Az űrhajók gravitációjának kezelése nem könnyű feladat. A hagyományos rakéták nagyon drágák, sok törmeléket generálnak, és a gyakorlatban nagyon veszélyesek. Szerencsére a tudomány nem áll meg, és egyre több alternatív módszer jelenik meg, amelyek hatékonyabb, olcsóbb és biztonságosabb módszereket ígérnek nekünk a világűr meghódítására. Ma arról fogunk beszélni, hogy az emberiség hogyan repül majd az űrbe a jövőben.
Mielőtt elkezdenénk, rámutatnunk kell arra, hogy a kémiai sugárhajtású motorok (CRM), amelyeket most minden űrindítás alapjául használnak, kritikus eszköz az űrágazat fejlesztése szempontjából, így felhasználásuk évtizedekig folytatódni fog, amíg nincs. talált és, ami a legfontosabb, ismételten tesztelte a technológiát, amely fájdalommentes átmenetet biztosít az űrindítások és repülések alapvetően új szintjére.
De már most, amikor az indítások költsége több száz millió dollárt is elérhet, világossá válik, hogy a HRD zsákutca. Példaként vegye figyelembe a legújabb Űrindító rendszert. A NASA repülőgép-ügynöksége ezt a rendszert veszi alapul a mély űrkutatásban. A szakértők kiszámították, hogy az SLS egy indításának költsége körülbelül 500 millió dollár lesz. Most, hogy a világűr nemcsak államok, hanem magánvállalatok kérdése is lett, olcsóbb alternatívákat kínáltak kínálni. Például az SpaceX Falcon Heavy körülbelül 83 millió dollárba kerül az indítással. De még mindig nagyon, nagyon drága. És még nem érinti a CRD alapján az űrhajók környezetbarát kérdését, amelyek kétségkívül jelentős károkat okoznak a környezetnek.
A jó hír az, hogy a tudósok és a mérnökök már javasolnak az űrindítás alternatív módjait és módszereit, és ezek közül néhánynak lehetősége nyílik hatékony technológiává válni a következő évtizedekben. Mindezeket az alternatívákat több kategóriába lehet foglalni: alternatív típusú sugárhajtóművek, helyhez kötött és dinamikus szállítórendszerek, valamint kidobó rendszerek. Természetesen nem egyesítik a javasolt ötleteket, de ebben a cikkben a legígéretesebb ötleteket elemezzük.
Alternatív típusú sugárhajtóművek
Lézeres sugárhajtómű
A plazmaáram átirányítása a tolóerő növelése érdekében
Promóciós videó:
A manapság használt rakéták hatalmas mennyiségű szilárd vagy folyékony hajtóanyagot igényelnek, és a hatótávolságukat és hatékonyságukat leggyakrabban az a tüzelőanyag-mennyiség képes korlátozni. Van azonban olyan lehetőség, amely a jövőben le fogja küzdeni ezeket a korlátozásokat. A megoldás lehet speciális lézerberendezés, amely rakétákat küld az űrbe.
Az orosz fizikusok, Jurij Rezunkov, az Optoelektronikai Műszerek Fejlesztési Intézetének és Alexander Schmidt, az Ioffe Fizikai-Technikai Intézetben nemrégiben írták le a "lézer-abláció" folyamatát, amely szerint a repülőgép tolóerejét az űrhajón kívüli lézerkészülék által generált lézersugárzás segítségével állítják elő. Ennek a sugárzásnak való kitettség eredményeként a fogadó felület anyaga elégetésre kerül és plazmaáram alakul ki. Ez az áramlás biztosítja a szükséges tolóerőt, amely képes az űrhajót a hangsebességnél több tízszeres sebességre gyorsítani.
Ha elhagyjuk ennek a módszernek a fantasztikus jellegét, akkor egy ilyen rendszer létrehozása előtt két problémát kell megoldanunk: ebben az esetben a lézernek hihetetlenül nagy teljesítményűnek kell lennie. Olyan erős, hogy szó szerint elpárologtathatja a fém több száz kilométer távolságán. Ezért egy másik probléma - ez a lézer fegyverként használható más űrhajók megsemmisítésére.
Stratoszférikus rakéták és űrrepülők
Kevésbé fogalmi és valósághűbbnek tűnik az űrhajó elindításának módja speciális, nagy teljesítményű teherhordó légi traktorok segítségével.
