Under hela 1900-talet skrev science fiction-författare mycket och begåvat om rymdutforskning. Hjältarna från "Chius" gav mänskligheten rikedomarna i Uranium Golconda, piloten Pirx arbetade som kapten på rymdtorrfartyg, ledarcontainerbärare och bulkbärare gick runt solsystemet, och jag talar inte om någon mystik om att resa till mystiska monoliter.
Men 2000-talet har inte levt upp till förväntningarna. Mänskligheten står blygsamt i korridoren i kosmos och kommer inte ut på permanent basis bortom jordens bana. Varför hände det och vad kan jag hoppas för dem som vill läsa i nyheterna om att öka avkastningen på Mars äppelträd?
Ingen violinist behövs
Den första paradoxen vi stötte på är att människor inte är det lämpligaste ämnet för utforskning av rymden. Science fiction-författare som kom med rymdekspeditioner kunde bara förlita sig på den historiska upplevelsen från jordens pionjärer - sjöfolk, polfarare, de första flygarna. I själva verket, hur skulle erövringen av Mars skilja sig från erövringen av sydpolen?
Och här och där är miljön olämplig för livet utan förberedelser, du måste ha med dig förnödenheter och du kan inte gå utanför fartyget eller hemma utan att ta på dig specialutrustning. Men science fiction-författare och futurister kunde inte förutsäga utvecklingen av elektronik och robotik, och robotforskare beskrivs vanligtvis på ett anekdotiskt sätt:
”Jag var tvungen att se bort från brevet i en halvtimme och lyssna på klagomålen från min granne, cybernetist Shcherbakov. Du vet förmodligen att en underjordisk underjordisk uran- och transuranidbearbetningsanläggning är under uppbyggnad norr om raketkastaren. Människor arbetar sex skift. Robotar - dygnet runt; underbara maskiner, det sista ordet i praktisk cybernetik. Men som japanerna säger, faller också apan från trädet. Nu kom Shcherbakov till mig, arg som djävulen, och sa att ett gäng av dessa mekaniska idioter (hans egna ord) stal en av de stora malmdepåerna i kväll och misstog det uppenbarligen för en ovanligt rik insättning. Robotarna hade olika program, så på morgonen hamnade en del av lagret i raketkastarens lager, en del vid ingången till den geologiska avdelningen, och en del av det var i allmänhet okänt var. Sökningen fortsätter."
Kampanjvideo:
Men ingen av de kända författarna gissade att en robot i rymdutforskning har många fördelar framför en person:
Till skillnad från en människa behöver en robot bara kraft och termisk balans. Det finns inget behov av att släpa tiotals ton växthus, mat, vatten, syre, kläder och hygienprodukter, läkemedel och andra saker.
Roboten kan skickas en väg utan att återvända.
Roboten kan arbeta i flera år. Erfarenheterna från Voyagers, Mars Rovers eller Cassini tyder på att det nu är mer korrekt att inte tala om år utan årtionden.
Roboten kan arbeta i flera år under förhållanden som är dödliga för människor. Galileo-sonden fick en dos 25 gånger högre än den dödliga dosen för människor och efter det fungerade den i omlopp i 8 år.
Som ett resultat visade det sig att endast robotar som väger flera ton passar in i mänsklighetens tekniska förmåga att skicka dem till andra planeter för rimliga pengar och blev det enda sättet att tillfredsställa vetenskaplig nyfikenhet och få vackra fotografier.
Vi lever i en logistisk kurva
Det andra misstaget från science fiction-författare var att de förutspådde linjär eller till och med exponentiell utveckling av astronautik. Även om 1838 upptäcktes ett sådant fenomen som den logistiska kurvan. Vad är detta hemska odjur? Ta flyghistoriken som ett exempel:
1900-talet. De första klumpiga bokhyllorna, de första skivorna - flygningar i flera kilometer med en passagerare.
1910. De första scouterna, kämparna, bombplanen, post- och passagerarflygplan.
1920-1930-talet. Behärskar flygningar på natten, de första transkontinentala flygningarna.
1940-talet. Flyg är en allvarlig militär- och transportstyrka.
