Gennem det tyvende århundrede skrev science fiction-forfattere meget og talentfuldt om udforskning af rummet. Heltene fra "Chius" gav menneskeheden rigdommen ved Uranium Golconda, piloten Pirks arbejdede som kaptajn på rumtørskibe, ledercontainerbærere og bulkskibe gik rundt i solsystemet, og jeg taler ikke om nogen mystik om rejser til mystiske monolitter.
Imidlertid har det 21. århundrede ikke levet op til forventningerne. Mennesket står frygtsomt i gangen i Kosmos og kommer ikke ud permanent ud over jordens bane. Hvorfor skete det, og hvad skal jeg håbe for dem, der gerne vil læse i nyhederne om at øge udbyttet af martian æbletræer?
Ingen violinist nødvendig
Det første paradoks, vi stødte på, er at mennesker ikke er det mest egnede emne til udforskning af rummet. Science fiction-forfattere, der kom op med rumekspeditioner, kunne kun stole på den historiske oplevelse fra jordens pionerer - søfarende, polfarere, de første flyvere. Faktisk, hvordan ville erobringen af Mars afvige fra erobringen af Sydpolen?
Og her og der er miljøet uegnet til liv uden indledende forberedelse, du skal have forsyninger med dig, og du kan ikke gå uden for skibet eller hjemmet uden at sætte specielt udstyr på. Men science fiction-forfattere og futurister kunne ikke forudsige udviklingen af elektronik og robotik, og robotforskere blev normalt beskrevet på en anekdotisk måde:
”Jeg måtte se væk fra brevet i en halv time og lytte til klager fra min nabo, cybernetiker Shcherbakov. Du ved sandsynligvis, at et storslået underjordisk uran- og transuranidforarbejdningsanlæg er under opførelse nord for raketkasteren. Folk arbejder seks skift. Robotter - døgnet rundt; vidunderlige maskiner, det sidste ord inden for praktisk cybernetik. Men som japanerne siger, falder aben også fra træet. Nu kom Shcherbakov til mig, vred som djævelen, og sagde, at en bande af disse mekaniske idioter (hans egne ord) stjal et af de store malmdepoter i aften og forvekslede det naturligvis som et usædvanligt rigt depositum. Robotterne havde forskellige programmer, så om morgenen endte en del af lageret i raketkastets lagre, del - ved indgangen til den geologiske afdeling, og en del af det var generelt ukendt hvor. Søgningen fortsætter."
Salgsfremmende video:
Men ingen af de berømte forfattere gættede, at en robot i rumforskning har mange fordele i forhold til en person:
I modsætning til et menneske har en robot kun brug for kraft og termisk balance. Det er ikke nødvendigt at have titusinder af drivhuse, mad, vand, ilt, tøj og hygiejneprodukter, medicin og andre ting med sig.
Robotten kan sendes en vej uden at vende tilbage.
Robotten er i stand til at arbejde i årevis. Erfaringerne fra Voyagers, Mars Rovers eller Cassini antyder, at det nu er mere korrekt at tale ikke om år, men årtier.
Robotten er i stand til at arbejde i årevis under forhold, der er fatale for mennesker. Galileo-sonden modtog en dosis 25 gange højere end den dødelige dosis for mennesker og arbejdede derefter i kredsløb i 8 år.
Som et resultat viste det sig, at kun robotter, der vejer flere tons, passer ind i menneskehedens tekniske kapacitet til at sende dem til andre planeter for rimelige penge og blev den eneste måde at tilfredsstille videnskabelig nysgerrighed og få smukke fotografier.
Vi lever i en logistisk kurve
Den anden fejltagelse fra science fiction-forfattere var, at de forudsagde en lineær eller endda eksponentiel udvikling af astronautik. Selvom der i 1838 blev opdaget et sådant fænomen som den logistiske kurve. Hvad er dette forfærdelige dyr? Tag luftfartshistorik som et eksempel:
1900-tallet. De første klodsede reoler, de første poster - flyvninger i flere kilometer med en passager.
1910. De første spejdere, krigere, bombefly, post- og passagerfly.
1920-1930'erne. Mestring af flyrejser om natten, de første transkontinentale flyrejser.
1940'erne. Luftfart er en seriøs militær- og transportstyrke.
1950'erne. Jetmotorer giver en ny drivkraft til luftfartsudviklingen - nye hastigheder, områder og højder og endnu flere passagerer.
1960-70'erne. Det første supersoniske og brede karosserifly, luftfart er mere overkommeligt.
1980-90'erne. Bremsning. Udvikling bliver dyrere og dyrere, udviklingsfirmaer forener sig i gigantiske virksomheder. Og flyene ligner mere og mere hinanden.
2000'erne. Begrænse. De to giganter, Boeing og Airbus, fremstiller udadtil identiske maskiner, og supersoniske passagerfly er helt udslettet.
