Att hantera tyngdekraften i rymdlanseringar är inte en lätt uppgift. Konventionella raketer är mycket dyra, genererar mycket skräp och är i praktiken mycket farliga. Lyckligtvis står vetenskapen inte stilla, och fler och fler alternativa sätt visas som lovar oss effektivare, billigare och säkrare sätt att erövra yttre rymden. Idag kommer vi att prata om hur mänskligheten kommer att flyga ut i rymden i framtiden.
Men innan vi börjar bör det påpekas att kemiska jetmotorer (CRM), som nu används som underlag för alla rymdlanseringar, är ett kritiskt verktyg för utvecklingen av rymdsektorn, så att deras användning kommer att fortsätta under flera decennier tills det finns hittade och, viktigast av allt, testade upprepade gånger en teknik som kan ge en smärtfri övergång till en grundläggande ny nivå av utrymmen och flygningar
Men redan nu, när kostnaden för lanseringar kan uppgå till flera hundra miljoner dollar, blir det tydligt att HRD är en återvändsgränd. Ta det senaste Space Launch System som ett exempel. Det är detta system som betraktas av NASA: s flygindustri som grund för utforskning av djupa rymden. Experter har beräknat att kostnaden för en lansering av SLS kommer att vara cirka 500 miljoner dollar. Nu när utrymmet inte bara har blivit en fråga om stater utan också om privata företag har billigare alternativ börjat erbjudas. Till exempel kommer SpaceXs Falcon Heavy att kosta cirka 83 miljoner dollar att lansera. Men det är fortfarande väldigt, väldigt dyrt. Och vi berör ännu inte frågan om miljövänlighet vid utrymmen för utrymmen baserade på CRD, som utan tvekan orsakar betydande skador på miljön.
Den goda nyheten är att forskare och ingenjörer redan föreslår alternativa sätt och metoder för rymdlanseringar, och vissa av dem har potential att bli effektiv teknik under de kommande decennierna. Alla dessa alternativ kan sammanfattas under flera kategorier: alternativa typer av jetlanseringar, stationära och dynamiska transportsystem och utkastssystem. Naturligtvis förenar de inte alla föreslagna idéer, men i den här artikeln kommer vi att analysera de mest lovande.
Alternativa typer av jetlanseringar
Laser jet drivkraft
Plasma-omdirigering för att öka drivkraften
Kampanjvideo:
De missiler som används idag kräver enorma mängder fast eller flytande drivmedel, och oftast begränsas deras omfattning och effektivitet av hur mycket av det bränslet de kan bära. Det finns dock ett alternativ som kommer att övervinna dessa begränsningar i framtiden. Lösningen kan vara speciella laserinstallationer som skickar raketer ut i rymden.
De ryska fysikerna Yuri Rezunkov från Institutet för utveckling av optoelektroniska instrument och Alexander Schmidt från Ioffe Physicotechnical Institute beskrev nyligen processen för "laserablation", enligt vilken ett luftfartyg skulle genereras med laserstrålning genererad av en laseranordning utanför rymdskeppet. Som ett resultat av exponering för denna strålning kommer materialet på den mottagande ytan att brännas och ett plasmaflöde skapas. Detta flöde kommer att tillhandahålla den nödvändiga drivkraften som kan accelerera rymdskeppet med hastigheter tio gånger större än ljudets hastighet.
Om vi utelämnar denna metods fantastiska natur, innan vi skapar ett sådant system, kommer det att vara nödvändigt att lösa två problem: lasern i detta fall måste vara oerhört kraftfull. Så kraftfullt att det bokstavligen kan förånga metall över ett avstånd av flera hundra kilometer. Därför ytterligare ett problem - denna laser kan användas som ett vapen för att förstöra andra rymdskepp.
Stratosfäriska lanseringar och rymdplan
Mindre konceptuella och mer realistiska verkar vara metoden att sjösätta rymdfarkoster med hjälp av speciella kraftfulla lastbärande lufttraktorer.