1950-talet. Jetmotorer ger en ny drivkraft för luftfartsutvecklingen - nya hastigheter, intervall och höjder, ännu fler passagerare.
1960-70-talet. Det första överljuds- och passagerarplanet med bred kropp, luftfarten är billigare.
1980-90-talet. Bromsning. Utveckling blir allt dyrare, utvecklingsföretag förenas i gigantiska företag. Och flygplanen liknar varandra mer och mer.
2000-talet. Begränsa. De två jättarna, Boeing och Airbus, tillverkar utåt identiska maskiner och supersoniska passagerarflygplan har dött ut helt.
Om du översätter dessa prestationer till siffror får du följande bild:
I astronautik är situationen exakt densamma:
För tydlighetens skull kan S-kurvdiagrammet överlagras med ett diagram över kostnader för att uppnå denna nivå:
Och sorg i vår "idag" är att vi i astronautik med befintlig teknik är nära mättnadsnivån. Tekniskt sett kan du flyga i en bemannad version till månen och till och med till Mars, men på något sätt är det synd för pengarna.
Sätt KC - du får allvar
Nästa sorgliga aspekt, sakta ner strecket i rymden, är att något mycket värdefullt ännu inte har upptäckts, för vilket det är värt att spendera pengar på rymdutforskning bortom jordens bana. Observera att det finns många kommersiella satelliter i omloppsbana med låg jord - kommunikation, TV och Internet, meteorologiska, kartografiska. Och de har alla konkreta, monetära fördelar. Och vad är nyttan av ett bemannat uppdrag till månen? Här är den officiella listan över resultaten av det amerikanska månprogrammet värt cirka 170 miljarder dollar (i 2005-priser):
Månen är inte ett primärt objekt, det är en markbunden planet, med sin utveckling och inre struktur, som liknar jorden.
Månen är forntida och håller historien om de första miljarder årens utveckling av de markbundna planeterna.
De yngsta månstenarna är ungefär lika gamla som de äldsta jordiska klipporna. Spår av de tidigaste processerna och händelserna som kan ha påverkat månen och jorden finns nu bara på månen.
Månen och jorden är genetiskt besläktade och bildas av olika proportioner av en gemensam uppsättning material.
Månen är livlös och innehåller inga levande organismer eller lokalt organiskt material.
Månstenar härstammar från högtemperaturprocesser utan deltagande av vatten. De klassificeras i tre typer: basalter, anortositer och breccias.
För länge sedan smälte månen till ett stort djup och bildade ett hav av magma. Lunarbergen innehåller rester av tidiga stenar med låg densitet som flöt på ytan av detta hav.
Magmahavet bildades av en serie enorma asteroidpåverkan som bildade bassänger fyllda med lavaströmmar.
Månen är något asymmetrisk, möjligen på grund av jordens inflytande.
Månytan är täckt med stenbitar och damm. Detta kallas månregolit och innehåller solens unika strålande historia, vilket är viktigt för att förstå klimatförändringar på jorden.
Allt detta är väldigt intressant (inga skämt), men all denna kunskap har en irreparabel nackdel - du kan inte sprida det på bröd, hälla det i en bensintank eller bygga ett hus ur det. Om ett visst "elerium", "tiberium" eller annat shishdostanium upptäcktes i rymdens stora yta, som skulle kunna användas som:
Kostnadseffektiv energikälla.
En integrerad del av produktionen av något värdefullt och användbart.
Mat / medicin / vitamin av grundläggande ny kvalitet.
En lyxartikel eller källa till nöje.
Om det bara växte på Mars eller i asteroidbältet (och inte reproducerades på jorden) och bara kunde brytas av människor (så att listig mänsklighet inte skulle skicka billigare och mer opretentiösa robotar), skulle det vara bemannad rymdutforskning som skulle få ett ovärderligt incitament. Och i frånvaro av honom, i ett pessimistiskt scenario under 2020-talet, kan mänskligheten förlora en permanent närvaro även i omloppsbana nära jorden - mot bakgrund av internationella samarbetspottar som bryts av politiker, kan skattebetalarna fråga: "Varför behöver vi en ny station efter ISS?"
