Darbs ar smagumu kosmosa palaišanā nav viegls uzdevums. Parastās raķetes ir ļoti dārgas, rada daudz gružu un praksē ir ļoti bīstamas. Par laimi zinātne nestāv uz vietas, un parādās arvien vairāk alternatīvu veidu, kas mums sola efektīvākus, lētākus un drošākus kosmosa iekarošanas veidus. Šodien mēs runāsim par to, kā cilvēce nākotnē lidos kosmosā.
Bet pirms mēs sākam, jāuzsver, ka ķīmiskās reaktīvās dzinēji (CRM), kurus tagad izmanto par pamatu visiem kosmosa palaišanas gadījumiem, ir kritisks instruments kosmosa nozares attīstībā, tāpēc to izmantošana turpināsies vairākas desmitgades, līdz būs atrada un, pats galvenais, atkārtoti pārbaudīja tehnoloģiju, kas spēj nodrošināt nesāpīgu pāreju uz pilnīgi jaunu kosmosa palaišanas un lidojumu līmeni.
Bet jau tagad, kad palaišanas izmaksas var sasniegt vairākus simtus miljonus dolāru, kļūst skaidrs, ka HRD ir strupceļš. Kā piemēru ņemiet jaunāko kosmosa palaišanas sistēmu. Tieši šo sistēmu NASA kosmosa aģentūra uzskata par pamatu dziļas kosmosa izpētei. Eksperti ir aprēķinājuši, ka vienas SLS palaišanas izmaksas būs aptuveni 500 miljoni USD. Tagad, kad kosmoss ir kļuvis ne tikai valstu, bet arī privātuzņēmumu jautājums, ir sāktas piedāvāt lētākas alternatīvas. Piemēram, SpaceX Falcon Heavy palaišana maksās apmēram 83 miljonus dolāru. Bet tas joprojām ir ļoti, ļoti dārgi. Un mums vēl nav skarts jautājums par kosmosa draudzīgumu kosmosa palaišanām, kuru pamatā ir CRD, kas bez šaubām rada būtisku kaitējumu videi.
Labā ziņa ir tā, ka zinātnieki un inženieri jau ierosina alternatīvus kosmosa palaišanas veidus un metodes, un dažiem no tiem nākamajās desmitgadēs ir potenciāls kļūt par efektīvām tehnoloģijām. Visas šīs alternatīvas var apkopot vairākās kategorijās: alternatīvi reaktīvo palaišanu veidi, stacionārās un dinamiskās transporta sistēmas un izmešanas sistēmas. Protams, viņi neapvieno visas piedāvātās idejas, taču šajā rakstā mēs analizēsim visdaudzsološākās.
Alternatīvie reaktīvo palaišanas veidi
Lāzera strūklas vilce
Plazmas plūsmas novirzīšana, lai palielinātu vilci
Reklāmas video:
Mūsdienās izmantotajām raķetēm ir nepieciešams milzīgs daudzums cietu vai šķidru propelentu, un visbiežāk to darbības rādiusu un efektivitāti ierobežo tas, cik lielu daudzumu šīs degvielas viņi var pārvadāt. Tomēr pastāv iespēja, kas nākotnē pārvarēs šos ierobežojumus. Risinājums var būt īpašas lāzera instalācijas, kas raķetes nosūtīs kosmosā.
Krievu fiziķi Jurijs Rezunkovs no Optoelektronisko instrumentu attīstības institūta un Aleksandrs Šmits no Ioffe Fizikotehniskā institūta nesen aprakstīja "lāzera ablācijas" procesu, saskaņā ar kuru lidaparāta vilce tiktu radīta, izmantojot lāzera starojumu, ko rada lāzera ierīce ārpus kosmosa kuģa. Šī starojuma iedarbības rezultātā uztverošās virsmas materiāls tiks sadedzināts un tiks izveidota plazmas plūsma. Šī plūsma nodrošinās nepieciešamo vilci, kas spēj paātrināt kosmosa kuģa ātrumu, kas pārsniedz desmitiem reižu lielāku nekā skaņas ātrumu.