Ki mondta, hogy a Virgin Galactic módszerét csak az űrturizmusra lehet használni? A társaság azt tervezi, hogy LauncherOne eszközét szállítási rendszerként fogja használni, hogy akár 100 kilogramm súlyú kompakt műholdakat elindítson a Föld körüli pályára. Figyelembe véve az űrrendszerek miniatürizálásának sebességét, az ötlet nagyon érdekes.
Az indítórendszer további példái az XCOR Aerospace Lynx Mark III űrhajó (a fenti képen) és az Orbital Sciences Pegasus II űrhajó (az alábbiakban látható).
A légtérből történő űrindítások egyik előnye, hogy a rakétáknak nem kell nagyon sűrű légkörben haladniuk. Ennek eredményeként maga az eszköz terhelése csökken. Ezen felül a repülőgépet sokkal könnyebben lehet elindítani. Kevésbé érzékeny a légköri időjárási változásokra. Végül az ilyen indítások jellemzője több lehetőséget nyit meg a választható skála szempontjából.
Az űrsíkok egy másik lehetőség. Ezek az újrafelhasználható repülőgépek hasonlóak lesznek a visszavonult shuttle-hez és a Buran-hoz, de az utóbbitól eltérően, a pályára történő feljutáshoz nem kell hatalmas hordozórakétákat használni. Az egyik legígéretesebb és legfejlettebb projekt ebben a tekintetben a brit Skylon brit űrrepülő (a fenti képen) - egylépcsős repülőgép a pályára lépésre. Az űrhajó sugárhajtóműjét két léghajtómotor generálja, amelyek felgyorsítják azt a hangsebesség ötszörösét meghaladó sebességre, és majdnem 30 kilométer magasságra emelik. Ez azonban csak egy űrjáróhoz szükséges sebesség és magasság 20% -a, tehát az űrrepülés a mennyezet elérése után az úgynevezett "rakéta üzemmódra" vált.
Sajnos ennek a projektnek a megvalósításához még mindig sok technológiai nehézség van, amelyeket még meg kell oldani. Például a spaceplenseknek várhatóan nem tervezett változással kell szembenézniük emelkedési pályájukban a magas dinamikus nyomás és a szélsőséges hőmérsékletek miatt, amelyek elkerülhetetlenül érintik a repülőgép legérzékenyebb részeit. Más szavakkal, az ilyen spaceplanes veszélyes lehet.
A fejlesztés alatt álló spaceplanok másik példája a Dream Chaser, amelyet a Sierra Nevada Corporation fejlesztett ki a NASA légiközlekedési ügynöksége számára (fent látható).
Helyhez kötött és dinamikus szállítórendszerek
Ha nem repülő gépek, akkor a hatalmas struktúrák, amelyek hihetetlen magasságra emelkednek, vagy akár egyenesen az űrbe vezetnek, a megoldás.
Például Geoffrey Landis tudós és tudományos fantasztikus író egy óriási torony építését javasolta, amelynek teteje eléri a föld légkörének határait. Körülbelül 100 kilométerre a Föld felszíne felett található, és a hagyományos rakéták indítóplatójának is felhasználható. Ebben a magasságban a rakétáknak gyakorlatilag nem kell foglalkozniuk a Föld légkörének semmilyen hatásával.
Egy másik építési lehetőség, amely a tudományos és áltudományos közösségek sok képviselőjének felhívta a figyelmet, az űrlift. Valójában ez az ötlet a 19. században nyúlik vissza. A modern változat azt javasolja, hogy egy nagy teherbírású kábelt a Föld felszíne felett 35 400 kilométer tengerszint feletti magasságra (amely a legtöbb kommunikációs műholdak helyét meghaladja). Miután elvégezte a kábelen az összes szükséges kiegyensúlyozást, javasoljuk, hogy indítsák el a lézeres vontatású tehergépjárműveket.
Illusztráció egy űrlift a Marson
Az űrliftek ötlete valóban valódi forradalmat hozhat a földközeli pályára történő űrutazásban. De nagyon nehéz lesz ezt az ötletet a valós életben lefordítani. Sokáig tart, amíg a tudósok olyan anyagot készítenek, amely képes támogatni egy ilyen szerkezet súlyát. A megfontolás tárgyát képező lehetőségek ma már szén nanocsövek, vagy inkább mikroszkópos gyémánt átlapolásokon alapuló struktúrák ultravékony nanoszálakkal. De még ha megtalálunk is módot egy űrlift felépítésére, ez nem oldja meg az összes problémát. A veszélyes rezgések, az intenzív rezgések, a műholdakkal való ütközés és az űrhajók csak néhány a feladatokkal, amelyeket meg kell oldani.
