Gestionarea gravitației în lansările spațiale nu este o sarcină ușoară. Rachete convenționale sunt foarte scumpe, generează multe resturi și, în practică, sunt foarte periculoase. Din fericire, știința nu stă nemișcată și apar tot mai multe moduri alternative care ne promit modalități mai eficiente, mai puțin costisitoare și mai sigure de a cuceri spațiul exterior. Astăzi vom vorbi despre modul în care umanitatea va zbura în spațiu în viitor.
Însă, înainte de a începe, trebuie subliniat faptul că motoarele cu jet chimic (CRM), care sunt acum utilizate ca bază pentru toate lansările spațiale, sunt un instrument critic pentru dezvoltarea sectorului spațial, astfel încât utilizarea lor va continua mai mult de o duzină de ani până când va exista a găsit și, cel mai important, a testat în mod repetat o tehnologie capabilă să ofere o tranziție nedureroasă la un nivel fundamental nou de lansări și zboruri spațiale.
Dar deja acum, când costurile lansărilor se pot ridica la câteva sute de milioane de dolari, devine clar că HRD este un punct mort. Luăm ca exemplu cel mai recent sistem de lansare spațială. Acest sistem este considerat de agenția aerospațială NASA drept baza explorării spațiale profunde. Experții au calculat că costul unei lansări a SLS va fi de aproximativ 500 de milioane de dolari. Acum, că spațiul a devenit nu numai o problemă de state, ci și de companii private, au început să fie oferite alternative mai ieftine. De exemplu, lansarea lui SpaceX Falcon Heavy va costa aproximativ 83 de milioane de dolari pentru lansare. Dar este totuși foarte, foarte scump. Și încă nu abordăm problema prieteniei ecologice a lansărilor spațiale bazate pe CRD, care, fără îndoială, provoacă daune semnificative mediului.
Vestea bună este că oamenii de știință și inginerii propun deja modalități alternative și metode de lansare a spațiului, iar unele dintre ele au potențialul de a deveni tehnologii eficiente în următoarele decenii. Toate aceste alternative pot fi rezumate în mai multe categorii: tipuri alternative de lansări cu jet, sisteme de transport staționate și dinamice și sisteme de evacuare. Desigur, ele nu unesc toate ideile propuse, dar în acest articol le vom analiza pe cele mai promițătoare.
Tipuri alternative de lansări cu jet
Aruncarea cu jet laser
Redirecționarea fluxului de plasmă pentru a crește traiectoria
Video promotional:
Rachetele utilizate astăzi necesită cantități uriașe de propulsori solizi sau lichizi și, cel mai adesea, gama și eficiența lor sunt limitate de cât de mult din combustibilul pe care îl pot transporta. Cu toate acestea, există o opțiune care va depăși aceste limitări în viitor. Soluția poate fi instalații speciale cu laser care vor trimite rachete în spațiu.
Fizicienii ruși, Yuri Rezunkov, de la Institutul pentru Dezvoltarea Instrumentelor Optoelectronice și Alexander Schmidt, de la Institutul Fizicotehnic Ioffe, au descris recent procesul de „ablație cu laser”, potrivit căruia aruncarea unei aeronave ar fi generată cu ajutorul radiațiilor laser generate de un dispozitiv laser în afara navei spațiale. În urma expunerii la această radiație, materialul suprafeței receptoare va fi ars și va fi creat un flux de plasmă. Acest flux va oferi forța necesară capabilă să accelereze nava spațială la viteze de zeci de ori mai mari decât viteza sunetului.
Dacă omitem toată natura fantastică a acestei metode, înainte de a crea un astfel de sistem, va fi necesară rezolvarea a două probleme: laserul în acest caz trebuie să fie incredibil de puternic. Atât de puternic încât poate să vaporizeze literalmente metalul pe o distanță de câteva sute de kilometri. De aici rezultă o altă problemă - acest laser poate fi folosit ca armă pentru a distruge alte nave spațiale.
Lansări stratosferice și avioane spațiale
Mai puțin conceptuală și mai realistă pare a fi metoda de lansare a navelor spațiale cu ajutorul unor tractoare aeriene speciale puternice.