Ja mēs izlaižam visu šīs metodes fantastisko raksturu, pirms šādas sistēmas izveidošanas būs jāatrisina divas problēmas: lāzeram šajā gadījumā jābūt neticami jaudīgam. Tik spēcīgs, ka tas burtiski var iztvaicēt metālu vairāku simtu kilometru attālumā. Līdz ar to cita problēma - šo lāzeru var izmantot kā ieroci citu kosmosa kuģu iznīcināšanai.
Stratosfēras palaišanas un kosmiskās lidmašīnas
Mazāk konceptuāla un reālāka šķiet kosmosa kuģa palaišanas metode, izmantojot īpašus jaudīgus kravas pārvadājošus gaisa traktorus.
Kurš teica, ka Virgin Galactic metodi var izmantot tikai kosmosa tūrismā? Uzņēmums plāno izmantot savu LauncherOne ierīci kā transporta sistēmu, lai palaistu Zemes orbītā kompaktus satelītus, kas sver līdz 100 kilogramiem. Ņemot vērā ātrumu, ar kādu kosmosa sistēmas tiek miniatūrētas tagad, šī ideja ir ļoti interesanta.
Citi palaišanas sistēmas piemēri ir XCOR Aerospace Lynx Mark III kosmosa kuģis (attēlā iepriekš) un Orbital Sciences Pegasus II kosmosa kuģis (attēlā zemāk).
Viena no kosmosa palaišanas priekšrocībām no gaisa telpas ir tāda, ka raķetēm nav jābrauc cauri ļoti blīvai atmosfērai. Rezultātā pašas ierīces slodze samazināsies. Turklāt lidmašīnu ir daudz vieglāk iedarbināt. Tas ir mazāk pakļauts atmosfēras laika apstākļu izmaiņām. Visbeidzot, šādu palaišanu funkcija paver vairāk iespēju izvēles skalas ziņā.
Kosmosa lidmašīnas ir vēl viena iespēja. Šie atkārtoti lietojamie lidaparāti būs līdzīgi pensionētajam vilcienam un Buran, taču atšķirībā no pēdējiem, lai iekļūtu orbītā, tiem nebūs nepieciešami milzīgi nesējraķetes. Viens no daudzsološākajiem un progresīvākajiem projektiem šajā sakarā ir Lielbritānijas kosmosa lidmašīna British Skylon (attēlā iepriekš) - vienpakāpes lidmašīna, lai iekļūtu orbītā. Kosmosa kuģa reaktīvo vilci radīs divi gaisa reaktīvo dzinēji, kas to paātrinās līdz ātrumam, kas ir 5 reizes lielāks par skaņas ātrumu, un pacels to gandrīz 30 kilometru augstumā. Tomēr tas ir tikai 20 procenti no nepieciešamā ātruma un augstuma, kas vajadzīgs kosmosa celiņam, tāpēc kosmosa plakne pēc augstuma griestu sasniegšanas pārslēgsies uz tā dēvēto "raķešu režīmu".
Diemžēl ceļā uz šī projekta ieviešanu joprojām ir daudz tehnoloģisku grūtību, kuras vēl nav atrisinātas. Piemēram, sagaidāms, ka kosmosa lidmašīnām būs neplānotas izmaiņas to pacelšanās trajektorijā augsto dinamisko spiedienu un galējās temperatūras dēļ, kas neizbēgami ietekmēs gaisa kuģa visjutīgākās daļas. Citiem vārdiem sakot, šādas spaceplanes var būt bīstamas.
Vēl viens izstrādes stadijā esošo spakeplānu piemērs ir Dream Chaser, ko izstrādājusi Sierra Nevada korporācija NASA kosmiskās aviācijas aģentūrai (attēlā iepriekš).
Stacionārās un dinamiskās transporta sistēmas
Ja ne lidojošas mašīnas, tad risinājums ir milzīgas struktūras, kas sasniedz neticamu augstumu vai pat tieši kosmosā.
