At håndtere tyngdekraften i rumlanceringer er ikke en let opgave. Konventionelle raketter er meget dyre, genererer en masse affald og er i praksis meget farlige. Heldigvis står videnskaben ikke stille, og der vises flere og flere alternative måder, der lover os mere effektive, billigere og sikrere måder at erobre det ydre rum. I dag vil vi tale om, hvordan menneskeheden vil flyve ud i rummet i fremtiden.
Men inden du starter, skal det påpeges, at kemiske jetmotorer (CRM), som nu bruges som grundlag for alle rumlanceringer, er et kritisk værktøj til udvikling af rumfartssektoren, så deres anvendelse vil fortsætte i mere end et dusin år, indtil der er fundet og vigtigst af alt gentagne gange testet en teknologi, der er i stand til at give en smertefri overgang til et grundlæggende nyt niveau af pladslanceringer og -flyvninger.
Men allerede nu, når udgifterne til lanceringer kan andrage flere hundrede millioner dollars, bliver det klart, at HRD er en blindgyde. Tag det nyeste Space Launch System som et eksempel. Det er dette system, der betragtes af NASAs luftfartsagentur som grundlaget for udforskning af dybe rum. Eksperter har beregnet, at omkostningerne ved en lancering af SLS vil være omkring $ 500 millioner. Nu hvor plads ikke blot er blevet et spørgsmål om stater, men også private virksomheder, er der begyndt at tilbyde billigere alternativer. For eksempel vil SpaceX's Falcon Heavy koste omkring 83 millioner dollars at lancere. Men det er stadig meget, meget dyrt. Og vi berører endnu ikke spørgsmålet om miljøvenlighed ved rumlanceringer baseret på CRD, som uden tvivl forårsager betydelig skade på miljøet.
Den gode nyhed er, at forskere og ingeniører allerede foreslår alternative måder og metoder til rumlansering, og nogle af dem har potentialet til at blive effektive teknologier i de næste årtier. Alle disse alternativer kan sammenfattes under flere kategorier: alternative typer jet-lanceringer, stationære og dynamiske transportsystemer og udsprøjtningssystemer. Naturligvis forener de ikke alle de foreslåede ideer, men i denne artikel analyserer vi de mest lovende.
Alternative typer jet-lanceringer
Laser jet træk
Plasma flow omdirigering for at øge tryk
Salgsfremmende video:
De missiler, der er i brug i dag, kræver enorme mængder faste eller flydende drivstoffer, og oftest begrænses deres rækkevidde og effektivitet af, hvor meget af det brændstof de kan bære. Der er dog en mulighed, der vil overvinde disse begrænsninger i fremtiden. Løsningen kan være specielle laserinstallationer, der sender raketter ud i rummet.
De russiske fysikere Yuri Rezunkov fra Instituttet for udvikling af optoelektroniske instrumenter og Alexander Schmidt fra Ioffe Physicotechnical Institute beskrev for nylig processen med "laserablation", ifølge hvilken et flys kraft ville blive genereret ved hjælp af laserstråling genereret af en laseranordning uden for rumfartøjet. Som et resultat af udsættelse for denne stråling vil materialet på den modtagende overflade blive brændt, og der oprettes en plasma-strøm. Denne strøm vil tilvejebringe den nødvendige drivkraft, der er i stand til at fremskynde rumfartøjet til hastigheder, der er flere gange større end lydhastigheden.
Hvis vi udelader al den fantastiske karakter af denne metode, inden vi opretter et sådant system, vil det være nødvendigt at løse to problemer: laseren i dette tilfælde skal være utroligt kraftig. Så kraftig, at det bogstaveligt kan fordampe metal over en afstand på flere hundrede kilometer. Derfor et andet problem - denne laser kan bruges som et våben til at ødelægge andre rumfartøjer.
Stratosfæriske lanceringer og rumfly
Mindre konceptuel og mere realistisk ser ud til at være metoden til at opsætte rumfartøjer ved hjælp af specielle kraftfulde lastbærende luft traktorer.
