Kuvan luotto: NASA
Kuten kaikki tietävät, kemialliset raketit ovat liian hitaita avaruustutkimusta varten. Ehkä tehokkain ovat hybridijärjestelmät, joissa erilaisia kuljetusvoimia käytetään matkan eri kohdissa. Tässä artikkelissa on erittely NASA: n parhaillaan käyttämistä tekniikoista.
"Äiti, olemmeko siellä vielä?"
Jokainen vanhempi on kuullut tämän itkun auton takaistuimelta. Se alkaa yleensä noin 15 minuuttia minkä tahansa perhematkan alkamisen jälkeen. Hyvä asia, että matkustamme harvoin yli muutama sata tai muutama tuhat mailia kotoa.
Mutta entä jos matkustaisit esimerkiksi Marsiin? Punainen planeetta on aina vähintään 35 miljoonan mailin päässä jopa läheisimmästä lähestymistavastaan maata parin vuoden välein. Kuusi kuukautta siellä ja kuusi kuukautta takaisin - parhaimmillaan.
"Houston, olemmeko siellä vielä?"
"Kemialliset raketit ovat aivan liian hitaita", valittaa Les Johnson, NASA: n Marshall-avaruuslentokeskuksen avaruuskuljetustekniikan johtaja. "He polttavat kaiken ponneaineensa lennon alussa ja sitten avaruusalus vain rannikkoa loput." Vaikka avaruusaluksia voidaan nopeuttaa painovoima-avulla - taivaallisella halkeamisella - piiskaa planeettojen ympärillä, kuten Saturnuksen ympärillä oleva, joka heitti Voyager 1: n aurinkokunnan reunaan - planeettojen välinen edestakainen matka-aika mitataan edelleen vuosina vuosikymmeniin. Ja matka lähimpään tähtiin kestäisi vuosisatoja, ellei vuosituhansia.
Vielä pahempaa, kemialliset raketit ovat aivan liian polttoainetaloudellisia. Ajattele ajamista kaasukuparilla sellaisessa maassa, jossa ei ole huoltoasemia. Sinun olisi kuljetettava veneen lastaus kaasua eikä paljon muuta. Avaruusmatkoissa sitä, mitä voit kuljettaa matkallasi, joka ei ole polttoainetta (tai polttoainesäiliöitä), kutsutaan hyötykuorman massaksi - esimerkiksi ihmiset, anturit, näytteenottajat, viestintävälineet ja ruoka. Aivan kuten kaasumittari on hyödyllinen ansio luku polttoainetaloudellisuudelle, niin "hyötykuorman massaosuus" - operaation hyötykuorman massan suhde sen kokonaismassaan - on käyttökelpoinen käyttövoimajärjestelmien tehokkuuden ansio-luku.
Nykyisissä kemiallisissa raketeissa hyötykuorman massaosuus on pieni. "Jopa käyttämällä minimaalisen energian kulkuväylää kuuden hengen miehistön lähettämiseen maapallosta Marsiin, pelkästään kemiallisilla raketeilla kokonaislämpömassa olisi korkeintaan 1000 tonnia - josta noin 90 prosenttia olisi polttoainetta", Bret G. Drake sanoi. johtaja avaruuksien laukaisun analysoinnille ja integroinnille Johnson Space Centerissä. Pelkkä polttoaine painoi kaksi kertaa niin paljon kuin valmistunut kansainvälinen avaruusasema.
Yksi Mars-retkikunta nykypäivän kemiallisella käyttövoiman tekniikalla vaatisi kymmeniä laukaisuja - joista suurin osa olisi yksinkertaisesti kemiallisen polttoaineen laukaisua. Tuntuu siltä, että 1 tonnin kompakti autosi tarvitsisi 9 tonnia bensiiniä ajaaksesi New Yorkista San Franciscoon, koska se oli keskimäärin vain maili / gallona.
Toisin sanoen heikkotehoiset propulsiojärjestelmät ovat yksi tärkeä syy siihen, miksi ihmiset eivät ole vielä asettaneet jalkaa Marsille.