Piemēram, zinātnieks un zinātniskās fantastikas rakstnieks Džefrijs Landiss ierosināja uzcelt milzu torni, kura augšdaļa sasniegtu zemes atmosfēras robežas. Atrodas apmēram 100 kilometru virs Zemes virsmas, to var izmantot kā parasto raķešu palaišanas platformu. Šajā augstumā raķetēm praktiski nav jārisina nekāda Zemes atmosfēras ietekme.
Vēl viena būvniecības iespēja, kas piesaistījusi daudzu zinātnisko un pseidozinātnisko kopienu pārstāvju uzmanību, ir kosmosa lifts. Faktiski šī ideja aizsākās 19. gadsimtā. Mūsdienu versijā tiek ierosināts izstiept lieljaudas kabeli līdz 35 400 km augstumā (kas atrodas ārpus vairuma sakaru satelītu atrašanās vietas) kilometru virs Zemes virsmas. Pēc visas nepieciešamās kabeļa balansēšanas tiek ierosināts uzsākt transporta līdzekļus, kas darbojas ar lāzera vilci un ar kravu.
Kosmosa lifta ilustrācija uz Marsa
Kosmosa liftu idejai patiešām ir potenciāls radīt patiesu revolūciju kosmosa transportēšanā uz Zemes orbītu. Bet šo ideju būs ļoti grūti tulkot reālajā dzīvē. Paies ilgs laiks, līdz zinātnieki izveidos materiālu, kas var atbalstīt šādas struktūras svaru. Apsvērtās iespējas tagad ir oglekļa nanocaurules vai drīzāk struktūras, kuru pamatā ir mikroskopiski dimantu starplikumi ar sevišķi plānām nanšķiedrām. Bet pat ja mēs atradīsim veidu, kā uzbūvēt kosmosa liftu, tas neatrisinās visas problēmas. Bīstamas vibrācijas, intensīvas vibrācijas, sadursmes ar pavadoņiem un kosmosa atlūzas ir tikai daži no uzdevumiem, kas būs jārisina.
Vēl viena ierosināta alternatīva ir milzu "orbītas spararati". Spararati ir rotējoši satelīti ar garām virvēm, kas novirzās divos dažādos virzienos, kuru gali rotācijas laikā pieskaras planētas atmosfērai. Šajā gadījumā struktūras rotācijas ātrums daļēji vai pilnībā kompensēs orbītas ātrumu.
Portālā Orion's Arm ir izskaidrots, kā viņi strādā:
“Kabeļa apakšējā daļā, kas atrodas netālu no Zemes lieluma planētas, atradīsies dokstacija, kas atradīsies 100–300 kilometru augstumā virs virsmas (kamēr pats kabeļu garums no spararata centra būs vairāki tūkstoši kilometru). Šis augstums tika izvēlēts, jo šeit atmosfēras ietekme uz pašu "spararatu" tiks samazināta līdz minimumam, kā arī tiks samazināti dokstacijas vilcēju gravitācijas zudumi. Dozēšana notiks ar ļoti mazu ātrumu gan pašam spararatam, gan dokstacijai, parasti paraboliskās suborbitālās trajektorijas smailē, ko noteikusi nesējraķete. Šajā gadījumā atspole būs salīdzinoši nekustīga attiecībā pret “spararatu”, un to var noķert ar īpašu āķi un pēc tam pievilkt pie dokstacijas bloķēšanas vai nosēšanās platformas. Pareizai novietošanai orbītā "spararati" izmantos virzītājus ".
Tā kā spararati atradīsies pilnībā kosmosā, nevis piestiprināti pie Zemes, viņiem nevajadzēs piedzīvot tādu pašu fizisko stresu kā kosmosa liftam, tāpēc šī ideja galu galā var izrādīties dzīvotspējīgāka.