Hvem sagde, at Virgin Galactics metode kun kunne bruges til rumsturisme? Virksomheden planlægger at bruge sin LauncherOne-enhed som et transportsystem til at lancere kompakte satellitter, der vejer op til 100 kg i Jordens bane. I betragtning af den hastighed, hvormed rumsystemer miniaturiseres nu, er ideen meget interessant.
Andre eksempler på et lanceringssystem er rumfartøjet XCOR Aerospace Lynx Mark III (afbildet ovenfor) og rumfartøjet Orbital Sciences Pegasus II (vist nedenfor).
En af fordelene ved rumudskydning fra luftrummet er, at raketter ikke behøver at rejse gennem en meget tæt atmosfære. Som et resultat vil belastningen på selve enheden falde. Derudover er flyet meget lettere at starte. Det er mindre modtageligt for atmosfæriske vejrændringer. I sidste ende åbner funktionen ved sådanne lanceringer flere muligheder med hensyn til den skala, der kan vælges.
Rumfly er en anden mulighed. Disse genanvendelige fly vil svare til den pensionerede shuttle og Buran, men i modsætning til sidstnævnte vil de ikke kræve anvendelse af store lanceringsbiler til opsætning i bane. Et af de mest lovende og avancerede projekter i denne henseende er det britiske rumflyvemaskine British Skylon (afbildet ovenfor) - et enkelttrinsfly for at komme ind i kredsløb. Rumfartøjets jetkraft genereres af to luft-jet-motorer, der accelererer det til en hastighed, der er 5 gange højere end lydens hastighed og løfter det til en højde af næsten 30 kilometer. Dette er dog kun 20 procent af den krævede hastighed og højde, der kræves til rumvandring, så rumplanet skifter til den såkaldte "rakettilstand" efter at have nået højden til loftet.
Desværre er der stadig mange teknologiske vanskeligheder på vej til gennemførelsen af dette projekt, som endnu ikke er løst. For eksempel forventes rumflyvninger at møde en ikke-planlagt ændring i deres opstigningsbane på grund af høje dynamiske tryk og ekstreme temperaturer, hvilket uundgåeligt vil påvirke de mest følsomme dele af flyet. Med andre ord kan sådanne rumfly være farlige.
Et andet eksempel på rumfly under udvikling er Dream Chaser, udviklet af Sierra Nevada Corporation til NASAs luftfartsagentur (afbildet ovenfor).
Stationære og dynamiske transportsystemer
Hvis ikke flyvende maskiner, er enorme strukturer, der stiger til utrolige højder eller endda lige ud i rummet, løsningen.
F.eks. Foreslog Geoffrey Landis, en videnskabsmand og science fiction-forfatter, ideen om at bygge et kæmpe tårn, hvis top ville nå grænserne for jordens atmosfære. Placeret omkring 100 kilometer over jordoverfladen kan den bruges som en opstartsplatform for konventionelle raketter. I denne højde behøver raketter praktisk taget ikke at tackle nogen påvirkning af jordens atmosfære.
En anden konstruktionsmulighed, der har tiltrukket sig opmærksomheden fra mange repræsentanter for de videnskabelige og pseudovidenskabelige samfund, er rumheisen. Faktisk stammer denne idé tilbage til det 19. århundrede. Den moderne version foreslår at strække et kraftigt kabel til en højde af 35.400 (hvilket er ud over placeringen af de fleste kommunikationssatellitter) kilometer over jordoverfladen. Efter at have gennemført al den nødvendige afbalancering på kablet, foreslås det at starte transportkøretøjer, der kører på lasertraktion, med en belastning.
Illustration af en rumslift på Mars
Ideen om rumhevninger har faktisk potentialet til at skabe en reel revolution inden for rumtransport til jordbane nær jord. Men det vil være meget vanskeligt at oversætte denne idé til det virkelige liv. Det vil tage lang tid, før forskere opretter et materiale, der kan understøtte vægten af en sådan struktur. De muligheder, der overvejes, er nu carbon nanorør, eller rettere sagt strukturer baseret på mikroskopiske diamantforbindelser med ultratynde nanofibre. Men selv hvis vi finder en måde at opbygge en rumslift, løser den ikke alle problemer. Farlige vibrationer, intense vibrationer, sammenstød med satellitter og rumrester er blot nogle af de opgaver, der skal håndteres.