Egy másik javasolt alternatíva az óriás "orbitális lendkerék". A lendkerekek forgó műholdak, hosszú kábelekkel, amelyek két különböző irányba haladnak, és amelyek végei forgás közben érintkeznek a bolygó légkörével. Ebben az esetben a szerkezet forgási sebessége részben vagy teljesen kompenzálja a pálya sebességét.
Az Orion's Arm portál ismerteti, hogyan működnek:
„A kábel alsó részén, amely a Föld méretű bolygó közelében helyezkedik el, egy dokkolóplató lesz egy 100–300 kilométer tengerszint feletti magasságban (míg a kábelek hossza a lendkerék közepétől több ezer kilométer lesz). Ezt a magasságot azért választották, mert itt minimalizálódik a légkörnek a „lendkerékre” gyakorolt hatása, és a dokkoló lengéscsillapítók gravitációs vesztesége is. A dokkolás mind a lendkerék, mind a dokkoló shuttle nagyon alacsony sebességgel történik, általában a kiindulási jármű által beállított parabolikus suborbital trajektúra csúcsán. Ebben az esetben a shuttle viszonylag mozdulatlanul mozog a "lendkerékhez képest", és speciális kampóval befogható, majd a dokkoló reteszhez vagy a leszálló platformhoz húzható. A pályára történő helyes elhelyezéshez a "lendkerekek" tolóerőket fognak használni."
Mivel a lendkerekek teljes egészében az űrben fognak elhelyezkedni, nem a földhöz rögzítve, akkor nem kell ugyanannak a fizikai stresszt élniük, mint a világűrnek, tehát ez az ötlet végül életképesnek bizonyulhat.
A dinamikus struktúrákról a Popular Mechanics legalább két fő lehetőséget ír le:
„Az olyan szerkezetek, mint például a„ űrkút”és a„ Lofstrom hurok”megtartják szerkezeti integritását az elektrodinamikai hatások vagy a bennük mozgó alkatrészek impulzusai, valamint a pályára menő rakomány és az utasok miatt. Úgy tűnik, hogy a forgógépek egy érdekesebb koncepció. Ez az ötlet egy nagy pálya szerkezetének felépítését javasolja úgy, hogy a heveder a pálya síkjában forog, úgy, hogy a Földhez legközelebbi kör pontján a heveder végének a közepéhez viszonyított sebessége ellentétes az orbitális sebességgel. Így a kábel, áthaladva a minimumon, felveheti a kívánt objektumot, amelynek sebessége alacsonyabb, mint az első kozmikus, és a maximális távolság pontján engedje szabadon, olyan sebességgel, amely már nagyobb, mint az első kozmikus.
Úgy fog kinézni, mint a "gif"
Az űrkábel és a felvonó másik alternatívája egy függőleges felfújható torony, amely 20-200 kilométer magasra képes növekedni. A Brendan Quinn és kollégái által javasolt formatervezés a hegy tetején fog felállni, és tökéletes lesz légköri kutatásokhoz, televíziós és rádiós kommunikációs berendezések telepítéséhez, űrhajók indításához és a turizmushoz. Maga a torony több, kívülről vezérelt pneumatikus csúszó szakasz alapján készül.
„A torony kiválasztása segít elkerülni az űrlifttel kapcsolatos problémákat. Arról szól, hogy az űrben végzett munkához megfelelő építőanyag mennyire erős, a legalább 50 000 kilométer hosszú kábel előállítása nehézséget okoz, és az alacsony földi pályán meteorit fenyegetéssel foglalkozik”- mondta a torony kialakítását javasló kutatók.
Ötleteik kipróbálására elkészítették a torony 7 méteres modelljét, hat modullal, amelyek mindegyike három, a levegővel töltött hengeres rekesz körül elhelyezett csőre épült.
Érdekes, hogy hasonló technológiát lehet használni a John Storrs Hall által javasolt "űrpálya" építéséhez. E koncepció szerint 100 kilométer magas és 300 kilométer hosszú szerkezetet javasolnak. Ezzel a beállítással a felvonó közvetlenül elindul a indítási ponthoz. A hasznos teher pályára történő elindítása csak 10 g gyorsulással történik.