Runājot par dinamiskām struktūrām, Popular Mechanics apraksta vismaz divas galvenās iespējas:
“Tādas konstrukcijas kā“kosmosa strūklaka”un“Lofstroma cilpa”saglabās savu struktūras integritāti, pateicoties elektrodinamiskajiem efektiem vai impulsiem kustīgām daļām tajās, kā arī kravai un pasažieriem, kas dodas orbītā. Šķiet, ka rotovatori ir interesantāks jēdziens. Šī ideja ierosina uzbūvēt lielu orbītas struktūru ar piesiešanu, kas rotē orbītas plaknē tā, lai apļa punktā, kas ir vistuvāk Zemei, piesiešanas gala ātrums attiecībā pret centru būtu pretējs orbītas ātrumam. Tādējādi kabelis, šķērsojot minimumu, var uzņemt vēlamo objektu, kura ātrums ir mazāks par pirmo kosmisko, un atbrīvot to maksimālā attāluma punktā ar ātrumu, kas jau ir lielāks par pirmo kosmisko”.
Tas izskatīsies kaut kas līdzīgs "gif"
Vēl viena kosmosa kabeļa un lifta alternatīva ir vertikāls piepūšamais tornis, kas var izaugt 20-200 kilometru augstumā. Brendana Kvina un viņa kolēģu ierosinātais dizains tiks uzstādīts kalna galā un būs lieliski piemērots atmosfēras izpētei, televīzijas un radiosakaru iekārtu uzstādīšanai, kosmosa kuģu palaišanai un tūrismam. Pats tornis tiks izveidots, pamatojoties uz vairākām pneimatiski vadāmām bīdāmām sekcijām.
“Torņa izvēle palīdzēs izvairīties no problēmām, kas saistītas ar kosmosa liftu. Runa ir par celtniecības materiāla izturību, kas piemērots darbam kosmosā, par grūtībām izgatavot vismaz 50 000 kilometru garu kabeli un pievērsties meteorīta draudiem zemā Zemes orbītā,”sacīja pētnieki, kuri ierosināja torņa dizainu.
Lai pārbaudītu savu ideju, viņi uzcēla torņa 7 metru modeli ar sešiem moduļiem, no kuriem katrs balstījās uz trim caurulēm, kas uzstādītas ap cilindrisku nodalījumu, kas piepildīts ar gaisu.
Interesanti, ka līdzīgu tehnoloģiju var izmantot Džona Storrsa zāles ierosinātā "kosmosa piestātnes" būvniecībā. Saskaņā ar šo koncepciju tiek ierosināts uzbūvēt 100 kilometru augstu un 300 kilometru garu struktūru. Ar šo iestatīšanu lifts pārvietosies tieši uz palaišanas punktu. Pašreizējās kravas palaišana orbītā notiks tikai ar 10 g paātrinājumu.
“Šajā hibrīda variantā tiek ignorēti piedāvāto variantu trūkumi ar orbītas torni (piestātnes izmērs ir daudz mazāks, tāpēc to ir vieglāk uzbūvēt) un grūtības, ar kurām nāksies saskarties ar elektromagnētiskiem palaišanas gadījumiem (gaisa blīvums un pretestība 100 kilometru augstumā ir miljons reizes mazāka nekā līmenī jūra),”saka Hall.
Katapultas sistēmas
Ja visas vidējam lasītājam piedāvātās idejas var šķist pilnīgi zinātniskās fantastikas, tad sekojošās ir daudz tuvākas realitātei, nekā varētu šķist no pirmā acu uzmetiena. Vēl viena alternatīva raķešu palaišanai ir katapultu sistēmas, kurās kosmosa kuģis tiks palaists kosmosā kā lielgabals.
Ir pilnīgi acīmredzami, ka šajā gadījumā pati slodze būs jāprojektē ekstrēmo spēku iedarbībai. Tomēr katapultu sistēmas var kļūt par patiešām efektīvu instrumentu kravas nosūtīšanai kosmosā, kur to uzņems tur esošais kosmosa kuģis.
Katapultas sistēmas var iedalīt trīs galvenajos veidos: elektriskās, ķīmiskās un mehāniskās.