Et andet foreslået alternativ er kæmpe "orbital svinghjul". Svinghjul roterer satellitter med lange kabler, der divergerer i to forskellige retninger, hvis ender kommer i kontakt med planetens atmosfære under rotation. I dette tilfælde kompenserer rotationshastigheden for strukturen delvist eller fuldstændigt for orbitalhastigheden.
Orions armportal forklarer, hvordan de fungerer:
”På den nederste del af kablet, der ligger i nærheden af en planet på størrelse med Jorden, vil der være en dockingplatform placeret i en højde af 100-300 kilometer over overfladen (mens længden af kablerne fra midten af svinghjulet vil være flere tusinde kilometer). Denne højde blev valgt, fordi her effekten af atmosfæren på selve "svinghjulet" vil blive minimeret, såvel som tyngdekraften i dockingskanalerne vil blive minimeret. Docking vil forekomme i meget lave hastigheder for både svinghjulet selv og dockingbussen, normalt på toppen af den paraboliske suborbitale bane, der er indstillet af startkøretøjet. I dette tilfælde vil rumfærgen være relativt bevægelig i forhold til "svinghjulet" og kan fanges af en speciel krok og derefter trækkes til dockinglåsen eller landingsplatformen. For korrekt placering i bane bruger "svinghjulene" thrustere."
Da svinghjulene vil være placeret helt i rummet, ikke fastgjort til jorden, bliver de ikke nødt til at opleve den samme fysiske stress som rumhissen, så denne idé kan i sidste ende vise sig at være mere levedygtig.
Når det kommer til dynamiske strukturer, beskriver Popular Mechanics mindst to hovedindstillinger:
“Strukturer som” rumfontenen”og” Lofstrøm's sløjfe”vil bevare deres strukturelle integritet på grund af de elektrodynamiske effekter eller impulser, der bevæger dele inde i dem, såvel som last og passagerer, der går i bane. Rotovatorer ser ud til at være et mere interessant koncept. Denne idé foreslår konstruktion af en stor orbitalstruktur med en tether, der roterer i planet for banen, således at hastigheden af slutningen af tetheren i forhold til midten på modsat side af orbitalhastigheden på cirkelens nærmeste jord. Således kan kablet, der passerer minimum, afhente det ønskede objekt, som har en hastighed, der er lavere end den første kosmiske, og frigøre det på det punkt, hvor den maksimale afstand er med en hastighed, der allerede er større end den første kosmiske.”
Det vil ligne "gif"
Et andet alternativ til rumkablet og elevatoren er et lodret oppusteligt tårn, der kan vokse 20-200 kilometer i højden. Designet foreslået af Brendan Quinn og hans kolleger opføres på toppen af bjerget og vil være perfekt til atmosfærisk forskning, installation af fjernsyns- og radiokommunikationsudstyr, rumfartøjsindsprøjtninger og turisme. Selve tårnet oprettes på basis af adskillige pneumatiske, udvendigt kontrollerede glidesektioner.
”At vælge et tårn vil hjælpe med at undgå de problemer, der er forbundet med rum elevatoren. Det handler om styrken af et byggemateriale, der er egnet til arbejde i rummet, vanskeligheden med at fremstille et kabel, der er mindst 50.000 kilometer langt og tackle meteorittruslen i en lav jordbane,”sagde forskerne, der foreslog tårndesignet.
For at teste deres idé byggede de en 7-meters model af tårnet med seks moduler, som hver var baseret på tre rør installeret omkring et cylindrisk rum fyldt med luft.
Interessant nok kan en lignende teknologi bruges i konstruktionen af "rumbryggen" foreslået af John Storrs Hall. I henhold til dette koncept foreslås det at opføre en struktur, der er 100 kilometer høj og 300 kilometer lang. Med denne opsætning bevæger elevatoren sig direkte til startpunktet. Selve lanceringen af nyttelasten i kredsløb vil ske med en acceleration på kun 10 g.
