V priebehu dvadsiateho storočia písali autori sci-fi veľa a talentovane o výskume vesmíru. Hrdinovia „Chiusa“dali ľudstvu bohatstvo uránu Golconda, pilot Pirx pracoval ako kapitán vesmírnych suchých nákladných lodí, nosných kontajnerových lodí a lodí na prepravu hromadných nákladov prechádzal okolo slnečnej sústavy, a to nehovorím o všetkej mystike cestovania k tajomným monolitom.
21. storočie však nesplnilo očakávania. Ľudstvo placho stojí na chodbe Kozmu a permanentne sa nedostáva mimo obežnú dráhu Zeme. Prečo sa to stalo a v čo dúfať pre tých, ktorí by si chceli prečítať správy o zvýšení úrody marťanských jabloní?
Nie je potrebný žiadny huslista
Prvý paradox, s ktorým sme sa stretli, je, že ľudia nie sú najvhodnejším predmetom na skúmanie vesmíru. Autori sci-fi, ktorí prišli s vesmírnymi výpravami, sa mohli spoliehať iba na historické skúsenosti priekopníkov Zeme - námorníkov, polárnikov, prvých letcov. Ako by sa vlastne líšilo dobytie Marsu od dobytia južného pólu?
A sem-tam je prostredie nevhodné na život bez predbežnej prípravy, musíte mať so sebou zásoby a nemôžete ísť von z lode alebo domov bez nasadenia špeciálneho vybavenia. Autori sci-fi a futuristi však nedokázali predpovedať vývoj elektroniky a robotiky a robotickí výskumníci boli zvyčajne opísaní neoficiálnym spôsobom:
"Musel som pol hodiny odvracať pozornosť od listu a počúvať sťažnosti môjho suseda, kybernetika Šcherbakova." Pravdepodobne viete, že severne od raketometu je vo výstavbe veľké podzemné zariadenie na spracovanie uránu a transuranidu. Ľudia pracujú na šesťzmennú prevádzku. Roboti - nepretržite; úžasné stroje, posledné slovo v praktickej kybernetike. Ako však hovoria Japonci, zo stromu padá aj opica. Teraz za mnou prišiel Ščerbakov, nahnevaný na diabla, a povedal, že banda týchto mechanických tupcov (podľa jeho vlastných slov) dnes v noci ukradla jedno z veľkých rudných skladov a očividne si ho pomýlila s neobvykle bohatým náleziskom. Roboty mali rôzne programy, a tak do rána časť skladu skončila v skladoch raketometu, časť - pri vchode do geologického oddelenia a časť všeobecne nebola známa kde. Hľadanie pokračuje. “
Propagačné video:
Ale žiadny zo slávnych autorov nehádal, že robot pri výskume vesmíru má oproti človeku veľa výhod:
Na rozdiel od človeka robot potrebuje iba výkonovú a tepelnú rovnováhu. Nie je potrebné nosiť so sebou desiatky ton skleníkov, potravín, vody, kyslíka, odevov a hygienických výrobkov, liekov a iných vecí.
Robota je možné poslať jedným smerom, bez návratu.
Robot je schopný pracovať roky. Skúsenosti Voyagerov, marťanských roverov alebo Cassini naznačujú, že teraz je správnejšie hovoriť nie o rokoch, ale o desaťročiach.
Robot je schopný pracovať roky v podmienkach, ktoré sú pre človeka smrteľné. Sonda Galileo dostala dávku 25-krát vyššiu ako smrteľná dávka pre ľudí a potom fungovala na obežnej dráhe 8 rokov.
Vo výsledku sa ukázalo, že iba niekoľko ton vážiace roboty zapadajú do technických možností ľudstva, aby ich za rozumné peniaze poslali na iné planéty, a stali sa jediným spôsobom, ako uspokojiť vedeckú zvedavosť a získať nádherné fotografie.
Žijeme v logistickej krivke
Druhou chybou autorov sci-fi bolo, že predpovedali lineárny alebo dokonca exponenciálny vývoj astronautiky. Aj keď už v roku 1838 bol objavený taký jav, ako je logistická krivka. Čo je toto hrozné zviera? Ako príklad si vezmite históriu letectva:
20. roky 20. storočia. Prvé trápne knižnice, prvé záznamy - lety na niekoľko kilometrov s jedným cestujúcim.
1910. Prví skauti, stíhačky, bombardéry, poštové a osobné lietadlá.
20. - 30. roky 20. storočia. Zvládnutie letov v noci, prvé medzikontinentálne lety.
40. roky 20. storočia. Letectvo je vážnou vojenskou a dopravnou silou.