Tehokkaammat käyttövoimajärjestelmät lisäävät hyötykuormamassaa antamalla paremman ”kaasumittarin” avaruudessa. Koska et tarvitse niin paljon polttoainetta, voit kuljettaa enemmän tavaroita, mennä pienempaan ajoneuvoon ja / tai päästä sinne nopeammin ja halvemmalla. "Keskeinen viesti on: tarvitsemme edistyksellisiä käyttövoimatekniikoita edulliseen matkaan Marsiin", Drake julisti.
Siksi NASA kehittää nyt ionikäyttöjä, aurinkopurjeja ja muita eksoottisia työntötekniikoita, jotka ovat vuosikymmenien ajan hoitaneet ihmisiä muihin planeettoihin ja tähtiin - mutta vain tieteiskirjallisuuden sivuilla.
Kilpikonnasta jäniksen
Mitkä ovat tiede-tosiasiavaihtoehdot?
NASA työskentelee ahkerasti kahdessa peruslähestymistavassa. Ensimmäinen on kehittää radikaalisti uusia raketteja, joiden polttoainetalous on suuruusluokkaa parempi kuin kemiallisella käyttövoimalla. Toinen on kehittää ”ponneaineettomia” järjestelmiä, jotka saavat resursseja runsaasti syvän avaruuden tyhjiössä.
Kaikilla näillä tekniikoilla on yksi keskeinen ominaispiirte: ne alkavat hitaasti, kuten sananlaskun kilpikonna, mutta muuttuvat ajan myötä jäniksiksi, jotka todella voittavat kilpailun Marsiin - tai minne tahansa. He luottavat siihen tosiseikkaan, että pieni jatkuva kiihtyvyys kuukausien aikana voi viime kädessä ajaa avaruusaluksen huomattavasti nopeammin kuin yksi valtava aloituspotku, jota seuraa pitkä ajanjakso rannikolla.
Yllä: Tämä alhaisen työntövoiman avaruusalus (taiteilijan konsepti) ajaa ionimoottorilla ja saa aurinkoenergialla. Lopulta veneet ottavat nopeuden - jatkuvan kiihtyvyyden seurauksena - ja ajavat useita mailia sekunnissa. Kuvaluotto: John Frassanito & Associates, Inc.
Teknisesti ottaen ne ovat kaikki järjestelmät, joilla on alhainen työntövoima (tarkoittaen, että tuskin tunteisit oh-niin-lempeän kiihtyvyyden, joka vastaa kämmenessäsi olevan paperin painoa), mutta pitkät käyttöajat. Kuukausien jatkuvan pienen kiihtyvyyden jälkeen olisit leikkautumassa useita maileja sekunnissa! Sitä vastoin kemialliset käyttövoimajärjestelmät ovat suuren työntövoiman ja lyhyitä käyttöaikoja. Olet murskattu takaisin istuintyynyihin moottorin ampuessa, mutta vain hetkellisesti. Sen jälkeen säiliö on tyhjä.
Polttoainetehokkaat raketit
"Rakettina tarkoitetaan mitä tahansa, joka heittää jotain yli laidan työntääkseen itsensä eteenpäin", Johnson huomautti. (Älä usko tätä määritelmää? Istu rullalaudalle korkeapaineletkulla, joka osoittaa yhteen suuntaan, ja sinut ajataan päinvastaisella tavalla).
Kehittyneen raketin johtavat ehdokkaat ovat variantteja ionimoottoreista. Nykyisissä ionimoottoreissa ponneaine on väritön, mauton, hajuton, inertti kaasu, kuten ksenoni. Kaasu täyttää magneetin rengaskammion, jonka läpi kulkee elektronisuihku. Elektronit lyövät kaasumaisia atomeja, koputtaen ulkoisen elektronin ja kääntämällä neutraalit atomit positiivisesti varautuneiksi ioneiksi. Sähköistetyt ristikot, joissa on paljon reikiä (nykypäivän versioissa 15 000) keskittävät ionit kohti avaruusaluksen pakokaasua. Ionit ammuvat ristikkojen ohi jopa yli 100 000 mailin tunnissa nopeudella (vertaa tätä Indianapolis 500 -kisa-autoon, jonka nopeus on 225 mph) - kiihdyttämällä moottori avaruuteen, tuottaen siten työntövoimaa.