Vem sa att Virgin Galactics metod bara kunde användas för rymdturism? Företaget planerar att använda sin LauncherOne-enhet som transportsystem för att lansera kompakta satelliter som väger upp till 100 kilogram i jordens omloppsbana. Med tanke på hastigheten med vilken rymdsystem miniatyriseras nu är idén mycket intressant.
Andra exempel på ett lanseringssystem är rymdskeppet XCOR Aerospace Lynx Mark III (bilden ovan) och rymdskeppet Orbital Sciences Pegasus II (bild nedan).
En av fördelarna med rymdutskott från luftrummet är att raketer inte behöver resa genom en mycket tät atmosfär. Som ett resultat kommer belastningen på själva enheten att minska. Dessutom är flygplanet mycket lättare att starta. Det är mindre mottagligt för atmosfäriska väderförändringar. I slutändan öppnar funktionen för sådana lanseringar fler möjligheter när det gäller den valda skalan.
Rymdplan är ett annat alternativ. Dessa återanvändbara flygplan kommer att likna den pensionerade skytteln och Buran, men till skillnad från det senare kommer de inte att kräva användning av stora lanseringsfordon för att starta i bana. Ett av de mest lovande och avancerade projekten i detta avseende är det brittiska rymdplanet British Skylon (bilden ovan) - ett enstegsplan för att komma in i bana. Rymdfarkostens jetmotor genereras av två luftstrålmotorer, som accelererar det till en hastighet som är 5 gånger högre än ljudets hastighet och lyfter den till en höjd av nästan 30 kilometer. Detta är emellertid endast 20 procent av den erforderliga hastigheten och höjden som krävs för rymdpromenaden, så rymdplanet kommer att växla till det så kallade "raketläget" efter att ha nått höjdtaket.
Tyvärr finns det fortfarande många tekniska svårigheter på väg till genomförandet av detta projekt som ännu inte har lösts. Exempelvis förväntas rymdplan möta en oplanerad förändring i deras stigningsbanan på grund av höga dynamiska tryck och extrema temperaturer som oundvikligen kommer att påverka de mest känsliga delarna av flygplanet. Med andra ord kan sådana rymdplan vara farliga.
Ett annat exempel på rymdplan som är under utveckling är Dream Chaser, utvecklad av Sierra Nevada Corporation för NASA: s flyg- byrå (bilden ovan).
Stationära och dynamiska transportsystem
Om inte flygmaskiner är enorma strukturer som stiger till otroliga höjder eller till och med rakt ut i rymden.
Till exempel föreslog Geoffrey Landis, en forskare och science fiction-författare idén att bygga ett jättetorn, vars topp skulle nå gränserna för jordens atmosfär. Beläget cirka 100 kilometer över jordens yta kan den användas som en lanseringsplattform för konventionella raketer. I denna höjd behöver raketer praktiskt taget inte ta itu med någon påverkan av jordens atmosfär.
Ett annat konstruktionsalternativ som väckt uppmärksamhet från många representanter för de vetenskapliga och pseudovetenskapliga samhällena är rymden hissen. Faktum är att denna idé går tillbaka till 1800-talet. Den moderna versionen föreslår att man sträcker en tung kabel till en höjd av 35 400 (som ligger utanför de flesta kommunikationssatelliter), kilometer över jordens yta. Efter att ha genomfört all nödvändig balansering på kabeln föreslås det att man startar upp transportfordon som arbetar med laserdrag med en last.