„Ez a hibrid lehetőség figyelmen kívül hagyja az orbitális toronyval javasolt lehetőségek hátrányait (a móló mérete sokkal kisebb, ezért könnyebb felépíteni), valamint az elektromágneses indítással szembenézendő nehézségekre (100 kilométeres tengerszint feletti magasságban a levegő sűrűsége és ellenállása milliószor kevesebb, mint a szintnél) tenger)”- mondja Hall.
Katapult rendszerek
Ha az átlagos olvasó számára javasolt ötletek teljesen tudományos fantasztikusnak tűnhetnek, akkor a következők sokkal közelebb állnak a valósághoz, mint az első pillantásra tűnhetnének. A rakétaindítás másik alternatívája a katapult-rendszerek, amelyekben az űrhajókat ágyúként dobják be az űrbe.
Teljesen nyilvánvaló, hogy ebben az esetben magát a terhelést a szélsőséges erők hatására kell megtervezni. A katapult-rendszerek azonban valóban hatékony eszközzé válhatnak a hasznos rakomány űrbe történő továbbításához, ahol azt az ott található űrhajók veszik fel.
A katapult rendszereket három fő típusra lehet osztani: elektromos, kémiai és mechanikus.
Elektromos
Ez a típus magában foglalja a sínpisztolyokat vagy az elektromágneses katapultokat, amelyek az elektromágneses gyorsítók elvén működnek. Az indulás során az űrhajót speciális vezető sínekre helyezik, és mágneses mező segítségével élesen felgyorsítják. Ebben az esetben a gyorsulási erő elegendő ahhoz, hogy az eszközt kijuttassa a föld légköréből.
Az ilyen rendszerek tervezési tulajdonságai miatt azonban nagyon hatalmasak és költségesek lesznek azok felépítése. Ezen túlmenően az ilyen rendszerek hatalmas mennyiségű villamos energiát fogyasztanak. Teljesítményük ellenére az elektromágneses katapultoknak továbbra is szembe kell nézniük a gravitációval és a Föld sűrű légkörével kapcsolatos problémákkal. Ha ezeket használják, akkor ez valószínűbb az alacsonyabb gravitációs és ritka légkörű bolygókon.
Kémiai
Javasolja tárgyak űrbe juttatását hatalmas fegyverekkel, amelyeket éghető gáz, például hidrogén táplál meg. Ugyanakkor, mint bármely más kidobó rendszer esetén, az űrbe küldött rakománynak megnövekedett terhelést kell élveznie az indítás során. Ezen túlmenően az ilyen rendszerek nem használhatók az emberek űrbe juttatására. Ezenkívül további felszereléseket kellene használni, amelyek lehetővé teszik a rakomány, például a kompakt műholdak folyamatos pályára indítását. Ellenkező esetben az elindított tárgy, miután megszerezte a maximális magasságot, egyszerűen visszaesik a Földre.
HARP projekt (nagy magassági kutatási projekt). Ez az ágyú 180 kilométer magasságra lőtt egy Martlet-2 rakéta lövedéket. A nyilvántartást továbbra is megőrzik
A HARP projekt logikai fejlesztése a SHARP projekt (Super High Altitude Research Project) volt. A múlt század 90-es éveiben a Lawrence Livermore Lab kutatói demonstrálták a lövedékek másodpercenkénti 3 kilométer sebességű elindítását (bár nem magasságban, de a földön). Végül a tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy egy ilyen fegyver valódi működő mintájának elkészítéséhez legalább 1 milliárd dollárra lenne szükség. A képet megvastagította az a tény, hogy a tudósok nem tudták elérni a tervezett 7 kilométer / másodperces lövedéksebességet.
Mechanikai
A mechanikus fegyverek alternatívaként szolgálhatnak az elektromágneses és kémiai fegyverekhez. Igaz, nem teljesen helyes ilyen rendszerek fegyvereinek hívni. Inkább egyfajta csúzli. Példa erre a HyperV Technologies Corp. Slingatron projektje. Maga a rendszer egy spirál üreges szerkezet belül van. A spirálba helyezett tárgyat felgyorsítják, ha a teljes szerkezetet egy rögzített pont körül forgatják.