Elektriskās
Šajā tipā ietilpst sliežu pistoles vai elektromagnētiskās katapultas, kas darbojas pēc elektromagnētisko paātrinātāju principa. Palaišanas laikā kosmosa kuģis tiks novietots uz īpašām vadotnēm un, izmantojot magnētisko lauku, to strauji paātrinās. Šajā gadījumā paātrinājuma spēks būs pietiekams, lai ierīci izvadītu no zemes atmosfēras.
Tomēr šādu sistēmu dizaina iezīme padarīs tās ļoti masīvas un dārgas. Turklāt šādas sistēmas patērēs milzīgu daudzumu elektrības. Neskatoties uz jaudu, elektromagnētiskajiem katapultiņiem joprojām būs jāsaskaras ar dažām problēmām, kas saistītas ar smagumu un Zemes blīvo atmosfēru. Ja tos izmanto, tas ir ticamāk uz planētām ar zemāku smaguma pakāpi un retu atmosfēru.
Ķīmiski
Tas ierosina nodot objektus kosmosā, izmantojot milzīgas pistoles, kuras darbina tāda degoša gāze kā ūdeņradis. Tomēr, tāpat kā jebkurai izmešanas sistēmai, kosmosā nosūtītajai kravai palaišanas laikā būs jāpiedzīvo palielinātas kravas. Turklāt šādas sistēmas nevar izmantot, lai nosūtītu cilvēkus kosmosā. Turklāt būtu jāizmanto papildu aprīkojums, kas ļautu kravas, piemēram, kompaktus satelītus, palaist pastāvīgā orbītā. Pretējā gadījumā palaistais objekts, sasniedzot maksimālo augstumu, vienkārši nokrīt atpakaļ uz Zemi.
HARP projekts (liela augstuma pētījumu projekts). Šis lielgabals izšāva Martlet-2 raķetes šāviņu līdz 180 kilometru augstumam. Ieraksts joprojām tiek turēts
HARP projekta loģiskā attīstība bija SHARP projekts (Super High Altitude Research Project). Pagājušā gadsimta 90. gados Lawrence Livermore Lab pētnieki veica šāviņu palaišanas demonstrāciju ar ātrumu 3 kilometri sekundē (lai arī tas nav augstumā, bet gan uz zemes). Noslēgumā zinātnieki nonāca pie secinājuma, ka šāda ieroča reāla darba parauga uzbūvei būs nepieciešami vismaz miljardi dolāru. Attēlu sabiezināja arī tas, ka zinātniekiem neizdevās sasniegt plānoto šāviņa ātrumu 7 kilometri sekundē.
Mehānisks
Mehāniskās pistoles var kalpot kā alternatīva elektromagnētiskajiem un ķīmiskajiem ieročiem. Tiesa, nav pilnīgi pareizi izsaukt šādas sistēmas lielgabalus. Drīzāk tas ir sava veida katapulta. Kā piemēru var minēt HyperV Technologies Corp Slingatron projektu. Pati sistēma ir spirālveida doba struktūra iekšpusē. Objekts, kas ievietots spirāles iekšpusē, tiek paātrināts, pagriežot visu struktūru ap fiksētu punktu.
Teorētiski slingatrons spēj nodrošināt nepieciešamo paātrinājumu. Tomēr, kā uzsver paši izstrādātāji, sistēma nav piemērota cilvēku un lielu kravu palaišanai orbītā. Bet šo metodi var izmantot, lai kosmosā nosūtītu nelielas kravas, piemēram, ūdens krājumus, degvielu un celtniecības materiālus.
Slingatrona pilna izmēra skats izskatās kaut kas līdzīgs šim
Kāda būs patiesība nākotnē?
Ir ārkārtīgi grūti paredzēt, kāda būs atbilde uz šo jautājumu. Negaidīti tehnoloģiski atklājumi un to radītie efekti var novest pie tā, ka visas šodien apsvērtās iespējas bez raķešu palaišanai kosmosā būs vienādas ar efektivitāti. Tagad tas tā nav, kā redzams vismaz šeit esošajā salīdzinošajā tabulā.