Illustration av en rymdshiss på Mars
Idén om rymdhissar har verkligen potentialen att skapa en verklig revolution inom rymdtransporter till jordbana nära jorden. Men det kommer att vara mycket svårt att översätta denna idé till verkliga livet. Det kommer att ta lång tid innan forskare skapar ett material som kan stödja vikten av en sådan struktur. Alternativen som behandlas är nu kolananorör, eller snarare strukturer baserade på mikroskopiska diamantinterlacementer med ultratunna nanofibrer. Men även om vi hittar ett sätt att bygga en rymdhiss kommer det inte att lösa alla problem. Farliga vibrationer, intensiva vibrationer, kollisioner med satelliter och rymdavfall är bara några av de uppgifter som måste hanteras.
Ett annat föreslaget alternativ är jätte- "svänghjul". Svänghjul roterar satelliter med långa kablar som avviker i två olika riktningar, vars ändar kommer i kontakt med planetens atmosfär under rotation. I detta fall kommer strukturens rotationshastighet helt eller delvis att kompensera för omloppshastigheten.
Orions armportal förklarar hur de fungerar:
”På den nedre delen av kabeln, belägen nära en planet på jordens storlek, kommer det att finnas en dockningsplattform på en höjd av 100-300 kilometer över ytan (medan kabellängden från svänghjulets centrum är flera tusen kilometer). Denna höjd valdes eftersom här effekten av atmosfären på "svänghjulet" själv kommer att minimeras, liksom gravitationsförlusterna för dockningsbussarna kommer att minimeras. Dockning kommer att ske i mycket låga hastigheter för både svänghjulet självt och dockningsbussen, vanligtvis vid toppen av den paraboliska suborbitalbanan som startar fordonet. I detta fall är skytteln relativt rörlig i förhållande till "svänghjulet" och kan fångas av en speciell krok och sedan dras till dockningslåset eller landningsplattformen. För korrekt placering i omloppsbana använder "svänghjulen" thrusterar."
Eftersom svänghjulen kommer att ligga helt i rymden, inte förankrade till jorden, kommer de inte att behöva uppleva samma fysiska påkänning som rymden hiss, så denna idé kan i slutändan visa sig vara mer livskraftig.
När det gäller dynamiska strukturer beskriver Popular Mechanics minst två huvudalternativ:
”Strukturer som” rymdfontänen”och” Lofströmslingan”kommer att bibehålla sin strukturella integritet på grund av elektrodynamiska effekter eller impulser som rör rörliga delar inuti dem, liksom last och passagerare som går in i bana. Rotovatorer verkar vara ett mer intressant koncept. Denna idé föreslår konstruktion av en stor omloppskonstruktion med en kedja som roterar i banans plan så att vid cirkeln närmast jorden är hastigheten för slutet av kedjan i förhållande till centrum motsatt omloppshastigheten. Således kan kabeln, som passerar det minsta, plocka upp det önskade objektet, som har en hastighet som är lägre än den första kosmiska, och släppa den vid punkten för maximalt avstånd med en hastighet som redan är större än den första kosmiska."
Det kommer att se ut som "GIF"
Ett annat alternativ till rymdkabeln och hissen är ett vertikalt uppblåsbart torn som kan växa 20-200 kilometer i höjd. Den design som föreslås av Brendan Quinn och hans kollegor kommer att uppföras på toppen av berget och är perfekt för atmosfärisk forskning, installation av TV- och radiokommunikationsutrustning, rymdskepp och turism. Tornet själv kommer att skapas på grundval av flera pneumatiska externt styrda glidpartier.
”Att välja ett torn hjälper till att undvika problemen med rymdhissen. Det handlar om styrkan hos ett byggnadsmaterial som är lämpligt att arbeta i rymden, svårigheten att producera en kabel som är minst 50 000 kilometer lång och hantera meteorithotet i låg jordbana, säger forskarna som föreslog tornets design.
För att testa sin idé byggde de en 7-meters tornmodell med sex moduler som var och en baserades på tre rör installerade runt ett cylindriskt fack fyllt med luft.