50. roky 20. storočia. Prúdové motory dávajú rozvoju letectva nový impulz - nové rýchlosti, rozsahy a výšky, ešte viac cestujúcich.
60. - 70. roky. Prvé nadzvukové osobné lietadlo so širokým trupom, letectvo, je cenovo dostupnejšie.
80. - 90. roky. Brzdenie. Vývoj je čoraz drahší, vývojové firmy sa združujú do gigantických spoločností. A lietadlá sú si navzájom čoraz viac podobné.
2000-te roky. Obmedziť. Dvaja giganti, Boeing a Airbus, vyrábajú navonok identické stroje a nadzvukové osobné lietadlá úplne zomreli.
Ak tieto úspechy preložíte do čísel, získate nasledujúci obrázok:
V astronautike je situácia úplne rovnaká:
Pre prehľadnosť je možné graf S-krivky prekrývať grafom nákladov, aby sa dosiahla táto úroveň:
A smútok z nášho „dnešného dňa“je, že v astronautike s existujúcimi technológiami sme blízko úrovne nasýtenia. Technicky sa dá letieť v ľudskej verzii na Mesiac a dokonca aj na Mars, ale nejako je to škoda peňazí.
Dajte KC - získate gravitáciu
Ďalším smutným aspektom, ktorý spomaľuje pomlčku do vesmíru, je to, že ešte nebolo objavené niečo veľmi cenné, za čo sa oplatí míňať peniaze na prieskum vesmíru mimo obežnú dráhu Zeme. Upozorňujeme, že na obežnej dráhe Zeme je veľa komerčných satelitov - komunikačné, televízne a internetové, meteorologické, kartografické. A všetky majú hmatateľné peňažné výhody. A na čo slúži misia s posádkou na Mesiac? Tu je oficiálny zoznam výsledkov amerického lunárneho programu v hodnote približne 170 miliárd dolárov (v cenách roku 2005):
Mesiac nie je primárnym objektom, je to suchozemská planéta, ktorá sa svojim vývojom a vnútornou štruktúrou podobá Zemi.
Mesiac je starodávny a uchováva históriu prvej miliardy rokov vývoja pozemských planét.
Najmladšie mesačné skaly sú približne v rovnakom veku ako najstaršie pozemské skaly. Stopy po najskorších procesoch a udalostiach, ktoré mohli mať vplyv na Mesiac a Zem, sa dajú nájsť teraz iba na Mesiaci.
Mesiac a Zem sú geneticky spojené a sú tvorené z rôznych pomerov spoločnej sady materiálov.
Mesiac je bez života a neobsahuje žiadne živé organizmy ani miestne organické látky.
Mesačné horniny pochádzajú z vysokoteplotných procesov bez účasti vody. Rozdeľujú sa na tri typy: čadiče, anortosity a brekcie.
Dávno bol Mesiac roztavený do veľkej hĺbky a tvoril oceán magmy. V mesačných horách sú pozostatky skorých hornín s nízkou hustotou, ktoré sa vznášali na povrchu tohto oceánu.
Oceán magmy bol tvorený sériou obrovských dopadov asteroidov, ktoré vytvorili bazény naplnené lávovými prúdmi.
Mesiac je trochu asymetrický, pravdepodobne kvôli vplyvu Zeme.
Povrch mesiaca je pokrytý kamennými kusmi a prachom. Toto sa nazýva lunárny regolit a obsahuje jedinečnú radiačnú históriu Slnka, ktorá je dôležitá pre pochopenie zmeny podnebia na Zemi.
To všetko je veľmi zaujímavé (bez vtipov), ale všetky tieto vedomosti majú nenapraviteľnú nevýhodu - nemôžete si ich natrieť na chlieb, naliať do plynovej nádrže alebo z nich postaviť dom. Ak by bolo v rozľahlosti vesmíru objavené určité „elérium“, „tiberium“alebo iný shishdostanium, ktoré by sa dalo použiť ako:
Nákladovo efektívny zdroj energie.
Neoddeliteľnou súčasťou výroby niečoho hodnotného a užitočného.
Potraviny / lieky / vitamíny zásadne novej kvality.
Luxusný predmet alebo zdroj potešenia.
Keby tiež rástol iba na Marse alebo v páse asteroidov (a nebol by sa rozmnožovať na Zemi) a mohol by ho ťažiť iba človek (aby prefíkané ľudstvo neposielalo lacnejších a nenáročnejších robotov), potom by išlo o vesmírny prieskum s posádkou, ktorý by dostal neoceniteľný stimul. A keď nebude, v pesimistickom scenári v 20. rokoch 20. storočia môže ľudstvo stratiť stálu prítomnosť aj na obežnej dráhe blízko Zeme - na pozadí politikov rozbitých nádob na medzinárodnú spoluprácu sa môžu daňoví poplatníci pýtať: „Prečo potrebujeme po stanici ISS novú stanicu?“
Prekliatie Tsiolkovského vzorca
Nemesis kozmonautiky je tu:
Tu:
V je konečná rýchlosť rakety.