Cine a spus că metoda Virgin Galactic poate fi folosită doar pentru turismul spațial? Compania intenționează să folosească dispozitivul său LauncherOne ca sistem de transport pentru a lansa sateliți compacti cu o greutate de până la 100 de kilograme pe orbita Pământului. Având în vedere viteza cu care sistemele spațiale sunt miniaturizate acum, ideea este foarte interesantă.
Alte exemple ale unui sistem de lansare sunt navele spațiale XCOR Aerospace Lynx Mark III (ilustrat mai sus) și nava spațială Orbital Sciences Pegasus II (ilustrată mai jos).
Unul dintre avantajele lansărilor spațiale din spațiul aerian este că rachetele nu trebuie să călătorească printr-o atmosferă foarte densă. Drept urmare, încărcarea dispozitivului în sine va scădea. În plus, aeronava este mult mai ușor de pornit. Este mai puțin sensibil la schimbările meteorologice atmosferice. În final, caracteristica unor astfel de lansări deschide mai multe posibilități în ceea ce privește scala selectabilă.
Avioanele spațiale sunt o altă opțiune. Aceste aeronave reutilizabile vor fi similare cu naveta retrasă și Buran, dar spre deosebire de acestea din urmă, nu vor necesita utilizarea unor vehicule imense de lansare pentru a se lansa pe orbită. Unul dintre cele mai promițătoare și avansate proiecte în acest sens este avionul spațial britanic Skylon (imaginea de mai sus) - o aeronavă cu o singură etapă pentru intrarea pe orbită. Aruncarea cu jet a navei spațiale va fi generată de două motoare cu jet de aer, care o vor accelera la o viteză de 5 ori mai mare decât viteza sunetului și o vor ridica la o altitudine de aproape 30 de kilometri. Cu toate acestea, aceasta reprezintă doar 20 la sută din viteza și altitudinea necesare pentru trotuarul spațial, astfel încât avionul va trece la așa-numitul „mod rachetă” după atingerea plafonului de altitudine.
Din păcate, există încă multe dificultăți tehnologice în calea implementării acestui proiect care încă nu au fost rezolvate. De exemplu, planurile spațiale trebuie să se confrunte cu o schimbare neplanificată a traiectoriei lor de ascensiune din cauza presiunilor dinamice ridicate și a temperaturilor extreme, care vor afecta inevitabil părțile cele mai sensibile ale aeronavei. Cu alte cuvinte, astfel de avioane pot fi periculoase.
Un alt exemplu de avioane spațiale în curs de dezvoltare este Dream Chaser, dezvoltat de Corporația Sierra Nevada pentru agenția aerospațială NASA (ilustrat mai sus).
Sisteme de transport staționare și dinamice
Dacă nu mașini zburătoare, atunci soluțiile uriașe care se ridică la înălțimi incredibile sau chiar direct în spațiu sunt soluția.
De exemplu, Geoffrey Landis, un om de știință și scriitor de ficțiune științifică, a propus ideea construirii unui turn uriaș, al cărui vârf ar atinge limitele atmosferei terestre. Situat la aproximativ 100 de kilometri deasupra suprafeței Pământului, acesta poate fi folosit ca platformă de lansare a rachetelor convenționale. La această altitudine, rachetele practic nu trebuie să facă față nici unui impact asupra atmosferei terestre.
O altă opțiune de construcție care a atras atenția multor reprezentanți ai comunităților științifice și pseudo-științifice este elevatorul spațial. De fapt, această idee datează din secolul al XIX-lea. Versiunea modernă propune să se întindă un cablu greu la o altitudine de 35.400 (care este dincolo de locația majorității sateliților de comunicare) kilometri deasupra suprafeței Pământului. După efectuarea tuturor echilibrărilor necesare pe cablu, se propune pornirea vehiculelor de transport care operează cu tracțiune cu laser cu o sarcină.
Ilustrație a unui elevator spațial pe Marte
Ideea ascensoarelor spațiale are într-adevăr potențialul de a crea o adevărată revoluție în transportul spațial pe orbita aproape de pământ. Dar va fi foarte dificil să transpunem această idee în viața reală. Va dura mult timp până când oamenii de știință vor crea un material care poate susține greutatea unei astfel de structuri. Opțiunile luate în considerare sunt acum nanotuburile de carbon sau mai degrabă structurile bazate pe intercalări microscopice cu diamante cu nanofibre ultra-subțiri. Dar chiar dacă găsim o modalitate de a construi un elevator spațial, nu va rezolva toate problemele. Vibrațiile periculoase, vibrațiile intense, coliziunile cu sateliții și resturile spațiale sunt doar câteva dintre sarcinile care vor trebui să fie ocupate.
