližší obchod s nástrojmi v tom čase nebol vedľa Wilmore, pretože astronaut bol na palube Medzinárodnej vesmírnej stanice!NASA sa elegantne dostala zo situácie - poslala e-mailu ISS diagram požadovaného kľúča a ponúkla Wilmoreovi, aby si ju vytlačil sám na 3D tlačiarni na palube. Toto je len jeden príklad, ktorý ukazuje, že v relatívne krátkom čase nebudeme musieť nič uviesť do vesmíru vôbec. Všetko bude vytvorené už na svojom mieste.
Pokiaľ ide o potrebné zdroje, prestane to byť problém. Asteroidový pás je plný potrebného materiálu: jeho objem je takmer polovica hmotnosti nášho Mesiaca. Jedného dňa prídeme k záveru, že celé roj vesmírnych sond podobných Philae jednoducho pristane na ďalšom asteroide alebo meteorite a vytvorí na nich minerálne zdroje. NASA chce uskutočniť prvú takúto misiu v roku 2020. Plánuje sa chytiť malý asteroid, dať ho na stabilnú lunárnu obežnú dráhu a na ňom pristáť astronautov, ktorí môžu študovať vesmírny dláždič a dokonca zbierať zaujímavé vzorky svojej pôdy.
Dostať ľudí do vesmíru je iný problém, najmä ak si uvedomíte, že v budúcnosti existujú plány na hromadné posielanie ľudí do vesmíru. Niektoré z navrhovaných nápadov, ako napríklad vesmírny výťah, by v skutočnosti mohli fungovať. Ale iba ak nehovoríme o dobytí hlbokého vesmíru. Preto sa v tejto veci budeme musieť dlho spoliehať na tradičné štartovanie rakiet. Ich nápady sa už prejavujú na úrovni štátu aj v súkromnej sfére. Zoberte znova toho istého Elon Musk s jeho kolonizačným projektom Mars.
Musíme tiež vziať do úvahy skutočnosť, že ľudské telo nie je skutočne navrhnuté na veľmi dlhý pobyt vo vesmíre. Roboty sa preto môžu stať čiastočným riešením tohto problému, až kým neprídeme k účinným technológiám, ktoré umožňujú vytváranie umelej gravitácie. Roboty môžu byť vysielané do vesmíru a diaľkovo ovládané zo Zeme pomocou rozšírenej alebo virtuálnej reality.
Roboti majú skutočnú šancu stať sa kľúčom k začatiu nášho hlbokého prieskumu vesmíru. Je celkom možné, že v ďalekejšej budúcnosti sa naučíme digitalizovať naše mozgy a prenášať tieto informácie superpočítačom na palubu vzdialených vesmírnych staníc, kde budú načítané do všetkých druhov robotických avatarov, ktorými pripravíme cestu do vzdialených vesmírnych hraníc.
NIKOLAY KHIZHNYAK