I - špecifický impulz motora (koľko sekúnd dokáže motor na 1 kilogram paliva vyvinúť ťah 1 Newton)
M1 je počiatočná hmotnosť rakety.
M2 je konečná hmotnosť rakety.
V pre prípad plných nádrží bude charakteristické rýchlostné rozpätie, t. J. Rýchlostné rozpätie, pomocou ktorého môžeme v prípade potreby zrýchliť / spomaliť. Toto sa tiež nazýva hranica delta-V (delta znamená zmenu, t. J. Je to hranica zmeny rýchlosti).
Aký je tu problém? Urobme si mapu požadovaných zmien rýchlosti pre slnečnú sústavu:
Poďme si teraz predstaviť, že chceme letieť na Mars a späť. Bude to predstavovať:
9400 m / s - štart zo Zeme.
3210 m / s - opustenie obežnej dráhy Zeme.
1060 m / s - zachytenie Marsu.
0 m / s - vstup na nízku obežnú dráhu Marsu (biely trojuholník znamená možnosť brzdenia proti atmosfére).
0 m / s - pristátie na Marse (spomalíme na atmosféru).
3 800 m / s - štart z Marsu.
1440 m / s - zrýchlenie z obežnej dráhy Marsu.
1060 m / s - zachytenie Zeme.
0 m / s - vstup na nízku obežnú dráhu Zeme (spomalíme proti atmosfére).
0 m / s - pristátie na Zemi (spomalíme na atmosféru).
Výsledkom je krásna postava 19970 m / s, ktorú zaokrúhľujeme až na 20 000 m / s. Nech je naša raketa ideálna a objem paliva nijako neovplyvňuje jej hmotnosť (nádrže, potrubia nič nevážia). Pokúsme sa vypočítať závislosť počiatočnej hmotnosti rakety od konečnej hmotnosti a špecifického impulzu. Transformáciou Tsiolkovského vzorca dostaneme:
M1 = eV / I * M2
Využime bezplatný matematický balík Scilab. Vezmeme konečnú hmotnosť v rozmedzí 10 - 1 000 ton, špecifický impulz sa bude pohybovať od 2 000 m / s (chemické motory na hydrazín) do 200 000 m / s (teoretický odhad maximálneho impulzu elektrického pohonu pre dnešok). Hneď musím povedať, že pre maximálnu hmotnosť a minimálny impulz bude veľmi veľká hodnota (22 miliónov ton), takže mierka zobrazenia bude logaritmická.
[m2 I] = mriežka (10: 50: 1000,2000: 5000: 200000);
m1 = guľatina (exp (20000 * I. ^ - 1). * m2);
surfovať (m2, I, m1)
Tento nádherný graf je v skutočnosti vizuálnym verdiktom pre chemické motory. To nie je novinka - na chemických motoroch, ako ukazuje prax dokonale, môžete bežne vypustiť malé sondy, ale aj let s posádkou na Mesiac je už trochu ťažký.
Uľahčme naše podmienky. Po prvé, predpokladajme, že vychádzame z obežnej dráhy Zeme a namiesto 20 km / s ich potrebujeme 10. Po druhé, odrezali sme „chvost“neefektívnych chemických motorov a nastavili sme minimálnu hodnotu I na 4 400 m / s (AI vodíkového motora Space Shuttle) RS-25):
[m2 I] = mriežka (10: 50: 1000,4400: 5000: 200000);
m1 = guľatina (exp (10 000 * I. ^ - 1). * m2);
surfovať (m2, I, m1)
Logaritmická mierka:
Lineárna stupnica:
Úplne sa vzdáme chemických motorov. Jadrový motor NERVA mal AI 9000 sekúnd. Prepočítajme:
[m2 I] = mriežka (10: 50: 1000,9000: 5000: 200000);
m1 = exp (10 000 * I. ^ - 1). * m2;
surfovať (m2, I, m1)
Lineárna stupnica:
Prečo opakujem tieto monotónne grafy? Faktom je, že rovná plocha označená ako „dôvod optimizmu“ukazuje, že keď sa objavia motory s AI vyššou ako 50 000 m / s, bude možné lietať viac či menej tolerantne bez lodí so štartovacou hmotnosťou miliónov ton v slnečnej sústave. A elektrické pohonné motory, ktoré už existujú, majú ID 25000 - 30000 m / s (napríklad SPD 2300).