O altă alternativă propusă este „volantele orbitale” gigantice. Volantele sunt sateliți rotitori, cu cabluri lungi care diverg în două direcții diferite, ale căror capete vor contacta atmosfera planetei în timpul rotației. În acest caz, viteza de rotație a structurii va compensa parțial sau complet viteza orbitală.
Portalul lui Orion’s Arm explică modul în care funcționează:
„Pe partea inferioară a cablului, situată în apropierea unei planete, dimensiunea Pământului, va exista o platformă de andocare la o altitudine de 100-300 de kilometri deasupra suprafeței (în timp ce lungimea cablurilor din centrul volanului va fi de câteva mii de kilometri). Această înălțime a fost aleasă, deoarece aici efectul atmosferei pe „volanul” în sine va fi minimizat, precum și pierderile gravitaționale ale navetei de andocare vor fi reduse la minimum. Ambarcarea va avea loc la viteze foarte scăzute atât de volanta în sine, cât și de naveta de andocare, de obicei la vârful traiectoriei suborbitale parabolice stabilite de vehiculul de lansare. În acest caz, naveta va fi relativ nemișcată în raport cu "volanta" și poate fi prinsă de un cârlig special, apoi trasă la încuietorul de fixare sau la platforma de aterizare. Pentru o poziționare corectă pe orbită, „volanele” vor folosi propulsoare”.
Având în vedere că volanele vor fi amplasate în întregime în spațiu, nu ancorate pe Pământ, acestea nu vor trebui să experimenteze același stres fizic ca un elevator spațial, deci această idee se poate dovedi în cele din urmă a fi mai viabilă.
Când vine vorba de structuri dinamice, Mecanica populară descrie cel puțin două opțiuni principale:
„Structuri precum„ fântâna spațială”și„ bucla Lofstrom”își vor menține integritatea structurală datorită efectelor electrodinamice sau impulsurilor care se mișcă părți în interiorul acestora, precum și încărcăturii și pasagerilor care intră pe orbită. Rotovatoarele par un concept mai interesant. Această idee propune construcția unei structuri orbitale mari, cu o legătură care se rotește în planul orbitei, astfel încât în punctul cercului cel mai aproape de Pământ, viteza sfârșitului legăturii în raport cu centrul să fie opusă vitezei orbitale. Astfel, cablul, trecând minimul, poate ridica obiectul dorit având o viteză mai mică decât prima cosmică și îl poate elibera la punctul distanței maxime cu o viteză care este deja mai mare decât prima cosmică.
Va arăta ceva ca „gif”
O altă alternativă la cablul spațial și liftul este un turn gonflabil vertical care poate crește 20-200 de kilometri înălțime. Proiectul propus de Brendan Queen și colegii săi va fi ridicat pe vârful muntelui și va fi perfect pentru cercetarea atmosferică, instalarea echipamentelor de televiziune și comunicații radio, lansări de nave spațiale și turism. Turnul în sine va fi creat pe baza mai multor secțiuni pneumatice glisante controlate extern.
„Alegerea unui turn va ajuta la evitarea problemelor asociate cu liftul spațial. Este vorba despre rezistența unui material de construcție adecvat pentru lucrări în spațiu, dificultatea de a produce un cablu de cel puțin 50.000 de kilometri lungime și de a aborda amenințarea meteoritelor pe orbita terestră a Pământului”, au spus cercetătorii care au propus proiectul turnului.
Pentru a-și testa ideea, au construit un model al turnului de 7 metri cu șase module, fiecare bazându-se pe trei tuburi instalate în jurul unui compartiment cilindric plin de aer.
Interesant, o tehnologie similară poate fi folosită în construcția „digului spațial” propus de John Storrs Hall. Conform acestui concept, se propune ridicarea unei structuri înălțime de 100 de kilometri și lungime de 300 de kilometri. Cu această configurare, liftul se va muta direct la punctul de lansare. Însăși lansarea sarcinii utile pe orbită va avea loc cu o accelerație de doar 10g.