Kā piemēru ņemiet molekulārās montāžas tehnoloģijas potenciālu. Kad esam apguvuši šo jomu, mums vairs nekas nav jāpalaiž kosmosā. Mēs vienkārši noķersim asteroīdus Saules sistēmā un no tiem (vai pareizāk sakot, tajos esošajiem noderīgajiem materiāliem) izveidosim visu, ko vēlamies tieši kosmosā. Interesantākais ir tas, ka progress šajā virzienā ir redzams jau šodien. Piemēram, NASA astronautam Barry Wilmore reiz bija vajadzīgs kompakts, regulējams uzgriežņu atslēga. Šķiet, kāda ir problēma - doties uz tuvāko instrumentu veikalu? Tikai tuvākā instrumentu veikals tajā laikā nebija blakus Vilmoram, jo astronauts atradās uz Starptautiskās kosmosa stacijas!NASA graciozi izkļuva no situācijas - tā nosūtīja ISS e-pastu nepieciešamās atslēgas shēmu un piedāvāja Vilmoram pats to izdrukāt uz kuģa 3D printera. Šis ir tikai viens piemērs, kas parāda, ka salīdzinoši īsā laikā mums vispār nevajadzēs neko kosmosā palaist. Viss tiks izveidots jau savā vietā.
Kas attiecas uz nepieciešamajiem resursiem, tad arī tā vairs nebūs problēma. Asteroīda josta ir pilna ar nepieciešamo materiālu: tā tilpums ir gandrīz puse no mūsu Mēness masas. Kādu dienu mēs nonāksim pie secinājuma, ka vesela spēja ar "Philae" līdzīgām kosmiskajām zondēm vienkārši nolaidīsies uz nākamā asteroīda vai meteorīta un radīs uz tiem minerālu resursus. NASA vēlas veikt pirmo šādu misiju 2020. gadā. Plānots noķert nelielu asteroīdu, ievietot to stabilā Mēness orbītā un tur nolaisties uz tā astronautus, kuri var izpētīt kosmosa bruģi un pat savākt interesantus tā augsnes paraugus.
Cilvēku nokļūšana kosmosā ir atšķirīga problēma, it īpaši, ja ņem vērā, ka nākotnē ir plānots pāriet uz masveida cilvēku nosūtīšanu kosmosā. Dažas no ierosinātajām idejām, piemēram, kosmosa lifts, faktiski varētu darboties. Bet tikai tad, ja mēs nerunājam par dziļas kosmosa iekarošanu. Tāpēc šajā jautājumā mums ilgu laiku būs jāpaļaujas uz tradicionālajām raķešu palaišanām. Viņu idejas jau tiek paustas gan valsts, gan privātajā sfērā. Atkal ņemiet to pašu Elonu Musku ar savu Marsa kolonizācijas projektu.
Mums arī jāņem vērā fakts, ka cilvēka ķermenis nav īsti paredzēts ļoti ilgam uzturēšanās laikam kosmosā. Tāpēc, kamēr mēs nonākam pie efektīvām tehnoloģijām, kas ļauj radīt mākslīgu gravitāciju, roboti var kļūt par daļēju šīs problēmas risinājumu. Robotus var nosūtīt kosmosā un attālināti vadīt no Zemes, izmantojot paplašināto vai virtuālo realitāti.
Robotiem ir reāla iespēja būt par atslēgu mūsu dziļās kosmosa izpētes sākšanai. Pilnīgi iespējams, ka tālākā nākotnē mēs iemācīsimies, kā digitalizēt mūsu smadzenes, un pārsūtīt šo informāciju uz superdatoriem attālās kosmosa stacijās, kur tā tiks ielādēta dažādiem robotiem iemiesojumiem, ar kuru palīdzību mēs bruģēsim ceļu uz kosmosa tālām robežām.
NIKOLAY KHIZHNYAK