Intressant nog kan en liknande teknik användas vid konstruktionen av "rymdbryggan" som föreslagits av John Storrs Hall. Enligt detta koncept föreslås det att bygga en struktur som är 100 kilometer hög och 300 kilometer lång. Med denna inställning kommer hissen att röra sig direkt till startpunkten. Själva lanseringen av nyttolasten i omloppsbana kommer att ske med en acceleration på bara 10 g.
”Detta hybridalternativ ignorerar nackdelarna med de föreslagna alternativen med ett orbitaltorn (storleken på piren är mycket mindre, därför är det lättare att bygga) och svårigheterna som måste möta elektromagnetiska lanseringar (luftens täthet och motstånd på en höjd av 100 kilometer är en miljon gånger mindre än på nivån hav), säger Hall.
Katapult-system
Om alla de föreslagna idéerna för den genomsnittliga läsaren kan verka ganska science fiction, är följande följande mycket närmare verkligheten än de kan verka vid första anblicken. Ett annat alternativ till raketutskott är katapult-system, där rymdfarkoster kommer att lanseras i rymden som en kanon.
Det är ganska uppenbart att i detta fall själva belastningen måste utformas för påverkan av extrema krafter. Men katapult-system kan bli ett riktigt effektivt verktyg för att skicka en nyttolast ut i rymden, där det kommer att plockas upp av rymdskepp som finns där.
Katapult-system kan delas in i tre huvudtyper: elektriska, kemiska och mekaniska.
Elektrisk
Denna typ inkluderar järnvägsvapen eller elektromagnetiska katapulter som fungerar enligt principen om elektromagnetiska acceleratorer. Under lanseringen kommer rymdskeppet att placeras på speciella styrskenor och accelereras kraftigt med ett magnetfält. I detta fall är accelerationskraften tillräcklig för att föra anordningen ur jordens atmosfär.
Men designfunktionen för sådana system kommer att göra dem mycket massiva och dyra att bygga. Dessutom kommer sådana system att konsumera en enorm mängd el. Trots sin kraft kommer elektromagnetiska katapulter fortfarande att behöva möta vissa problem förknippade med tyngdkraften och jordens täta atmosfär. Om de används är det mer troligt på planeter med lägre tyngdkraft och en sällsynt atmosfär.
Kemisk
Den föreslår att objekt släpps ut i rymden med stora vapen som drivs av en brännbar gas som väte Men som med alla utkastssystem kommer lasten som sänds ut i rymden att uppleva ökade belastningar under lanseringen. Dessutom kan sådana system inte användas för att skicka människor ut i rymden. Dessutom skulle ytterligare utrustning behöva användas som möjliggör sjösättning av last, såsom kompakta satelliter, till permanent bana. Annars kommer det lanserade objektet, efter att ha fått högsta höjd, helt enkelt falla tillbaka till Jorden.
HARP-projekt (High Altitude Research Project). Denna kanon avfyrade en rakettprojektil från Martlet-2 till en höjd av 180 kilometer. Rekordet hålls fortfarande
Den logiska utvecklingen av HARP-projektet var SHARP-projektet (Super High Altitude Research Project). På 90-talet av förra seklet genomförde forskare från Lawrence Livermore Lab en demonstration av lanseringen av projektiler med en hastighet av 3 kilometer per sekund (dock inte i höjd, men på marken). I slutändan kom forskarna till slutsatsen att byggandet av ett verkligt fungerande prov av ett sådant vapen skulle kräva minst 1 miljard dollar. Bilden förtjockades också av att forskarna inte lyckades uppnå den planerade projektilhastigheten på 7 kilometer per sekund.
Mekanisk
Mekaniska kanoner kan fungera som ett alternativ till elektromagnetiska och kemiska kanoner. Det är riktigt inte helt korrekt att kalla sådana systemvapen. Snarare är det en slags slangbella. Ett exempel är HyperV Technologies Corp.s Slingatron-projekt. Själva systemet är en spiral ihålig struktur inuti. Ett föremål placerat inuti spiralen accelereras genom att rotera hela strukturen runt en fast punkt.