„Această opțiune hibridă ignoră dezavantajele opțiunilor propuse cu un turn orbital (dimensiunea digului este mult mai mică, prin urmare, este mai ușor de construit), iar dificultățile care vor trebui să se confrunte cu lansările electromagnetice (densitatea și rezistența aerului la o altitudine de 100 de kilometri este de un milion de ori mai mică decât la nivel mare), spune Hall.
Sisteme Catapult
Dacă toate ideile propuse pentru cititorul mediu pot părea complet science-fiction, atunci următoarele sunt mult mai apropiate de realitate decât ar putea părea la prima vedere. O altă alternativă la lansările de rachetă sunt sistemele catapultă, în care navele spațiale vor fi lansate în spațiu precum un tun.
Este destul de evident că, în acest caz, sarcina însăși va trebui să fie proiectată pentru impactul forțelor extreme. Cu toate acestea, sistemele catapult pot deveni un instrument cu adevărat eficient pentru trimiterea unei sarcini utile în spațiu, unde va fi preluat de către navele spațiale amplasate acolo.
Sistemele Catapult pot fi împărțite în trei tipuri principale: electrice, chimice și mecanice.
Electric
Acest tip include tunuri de cale ferată sau catapulte electromagnetice, care funcționează pe principiul acceleratoarelor electromagnetice. În timpul lansării, nava spațială va fi plasată pe șinele de ghidare speciale și va fi accelerată brusc folosind un câmp magnetic. În acest caz, forța de accelerație va fi suficientă pentru a scoate dispozitivul din atmosfera pământului.
Cu toate acestea, caracteristica de proiectare a acestor sisteme le va face foarte masive și costisitoare de construit. În plus, astfel de sisteme vor consuma o cantitate imensă de energie electrică. În ciuda puterii lor, catapultele electromagnetice vor trebui să se confrunte cu unele dintre problemele asociate cu gravitația și atmosfera densă a Pământului. Dacă sunt utilizate, este mai probabil pe planete cu o gravitate mai mică și o atmosferă rarefiată.
Chimic
Propune lansarea obiectelor în spațiu folosind arme uriașe alimentate de un gaz combustibil precum hidrogenul. Cu toate acestea, ca în orice sistem de expulzare, încărcarea trimisă în spațiu va trebui să experimenteze sarcini crescute în timpul lansării. În plus, astfel de sisteme nu pot fi utilizate pentru a trimite oamenii în spațiu. În plus, ar trebui să fie utilizate echipamente suplimentare care să permită lansarea încărcăturilor, cum ar fi sateliții compacti, pe orbită permanentă. În caz contrar, obiectul lansat, câștigând altitudinea maximă, va cădea pur și simplu înapoi pe Pământ.
Proiect HARP (Proiect de cercetare la mare altitudine). Acest tun a tras un proiectil rachetă Martlet-2 la o altitudine de 180 de kilometri. Înregistrarea este încă păstrată
Dezvoltarea logică a proiectului HARP a fost proiectul SHARP (Super High Altitude Research Project). În anii 90 ai secolului trecut, cercetătorii de la Lawrence Livermore Lab au efectuat o demonstrație a lansării proiectilelor cu o viteză de 3 kilometri pe secundă (deși nu în înălțime, ci la sol). În cele din urmă, oamenii de știință au ajuns la concluzia că construcția unui eșantion real de lucru al unei astfel de arme ar necesita cel puțin un miliard de dolari. Imaginea a fost îngroșată și de faptul că oamenii de știință nu au reușit să atingă viteza proiectată a proiectilului de 7 kilometri pe secundă.
Mecanic
Pistolele mecanice pot servi ca o alternativă la armele electromagnetice și chimice. Adevărat, nu este complet corect să apelezi la astfel de arme de sistem. Mai degrabă, este un fel de slingshot. Un exemplu este proiectul Slingatron al HyperV Technologies Corp. Sistemul în sine este o structură scobită în spirală în interior. Un obiect plasat în interiorul spiralei este accelerat prin rotirea întregii structuri în jurul unui punct fix.