Förbannelsen av Tsiolkovsky-formeln
Här är det, kosmonautikens nemesis:
Här:
V är rakets sluthastighet.
I - specifik impuls från motorn (hur många sekunder motorn på 1 kilo bränsle kan skapa kraft 1 Newton)
M1 är raketens initiala massa.
M2 är rakets slutliga massa.
V för fallet med fulla tankar kommer att vara den karakteristiska hastighetsmarginalen, dvs. den hastighetsmarginal som vi kan accelerera / retardera vid behov. Detta kallas också delta-V-marginalen (delta står för förändring, det vill säga det är marginalen för hastighetsförändringen)
Vad är problemet här? Låt oss ta en karta över de hastighetsförändringar som krävs för solsystemet:
Låt oss föreställa oss nu att vi vill flyga till Mars och tillbaka. Detta kommer att uppgå till:
9400 m / s - starta från jorden.
3210 m / s - lämnar jordens omlopp.
1060 m / s - avlyssning av Mars.
0 m / s - in i Mars låga bana (vit triangel betyder möjligheten att bromsa mot atmosfären).
0 m / s - landar på Mars (vi saktar ner atmosfären).
3800 m / s - start från Mars.
1440 m / s - acceleration från Mars-banan.
1060 m / s - Jordavlyssning.
0 m / s - in i en låg jordbana (vi saktar ner mot atmosfären).
0 m / s - landar på jorden (vi saktar ner atmosfären).
Resultatet är en vacker siffra på 19970 m / s, som vi rundar upp till 20 000 m / s. Låt vår raket vara perfekt, och volymen bränsle påverkar inte dess massa på något sätt (tankar, rörledningar väger ingenting). Låt oss försöka beräkna beroendet av raketens initiala massa på den slutliga massan och den specifika impulsen. Omvandla Tsiolkovsky-formeln får vi:
M1 = eV / I * M2
Låt oss använda det gratis matematiska paketet Scilab. Vi tar den slutliga massan i intervallet 10-1000 ton, den specifika impulsen varierar från 2000 m / s (kemiska motorer på hydrazin) till 200 000 m / s (teoretisk uppskattning av den maximala impulsen för den elektriska framdrivningsmotorn idag). Jag måste genast säga att för maximal massa och minsta impuls kommer det att finnas ett mycket stort värde (22 miljoner ton), så skärmskalan blir logaritmisk.
[m2 I] = nät (10: 50: 1000, 2000: 5000: 200000);
m1 = logg (exp (20000 * I. ^ - 1). * m2);
surfa (m2, I, m1)
Denna vackra graf är faktiskt en visuell dom för kemiska motorer. Det här är inte nyheter - på kemiska motorer, som praktiken visar perfekt, kan du normalt starta små sonder, men även att flyga till månen med ett besättning är redan något svårt.
Låt oss underlätta våra förhållanden. Låt oss först anta att vi börjar från jordens omlopp, och i stället för 20 km / s behöver vi 10. För det andra skär vi av "svansen" för ineffektiva kemiska motorer och ställer in minimivärdet I till 4400 m / s (AI för Space Shuttle-vätemotorn RS-25):
[m2 I] = nätnät (10: 50: 1000, 4400: 5000: 200000);
m1 = logg (exp (10000 * I. ^ - 1). * m2);
surfa (m2, I, m1)
Logaritmisk skala:
Linjär skala:
Låt oss ge upp helt från kemiska motorer. NERVA-kärnkraftsmotorn hade en AI på 9000 sekunder. Låt oss räkna om:
[m2 I] = nät (10: 50: 1000.9000: 5000: 200000);
m1 = exp (10000 * I. ^ - 1). * m2;
surfa (m2, I, m1)
Linjär skala:
Varför upprepar jag dessa monotona grafer? Faktum är att det plana området som betecknas som "anledning till optimism" visar att när motorer med en AI på mer än 50 000 m / s kommer att bli möjligt att flyga mer eller mindre tolererbart utan fartyg med en startmassa på miljoner ton i solsystemet. Och de elektriska framdrivningsmotorerna, som redan finns, har ett ID på 25000-30000 m / s (till exempel SPD 2300).