Je však potrebné pochopiť, že dôvod na optimizmus je veľmi zdržanlivý. Najskôr sa tieto tisíce ton musia dopraviť na obežnú dráhu Zeme (a je to mimoriadne ťažké). Po druhé, existujúce EJE majú malý ťah a na urýchlenie vhodným zrýchlením musia byť nainštalované multi-megawattové reaktory.
Vytvorme ďalší zaujímavý graf. Dajte nám vedieť konečnú hmotnosť - 1 000 ton. Zostrojme závislosť počiatočnej hmotnosti od konkrétneho impulzu a konečnej rýchlosti:
[VI] = meshgrid (10 000: 2 000: 100 000 500 000: 5 000 200 000);
ml = exp (V. * (I. ^ - 1)) * 1000;
surfovať (V, I, m1)
Tento graf je zaujímavý tým, že ide v určitom zmysle o pohľad do vzdialenejšej budúcnosti ľudstva. Ak chceme pohodlný a rýchly let cez slnečnú sústavu, potom budeme musieť v ovládaní konkrétneho impulzu ísť o jeden rád vyššie - potrebujeme motory s AI niekoľko stotisíc metrov za sekundu.
Nie sú tu žiadne ryby
Ľudstvo sa vyznačuje prefíkanosťou a vynaliezavosťou. Preto bolo vynájdených veľa nápadov s cieľom uľahčiť prístup do vesmíru. Jedným z najdôležitejších parametrov charakterizujúcich bariéru, ktorú chceme preskočiť, sú náklady na uvedenie kilogramu na obežnú dráhu. Teraz sa podľa rôznych odhadov (tento stĺpec bol odstránený z Wiki, tu napríklad ďalší zdroj) pre rôzne nosné rakety pohybuje táto cena v rozmedzí 4000 - 13000 dolárov za kilogram pri nízkej obežnej dráhe Zeme. Čo ste sa pokúsili vymyslieť, aby ste uľahčili, uľahčili a lacili cestu aspoň na obežnú dráhu Zeme?
Opakovane použiteľné systémy. Historicky táto myšlienka už raz zlyhala v programe Space Shuttle. Teraz to robí Elon Musk, ktorý plánuje zasadiť prvú etapu. Chcel by som mu popriať veľa úspechov, ale na základe minulého neúspechu si nemyslím, že to bude kvalitatívny prielom. V lepšom prípade náklady klesnú o niekoľko percent.
Jedna etapa na obežnú dráhu. Neprekročila rámec projektov, a to aj napriek opakovaným pokusom.
Štart vzduchu. Existuje úspešný projekt pre malé užitočné zaťaženie, ale pre ťažké bremená sa nelíši.
Raketový štart vesmíru. Vynašlo sa veľa projektov, ale všetky majú fatálnu chybu - sú potrebné astronomické investície, ktoré sa nedajú „znovu získať“bez úplného dokončenia projektu. Kým nebude vesmírny výťah, fontána alebo hromadný pohon úplne postavený a spustený na trh, nie je z toho žiadny zisk.
Potom sa srdce upokojí
Ako môžete po týchto smutných úvahách rozveseliť? Mám dva argumenty - jeden abstraktný a zásadný, druhý konkrétnejší.
Po prvé, pokrok ako celok nie je jedna krivka S, ale veľa z nich, čo vytvára len taký optimistický obraz:
V histórii letectva možno rozlíšiť napríklad:
A pre istotu sme vy a ja v podobnom bode vývoja astronautiky. Áno, teraz nastáva určitá stagnácia a dokonca je možný návrat späť, ale ľudstvo s hlavami svojich najlepších predstaviteľov prelomí múr poznania a niekde, zatiaľ si to nevšimlo, prerážajú výhonky novej budúcnosti.
Druhým argumentom sú správy o vývoji jadrového reaktora pre dopravný a energetický modul, ktoré však bez väčších problémov vzniknú:
Posledné správy o tomto projekte boli v lete - bol zostavený prvý TVEL. Práce, aj keď bez pravidelnej publicity, zjavne pokračujú a možno dúfať, že sa v nasledujúcich rokoch objaví zásadne nový prístroj - jadrový remorkér s elektrickým pohonom.
P. S
Sú to do istej miery neudržiavané myšlienky, nazvime ich prvou iteráciou. Chcel by som dostať spätnú väzbu - možno mi niečo chýbalo alebo som nesprávne definoval význam javu. Ktovie, možno po spracovaní spätnej väzby získate ucelenejší koncept alebo vymyslíte niečo zaujímavé?
Avor: lozga