În teorie, slingatronul este capabil să asigure accelerația necesară. Cu toate acestea, așa cum subliniază dezvoltatorii înșiși, sistemul nu este potrivit pentru lansarea oamenilor și a sarcinilor mari pe orbită. Dar această metodă ar putea fi folosită pentru a trimite sarcini mici în spațiu, cum ar fi aprovizionarea cu apă, combustibil și materiale de construcție.
O imagine de dimensiune completă a slingatronului ar arăta cam așa
Cum va fi viitorul cu adevărat?
Este extrem de dificil să prezicem care va fi răspunsul la această întrebare. Descoperirile tehnologice neașteptate și efectele create de acestea pot duce la faptul că toate opțiunile pentru lansările spațiale fără rachetă considerate astăzi vor deveni la fel de eficiente. Nu este cazul, așa cum se poate observa cel puțin din tabelul comparativ aici.
Luăm ca exemplu potențialul tehnologiei de asamblare moleculară. Odată ce stăpânim această zonă, nu mai trebuie să lansăm nimic în spațiu. Pur și simplu vom prinde asteroizi în sistemul solar și vom crea din ei (sau mai degrabă materialele utile conținute de ei) orice dorim chiar în spațiu. Cel mai interesant este că progresul în această direcție este deja vizibil astăzi. De exemplu, astronautul NASA, Barry Wilmore, a avut nevoie de o dată de o cheie reglabilă compactă. S-ar părea, care este problema - mergând la cel mai apropiat magazin de unelte? Doar cel mai apropiat magazin de scule la acea vreme nu era lângă Wilmore, deoarece astronautul se afla la bordul Stației Spațiale Internaționale!NASA a ieșit din situație cu grație - a trimis unui e-mail către ISS o diagramă a cheii necesare și i-a oferit lui Wilmore să o imprime el însuși pe o imprimantă 3D de la bord. Acesta este doar un exemplu care arată că într-un timp relativ scurt nu va trebui să lansăm nimic deloc în spațiu. Totul va fi creat deja pe loc.
În ceea ce privește resursele necesare, aceasta va înceta, de asemenea, să fie o problemă. Centura de asteroizi este plină de materialul necesar: volumul său este aproape jumătate din masa Lunii noastre. Într-o zi, vom ajunge la concluzia că un întreg roi de sonde spațiale asemănătoare „Philae” vor ateriza pur și simplu pe următorul asteroid sau meteorit și vor produce resurse minerale asupra lor. NASA vrea să conducă prima astfel de misiune în 2020. Este planificat să prindă un asteroid mic, să-l pună pe o orbită lunară stabilă, iar acolo să aterizeze astronauți pe el, care pot studia pavajul spațial și chiar să adune mostre interesante ale solului său.
Aducerea oamenilor în spațiu este o problemă diferită, mai ales atunci când luați în considerare că în viitor există planuri de a vă deplasa către o masă care trimite oamenii în spațiu. Unele dintre ideile propuse, cum ar fi ascensorul spațial, ar putea funcționa de fapt. Dar numai dacă nu vorbim despre cucerirea spațiului profund. Prin urmare, în această problemă va trebui să ne bazăm pe lansările tradiționale de rachetă pentru o lungă perioadă de timp. Ideile lor sunt deja exprimate atât la nivel de stat, cât și în sfera privată. Luați din nou același Elon Musk cu proiectul său de colonizare a lui Marte.
De asemenea, trebuie să luăm în considerare faptul că corpul uman nu este conceput cu adevărat pentru o ședere foarte lungă în spațiu. Prin urmare, până când ajungem la tehnologii eficiente care permit crearea gravitației artificiale, roboții pot deveni o soluție parțială la această problemă. Roboții pot fi trimiși în spațiu și controlați de la distanță de pe Pământ folosind realitate augmentată sau virtuală.
Roboții au șansa reală de a fi cheia pentru a începe explorarea noastră spațială profundă. Este foarte posibil ca în viitorul mai îndepărtat să învățăm cum să ne digitalizăm creierele și să transmitem aceste informații supercomputerilor de la stațiile spațiale la distanță, unde vor fi încărcate într-o varietate de avatare robotizate, cu care ne vom deschide drumul către frontierele îndepărtate ale spațiului.
NIKOLAY KHIZHNYAK