Mistä sähkö tulee kaasun ionisoimiseksi ja moottorin lataamiseksi? Joko aurinkopaneeleista (ns. Aurinkoenergia) tai fissio- tai fuusio (ns. Ydinsähkökäyttö). Aurinkosähkömoottorit olisivat tehokkaimpia robotteihin, jotka kulkevat auringon ja Marsin välillä, ja ydinsähkökäyttöihin robotteihin Marsin ulkopuolella, kun auringonvalo on heikko, tai ihmistoimintaan, jossa nopeus on olennaista.
Ioni ajaa työtä. He ovat todistaneet tarkkailunsa paitsi kokeilla maapallolla, myös työskentelevissä avaruusaluksissa. Tunnetuin niistä on Deep Space 1, pieni teknologian testausoperaatio, joka toimii aurinkoenergian avulla ja joka lensi komeetta Borrellyltä syyskuussa, 2001. Ionikäytöt kuten Deep Space 1: tä ajavat, ovat noin 10 kertaa tehokkaampia kuin kemialliset raketit.
Ponneaineettomat järjestelmät
Pienimmän massan työntövoimajärjestelmät voivat kuitenkin olla sellaiset, joissa ei ole lainkaan aluksella olevaa ponneainetta. Itse asiassa he eivät ole edes raketteja. Sen sijaan, tosi pioneerityylillä, he "elävät maalla" - luottaen energiaan avaruudessa runsaasti oleviin luonnonvaroihin, samoin kuin joran pioneereja luottaa ruokaan eläinten pyydystämiseen ja juurien ja marjojen löytämiseen rajalta.
Kaksi johtavaa ehdokasta ovat aurinko- ja plasmapurjeet. Vaikka vaikutus on samanlainen, toimintamekanismit ovat hyvin erilaisia.
Aurinkopurje koostuu valtavasta alueesta gossameeriä, hyvin heijastavaa materiaalia, joka on paljaana syvässä tilassa valon sieppaamiseksi auringosta (tai mikroaalto- tai lasersäteestä Maasta). Hyvin kunnianhimoisissa tehtävissä purjeet voivat olla alueella jopa useita neliökilometrejä.
Auringon purjeissa hyödynnetään sitä tosiasiaa, että vaikka aurinkofotoneilla ei ole massaa, niillä on vauhti - useita mikronewtoneja (noin kolikon paino) neliömetriä kohti maan etäisyydellä. Tämä lempeä säteilypaine kiihdyttää hitaasti, mutta varmasti purjea ja sen hyötykuormaa poispäin auringosta, saavuttaen nopeuden jopa 150 000 mailia tunnissa tai yli 40 mailia sekunnissa.
Yleinen väärinkäsitys on, että aurinkopurjet pyydystävät auringon tuulen, energisten elektronien ja protonien virran, joka kiehuu pois Auringon ulkoilmasta. Ei niin. Auringon purjeet saavat vauhtinsa itse auringonvalosta. On kuitenkin mahdollista napauttaa auringon tuulen vauhtia ns. ”Plasmapurjeilla”.
Plasmapurjeet on mallinnettu maan omaan magneettikentään. Tehokkaat sähkömagneetit ympäröivät avaruusalusta, jonka magneettikupla on 15 tai 20 kilometriä poikki. Auringon tuulen nopeat ladatut hiukkaset työntäisivät magneettikuplaa, aivan kuten ne tekevät maapallon magneettikentästä. Maa ei liiku, kun sitä työnnetään tällä tavalla - planeettamme on liian massiivinen. Mutta avaruusalusta ajetaan vähitellen pois auringosta. (Lisäbonus: aivan kuten maan magneettikenttä suojaa planeettamme aurinko räjähdyksiltä ja säteilymyrskyiltä, samoin magneettinen plasmapurje suojaa avaruusaluksen matkustajia.)