”Denne hybridmulighed ignorerer ulemperne ved de foreslåede muligheder med et orbital tårn (størrelsen på molen er meget mindre, derfor er det lettere at bygge), og de vanskeligheder, der skal stilles over for elektromagnetiske udskytninger (luftens densitet og modstand i en 100 km højde er en million gange mindre end på niveauet hav),”siger Hall.
Catapult-systemer
Hvis alle de foreslåede ideer til den gennemsnitlige læser kan virke fuldstændig science fiction, er de følgende meget langt tættere på virkeligheden, end de ser ud ved første øjekast. Et andet alternativ til raketfyringer er katapult-systemer, hvor rumfartøjer vil blive lanceret i rummet som en kanon.
Det er helt åbenlyst, at i dette tilfælde selve lasten skal være designet til påvirkning af ekstreme kræfter. Imidlertid kan katapult-systemer blive et rigtig effektivt værktøj til at sende en nyttelast ud i rummet, hvor den bliver afhentet af rumfartøjer, der er placeret der.
Katapult-systemer kan opdeles i tre hovedtyper: elektriske, kemiske og mekaniske.
Elektrisk
Denne type inkluderer jernbanevåben eller elektromagnetiske katapulter, der fungerer efter princippet om elektromagnetiske acceleratorer. Under lanceringen placeres rumfartøjet på specielle føringsskinner og accelereres kraftigt ved hjælp af et magnetfelt. I dette tilfælde vil accelerationskraften være tilstrækkelig til at bringe anordningen ud af jordens atmosfære.
Imidlertid vil designfunktionen i sådanne systemer gøre dem meget massive og dyre at bygge. Derudover vil sådanne systemer forbruge en enorm mængde elektricitet. På trods af deres magt vil elektromagnetiske katapulter stadig skulle stå over for nogle af de problemer, der er forbundet med tyngdekraften og Jordens tætte atmosfære. Hvis de bruges, er det mere sandsynligt på planeter med lavere tyngdekraft og en sjælden atmosfære.
Kemisk
Den foreslår, at der udsættes objekter i rummet ved hjælp af enorme kanoner, der er brændt af en brændbar gas som brint. Som med ethvert udkastssystem skal lasten, der sendes ud i rummet, dog opleve større belastninger under lanceringen. Derudover kan sådanne systemer ikke bruges til at sende mennesker ud i rummet. Derudover skulle der bruges ekstra udstyr, der tillader opsendelse af last, såsom kompakte satellitter, til permanent bane. Ellers vil det lancerede objekt efter at have opnået maksimal højde simpelthen falde tilbage til Jorden.
HARP-projekt (High Altitude Research Project). Denne kanon fyrede et Martlet-2-raketprojektil til en højde af 180 kilometer. Rekorden er stadig afholdt
Den logiske udvikling af HARP-projektet var SHARP-projektet (Super High Altitude Research Project). I 90'erne af forrige århundrede gennemførte forskere fra Lawrence Livermore Lab en demonstration af lanceringen af projektiler med en hastighed på 3 kilometer i sekundet (skønt ikke i højden, men på jorden). I sidste ende kom forskerne til den konklusion, at konstruktionen af en reel arbejdsprøve af et sådant våben ville kræve mindst 1 milliard dollars. Billedet blev også tykkere af, at forskerne ikke nåede den planlagte projektilhastighed på 7 kilometer i sekundet.
Mekanisk
Mekaniske kanoner kan fungere som et alternativ til elektromagnetiske og kemiske kanoner. Det er sandt, at det ikke er helt korrekt at kalde sådanne systempistoler. Det er snarere et slags slangebillede. Et eksempel er HyperV Technologies Corp.'s Slingatron-projekt. Selve systemet er en spiralformet hul struktur inde. Et objekt placeret inde i spiralen accelereres ved at dreje hele strukturen omkring et fast punkt.