I teorin kan slingatronen ge den nödvändiga accelerationen. Men som utvecklarna själva påpekar är systemet inte lämpligt för att starta människor och stora laster i omloppsbana. Men den här metoden kan användas för att skicka små laster ut i rymden, till exempel vattenförsörjning, bränsle och byggnadsmaterial.
En vy i full storlek på slingatronen skulle se ut så här
Hur kommer framtiden verkligen att vara?
Det är extremt svårt att förutsäga vad svaret på denna fråga kommer att bli. Oväntade tekniska upptäckter och effekterna som skapas av dem kan leda till att alla alternativ för raketlösa rymdutskott som beaktas idag kommer att vara i nivå med effektiviteten. Nu är detta inte fallet, vilket åtminstone framgår av jämförelsetabellen här.
Ta potentialen för molekylär monteringsteknik som ett exempel. När vi behärskar detta område behöver vi inte längre lansera något i rymden. Vi kommer helt enkelt att fånga asteroider i solsystemet och skapa från dem (eller snarare användbara material som finns i dem) vad vi vill ha rätt i rymden. Det mest intressanta är att framsteg i denna riktning redan är synliga idag. Till exempel behövde NASA-astronauten Barry Wilmore en gång en kompakt justerbar skiftnyckel. Det verkar, vad är problemet - åka till närmaste verktygsbutik? Endast den närmaste verktygsbutiken vid den tiden var inte bredvid Wilmore, eftersom astronauten var ombord på den internationella rymdstationen!NASA kom ut ur situationen graciöst - den skickade ett e-postmeddelande till ISS ett diagram över den nödvändiga nyckeln och erbjöd Wilmore att skriva ut den själv på en 3D-skrivare ombord. Detta är bara ett exempel som visar att vi på en relativt kort tid inte behöver släppa ut något i rymden alls. Allt skapas redan på plats.
När det gäller de resurser du behöver kommer detta inte heller att vara ett problem. Asteroidbältet är fullt av nödvändigt material: dess volym är nästan halva massan av vår måne. En dag kommer vi att dra slutsatsen att en hel svärm av "Philae" -liknande rymdprober helt enkelt kommer att landa på nästa asteroid eller meteorit och producera mineralresurser på dem. NASA vill genomföra det första sådana uppdraget 2020. Det är planerat att fånga en liten asteroid, lägga den i en stabil månbana och där för att landa astronauter på den, som kan studera rymdkullstenen och till och med samla intressanta prover av dess jord.
Att få människor ut i rymden är ett annat problem, särskilt när du tänker på att det i framtiden finns planer på att flytta till massförsändning av människor till rymden. Några av de föreslagna idéerna, som rymdhissen, kan faktiskt fungera. Men bara om vi inte talar om erövring av djupa rymden. Därför måste vi i denna fråga lita på traditionella raketuppskott under lång tid. Deras idéer uttalas redan både på statlig nivå och i den privata sfären. Ta igen samma Elon Musk med sitt Mars-koloniseringsprojekt.
Vi måste också ta hänsyn till det faktum att människokroppen inte riktigt är utformad för en mycket lång vistelse i rymden. Därför kan robotar bli en partiell lösning på detta problem tills vi kommer till effektiv teknik som gör det möjligt att skapa konstgjord tyngdkraft. Roboter kan skickas ut i rymden och fjärrstyras från jorden med hjälp av förstärkt eller virtuell verklighet.
Roboter har en verklig chans att vara nyckeln till att starta vår djupa rymdutforskning. Det är mycket möjligt att vi i en mer avlägsen framtid kommer att lära oss att digitalisera våra hjärnor och överföra denna information till superdatorer ombord på avlägsna rymdstationer, där den kommer att laddas i en mängd olika robotavatarer, som vi kommer att bana väg till de avlägsna gränserna i rymden.
NIKOLAY KHIZHNYAK