Yllä: Taiteilijan käsitys avaruusanturista magneettikuplan (tai ”plasmapurjeen”) sisällä. Auringon tuulen ladatut hiukkaset osuvat kuplaan, kohdistavat painetta ja ajavat avaruusaluksen. [lisää]
Tietysti alkuperäinen, kokeiltu ja totta ponneaineeton tekniikka on painovoimaapua. Kun avaruusalus kääntyy planeetan läpi, se voi varastaa osan planeetan kiertoradalta. Tämä tuskin tekee eroa massiivisen planeetan kanssa, mutta se voi vaikuttavasti lisätä avaruusaluksen nopeutta. Esimerkiksi kun Galileo heilahti maan päällä vuonna 1990, avaruusaluksen nopeus kasvoi 11 620 mph; sillä välin Maa hidastui kiertoradallaan vähemmän kuin 5 miljardilla tuumalla vuodessa. Tällaiset painovoimaaput ovat arvokkaita täydentämään mitä tahansa käyttövoimajärjestelmää.
Okei, nyt, kun olet vetoketju planeettojenvälisessä tilassa, kuinka hidastat määränpäässäsi niin paljon, että pääset pysäköintiradalla ja valmistaudut laskeutumiseen? Kemiallisella käyttövoimalla tavanomainen tekniikka on paluuta jälkimatot - jälleen kerran, jolloin tarvitaan suuria massaa polttoainetta aluksella.
Paljon taloudellisempaa vaihtoehtoa lupaa aeropapture - jarruttamalla avaruusalusta kitkalla kohde planeetan omaan ilmapiiriin. Temppu ei tietenkään ole se, että nopeaa planeettavälistä avaruusalusta päästään palamaan. Mutta NASA: n tutkijoiden mielestä asianmukaisesti suunnitellulla lämpösuojuksella olisi mahdollista, että monet operaatiot jäävät kiertoradalle määränpään planeetan ympärille vain yhdellä kulkulla sen ylemmän ilmakehän läpi.
Eteenpäin!
"Yksikään käyttövoiman tekniikka ei tee kaikkea kaikille", Johnson varoitti. Itse asiassa aurinko- ja plasmapurjeet olisivat todennäköisesti hyödyllisiä pääasiassa lastin kuljettamiseksi mieluummin kuin ihmiset maapallosta Marsiin, koska ”näiden tekniikoiden kestää liian kauan noustakseen nopeuteen”, Drake lisäsi.
Siitä huolimatta, useiden tekniikoiden hybridi voi osoittautua todella taloudelliseksi todellakin, kun he saavat miehitetyn matkan Marsiin. Itse asiassa kemiallisen käyttövoiman, ionin käyttövoiman ja ilmakaappauksen yhdistelmä voisi vähentää 6 hengen Mars-operaation käynnistysmassaa alle 450 metriseen tonniin (vaatii vain kuusi laukaisua) - ilman puolta, mikä on saavutettavissa pelkästään kemiallisella käyttövoimalla.
Tällainen hybridi-tehtävä saattaa mennä näin: Kemialliset raketit, kuten yleensä, saattaisivat avaruusaluksen maasta. Kun maapallon kiertoradalla ioni-ohjausmoduulit syttyvät, tai maanohjaimet saattavat sijoittaa aurinko- tai plasmapurjeen. Avaruusalus 6–12 kuukautta - väliaikaisesti miehittämätöntä, jotta miehistö ei altistu altistuneille suurille säteilyannoksille maan Van Allen -säteilyvyöllä - kiertyisi, asteittain kiihtyen lopulliseen korkeaan maapallon lähtörataan. Miehistö laitetaan sitten Mars-ajoneuvoon nopealla taksilla; pieni kemiallinen vaihe asettaisi ajoneuvon ylöspäin nopeuden poistumiseksi, ja se suuntautuisi kohti Marsia.
Maan ja Marsin pyöriessä kummallakin kiertoradallaan kahden planeetan välinen suhteellinen geometria muuttuu jatkuvasti. Vaikka käynnistysmahdollisuudet Marsiin tapahtuvat 26 kuukauden välein, optimaaliset suuntaukset halvimmalle, nopeimmalle mahdolliselle matkalle tapahtuvat 15 vuoden välein - seuraava tapahtuu vuonna 2018.
Ehkä siihen mennessä meillä on erilainen vastaus kysymykseen: "Houston, olemmeko siellä vielä?"
Alkuperäinen lähde: NASA Science Story