I teorien er slingatronen i stand til at tilvejebringe den nødvendige acceleration. Som udviklerne selv påpeger, er systemet imidlertid ikke egnet til at lancere mennesker og store belastninger i kredsløb. Men denne metode kunne bruges til at sende små belastninger ud i rummet, såsom vandforsyning, brændstof og byggematerialer.
En fuld størrelse af slingatronen ser sådan ud
Hvordan vil fremtiden virkelig være?
Det er ekstremt vanskeligt at forudsige, hvad svaret på dette spørgsmål vil være. Uventede teknologiske opdagelser og de effekter, der er skabt af dem, kan føre til det faktum, at alle mulighederne for raketløse rumfyringer, der overvejes i dag, vil være på niveau med effektiviteten. Nu er dette ikke tilfældet, som i det mindste ses fra sammenligningstabellen her.
Tag potentialet i molekylær samlingsteknologi som et eksempel. Når vi mestrer dette område, behøver vi ikke længere at lancere noget i rummet. Vi vil simpelthen fange asteroider i solsystemet og skabe fra dem (eller rettere sagt de nyttige materialer, der er indeholdt i dem), hvad vi ønsker lige i rummet. Det mest interessante er, at fremskridt i denne retning allerede er synlig i dag. F.eks. Havde NASA-astronauten Barry Wilmore en gang brug for en kompakt justerbar skruenøgle. Det ser ud til, hvad er problemet - at gå til den nærmeste værktøjsbutik? Kun den nærmeste værktøjsbutik på det tidspunkt var ikke ved siden af Wilmore, da astronauten var ombord på den internationale rumstation!NASA kom grådigt ud af situationen - den sendte en e-mail til ISS et diagram over den krævede nøgle og tilbød Wilmore at udskrive den selv på en 3D-printer om bord. Dette er kun et eksempel, der viser, at vi på relativt kort tid ikke behøver at lancere noget i rummet overhovedet. Alt oprettes allerede på plads.
Hvad angår de nødvendige ressourcer, vil dette også ophøre med at være et problem. Asteroidebæltet er fuld af det nødvendige materiale: dens volumen er næsten halvdelen af vores månes masse. En dag vil vi komme til den konklusion, at en hel sverm af "Philae" -lignende rumsonder simpelthen vil lande på den næste asteroide eller meteorit og producere mineralressourcer på dem. NASA ønsker at udføre den første sådan mission i 2020. Det er planlagt at fange en lille asteroide, sætte den i en stabil månebane og der for at lande astronauter på den, der kan studere rummet brosten og endda indsamle interessante prøver af dens jord.
At få mennesker ud i rummet er et andet problem, især når du overvejer, at der i fremtiden er planer om at flytte til masseforsendelse af mennesker i rummet. Nogle af de foreslåede ideer, f.eks. Rumhejs, fungerer muligvis faktisk. Men kun hvis vi ikke taler om erobring af dybt rum. Derfor er vi nødt til at stole på traditionelle raketudskydninger i denne sag i lang tid. Deres ideer udtrykkes allerede både på statligt niveau og på den private sfære. Tag igen den samme Elon Musk med sit Mars-koloniseringsprojekt.
Vi må også tage hensyn til det faktum, at den menneskelige krop ikke rigtig er designet til et meget langt ophold i rummet. Indtil vi kommer til effektive teknologier, der tillader at skabe kunstig tyngdekraft, kan robotter derfor blive en delvis løsning på dette problem. Robotter kan sendes ud i rummet og fjernstyres fra Jorden ved hjælp af augmented eller virtual reality.
Robotter har en reel chance for at være nøglen til at starte vores dybe pladsudforskning. Det er meget muligt, at vi i en fjernere fremtid lærer, hvordan vi digitaliserer vores hjerner og overfører disse oplysninger til supercomputere om bord på fjerntliggende rumstationer, hvor de vil blive indlæst i alle slags robot-avatarer, som vi bane vores vej til fjerne rumgrænser.
NIKOLAY KHIZHNYAK