Elméletileg a slingatron képes biztosítani a szükséges gyorsulást. Ugyanakkor, amint maguk a fejlesztők rámutatnak, a rendszer nem alkalmas emberek és nagy rakományok pályára indítására. De ezt a módszert lehet használni kis rakományok, például vízellátás, üzemanyag és építőanyagok - az űrbe - az űrbe juttatására.
A slingatron teljes méretű nézete így néz ki
Milyen lesz a jövő valójában?
Rendkívül nehéz megjósolni, hogy mi lesz a válasz erre a kérdésre. A váratlan technológiai felfedezések és az általuk kifejtett hatások ahhoz vezethetnek, hogy a rakéta nélküli űrhajók manapság megvizsgált összes lehetősége a hatékonysággal egyenértékűvé válik. Most nem erről van szó, amint az legalább az itt található összehasonlító táblázatból kitűnik.
Példaként vegye figyelembe a molekuláris összeszerelési technológia potenciálját. Miután elsajátítottuk ezt a területet, nem kell többet elindítanunk az űrbe. Egyszerűen elkapjuk az aszteroidákat a Naprendszerben, és készítünk belőlük (vagy inkább a benne található hasznos anyagokat), amit csak akarunk az űrben. A legérdekesebb dolog az, hogy az ezen az irányban elért haladás már ma látható. Például a NASA-nak, Barry Wilmore űrhajósának egyszer volt szüksége egy kompakt, állítható csavarkulcsra. Úgy tűnik, mi a probléma - megy a legközelebbi szerszámtárolóba? Akkoriban csak a legközelebbi szerszámbolt nem volt Wilmore mellett, mivel az űrhajós a Nemzetközi Űrállomás fedélzetén volt!A NASA kecsesen kiszabadult a helyzetről - e-mailt küldött az ISS-nek a szükséges kulcs diagramjáról, és felajánlotta Wilmore-nak, hogy maga nyomtassa ki a fedélzeten lévő 3D nyomtatóra. Ez csak egy példa, amely azt mutatja, hogy egy viszonylag rövid idő alatt egyáltalán nem kell bármit elindítanunk az űrbe. Minden már létrejön a helyén.
Ami a szükséges erőforrásokat illeti, akkor ez szintén nem lesz probléma. Az aszteroida öv tele van a szükséges anyaggal: térfogata majdnem fele a holdunk tömegének. Egyszer azt a következtetést vonjuk le, hogy a "Philae" -hez hasonló űrszonda egész rajja egyszerűen a következő aszteroidán vagy meteoriton landol, és ásványi erőforrásokat hoz létre rájuk. A NASA 2020-ban akarja végrehajtani az első ilyen missziót. A tervek szerint egy kis aszteroidát elkapnak, stabil holdpályára teszik, és ott leszállhatnak az űrhajósok számára, akik meg tudják tanulmányozni az űri macskakövet és akár érdekes mintákat gyűjthetnek a talajáról.
Az emberek űrbe jutása más probléma, különösen ha figyelembe vesszük, hogy a jövőben tervek vannak az emberek űrbe történő tömeges küldésére. Néhány javasolt ötlet, például az űrlift, valójában működni fog. De csak akkor, ha nem a mély űrhódításról van szó. Ezért ebben a kérdésben hosszú időre támaszkodnunk kell a hagyományos rakétaindításokra. Elképzeléseiket már állami és magánszférában is kihangsúlyozzák. Vegyük újra ugyanazt az Elon Muskot a Mars-gyarmatosítási projektjével.
Azt is figyelembe kell vennünk, hogy az emberi testet nem igazán úgy tervezték, hogy nagyon hosszú ideig maradjon az űrben. Ennélfogva, amíg a hatékony technológiák elé nem érjük el a mesterséges gravitáció létrehozását, a robotok részleges megoldássá válhatnak ennek a problémának. A robotok továbbíthatók az űrbe, és távolról vezérelhetők a Földről kibővített vagy virtuális valóság segítségével.
A robotoknak valódi esélyük van arra, hogy kulcsa legyen a mély űrkutatás megkezdésének. Valószínű, hogy a távolabbi jövőben megtanuljuk, hogyan kell digitalizálni az agyunkat, és továbbadni ezt az információt a távoli űrállomások fedélzetén lévő szuperszámítógépeknek, ahol az különféle robotikus avatárokba kerül, és amelyekkel előkészítjük az utat a világ távoli határain.
NIKOLAY KHIZHNYAK