Det är dock nödvändigt att förstå att anledningen till optimism är mycket återhållsam. Först måste dessa tusentals ton levereras till jordens omlopp (vilket är extremt svårt). För det andra har de befintliga elektriska framdrivningsmotorerna en liten dragkraft, och för att accelerera med en lämplig acceleration är det nödvändigt att installera reaktorer med flera megawatt.
Låt oss bygga en annan intressant graf. Låt oss veta den slutliga massan - 1000 ton. Låt oss konstruera den ursprungliga massans beroende av den specifika impulsen och den slutliga hastigheten:
[VI] = nätnät (10000: 2000: 100000,50000: 5000: 200000);
m1 = exp (V. * (I. ^ - 1)) * 1000;
surfa (V, I, m1)
Denna graf är intressant genom att den på sätt och vis är en titt på mänsklighetens mer avlägsna framtid. Om vi vill ha en bekväm och snabb flygning över solsystemet, måste vi gå en storleksordning högre för att bemästra den specifika impulsen - vi behöver motorer med ett ID på flera hundra tusen meter per sekund.
Det finns ingen fisk här
Mänskligheten kännetecknas av list och uppfinningsrikedom. Därför har många idéer uppfunnits för att underlätta tillgången till rymden. En av de viktigaste parametrarna som kännetecknar barriären som vi vill hoppa över är kostnaden för att sätta ett kilo i omlopp. Nu, enligt olika uppskattningar (den här kolumnen har tagits bort från Wiki, här, till exempel en annan källa) för olika lanseringsfordon, ligger detta pris i intervallet $ 4000 - $ 13000 per kilogram för låg jordbana. Vad försökte du komma på för att göra det lättare, lättare och billigare att komma åtminstone i en jordbana?
Återanvändbara system. Historiskt har denna idé redan misslyckats en gång i rymdfärjeprogrammet. Nu gör Elon Musk detta och planerar att plantera den första etappen. Jag vill önska honom all framgång, men baserat på det tidigare misslyckandet tror jag inte att detta kommer att bli ett kvalitativt genombrott. I bästa fall kommer kostnaden att sjunka med några procent.
Single Stage to Orbit. Hon gick inte utöver projekten, trots upprepade försök.
Luftstart. Det finns ett framgångsrikt projekt för en liten nyttolast, men skalas inte för tunga laster.
Raketlös rymdlansering. Många projekt har uppfunnits, men alla har en ödesdigert nackdel - det krävs astronomiska investeringar som inte kan "återfångas" utan att projektet är klart. Tills rymdhissen, fontänen eller massföraren är helt byggd och lanserad finns det ingen vinst av det.
Än hjärtat kommer att lugna sig
Hur kan du muntra upp efter dessa sorgliga reflektioner? Jag har två argument - ett abstrakt och fundamentalt, det andra mer specifikt.
För det första är framsteg som helhet inte en S-kurva, utan många av dem, vilket bildar en så optimistisk bild:
I luftfartens historia kan man urskilja, till exempel:
Och vi står helt klart vid en liknande punkt i kosmonautikens utveckling. Ja, nu finns det viss stagnation, och till och med en återgång är möjlig, men mänskligheten, med sina bästa representants huvuden, bryter igenom kunskapens mur och någonstans, som ännu inte märkt, skjuter en ny framtids skott.
Det andra argumentet är nyheterna om utvecklingen av en kärnreaktor för transport- och energimodulen, som går utan mycket krångel:
De senaste nyheterna om detta projekt var på sommaren - den första TVEL samlades. Arbetet, om än utan regelbunden publicitet, pågår uppenbarligen, och man kan hoppas på att de grundläggande nya apparaterna kommer att se ut de närmaste åren - en nukleär bogserbåt med en elektrisk framdrivningsmotor.
P. S
Det här är något oroliga tankar, låt oss kalla dem den första iterationen. Jag skulle vilja få feedback - kanske saknade jag något eller felaktigt definierade fenomenets betydelse. Vem vet, kanske efter att ha bearbetat feedbacken kommer du att få ett mer sammanhängande koncept eller komma på något intressant?
Avor: lozga