Hvis du oversætter disse præstationer til tal, får du følgende billede:
I astronautik er situationen nøjagtig den samme:
For klarhedens skyld kan S-kurve-grafen overlejres med en graf over omkostninger for at nå dette niveau:
Og tristheden ved vores "i dag" er, at vi i astronautik med eksisterende teknologier er tæt på mætningsniveauet. Teknisk set kan du flyve i en bemandet version til Månen og endda Mars, men på en eller anden måde er det en skam for penge.
Sæt KC - du får tyngdekraften
Det næste triste aspekt, der bremser dashen ud i rummet, er at der endnu ikke er opdaget noget meget værdifuldt, for hvilket det er værd at bruge penge på udforskning af rummet ud over Jordens bane. Bemærk, at der er mange kommercielle satellitter i kredsløb omkring jorden - kommunikation, TV og Internettet, meteorologiske, kartografiske. Og de har alle håndgribelige, monetære fordele. Og hvad er brugen af en bemandet mission til månen? Her er den officielle liste over resultaterne af det amerikanske måneprogram til en værdi af cirka 170 milliarder dollars (i 2005-priser):
Månen er ikke et primært objekt, det er en jordbaseret planet med dens udvikling og indre struktur, der ligner Jorden.
Månen er gammel og holder historien om de første milliardårs udvikling af de jordbaserede planeter.
De yngste måneklipper er omtrent på samme alder som de ældste jordklipper. Spor af de tidligste processer og begivenheder, der kan have påvirket Månen og Jorden, findes nu kun på Månen.
Månen og Jorden er genetisk beslægtede og dannet af forskellige proportioner af et fælles sæt af materialer.
Månen er livløs og indeholder ingen levende organismer eller lokalt organisk materiale.
Månestene stammer fra højtemperaturprocesser uden deltagelse af vand. De er klassificeret i tre typer: basalter, anorthositter og breccias.
For længe siden blev månen smeltet til en stor dybde og dannede et magmahav. Lunar Mountains indeholder rester af tidlige klipper med lav densitet, der flød på overfladen af dette hav.
Magmahavet blev dannet af en række enorme asteroideeffekter, der dannede puljer fyldt med lavastrømme.
Månen er noget asymmetrisk, muligvis på grund af jordens indflydelse.
Månens overflade er dækket af stenstykker og støv. Dette kaldes månens regolit og indeholder Solens unikke strålingshistorie, som er vigtig for forståelsen af klimaændringer på Jorden.
Det hele er meget interessant (ingen vittigheder), men al denne viden har en uoprettelig ulempe - du kan ikke sprede det på brød, hælde det i en gastank eller bygge et hus ud af det. Hvis et bestemt "elerium", "tiberium" eller andet shishdostanium blev opdaget i det store rum, som kunne bruges som:
Omkostningseffektiv energikilde.
En integreret del af produktionen af noget værdifuldt og nyttigt.
Mad / medicin / vitamin af fundamentalt ny kvalitet.
En luksusartikel eller kilde til fornøjelse.
Hvis det kun voksede på Mars eller i asteroidebæltet (og ikke blev gengivet på Jorden) og kun kunne udvindes af mennesker (så den listige menneskehed ikke ville sende billigere og mere uhøjtidelige robotter), ville det være bemandet rumforskning, der ville få et uvurderligt incitament. Og i fravær af ham, i et pessimistisk scenario i 2020'erne, kan menneskeheden miste en permanent tilstedeværelse selv i kredsløb omkring jorden - på baggrund af internationale samarbejdspotte, der er brudt af politikere, kan skatteydere spørge: "Hvorfor har vi brug for en ny station efter ISS?"
Forbandelsen af Tsiolkovsky-formlen
Her er det, kosmonautikens nemesis:
Her:
V er rakets endelige hastighed.
I - specifik motorimpuls (hvor mange sekunder motoren på 1 kilo brændstof kan skabe fremdrift 1 Newton)
M1 er den første masse af raketten.
M2 er den sidste masse af raketten.
V i tilfælde af fulde tanke vil være den karakteristiske hastighedsmargen, dvs. den hastighedsmargen, som vi om nødvendigt kan accelerere / decelerere med. Dette kaldes også delta-V margenen (delta står for ændring, dvs. det er margenen for hastighedsændringen).
Hvad er problemet her? Lad os tage et kort over de krævede hastighedsændringer for solsystemet:
Lad os forestille os nu, at vi vil flyve til Mars og tilbage. Dette vil beløbe sig til:
9400 m / s - start fra Jorden.
3210 m / s - forlader jordens bane.
1060 m / s - aflytning af Mars.
0 m / s - ind i Mars 'lave bane (hvid trekant betyder muligheden for at bremse mod atmosfæren).
0 m / s - lander på Mars (vi sænker atmosfæren).
3800 m / s - start fra Mars.
1440 m / s - acceleration fra Mars bane.
1060 m / s - Jordaflytning.
0 m / s - ind i en lav jordbane (vi sænker tempoet mod atmosfæren).
0 m / s - lander på Jorden (vi sænker atmosfæren).
Resultatet er en smuk figur på 19970 m / s, som vi afrunder op til 20.000 m / s. Lad vores raket være ideel, og brændstofmængden påvirker ikke dens masse på nogen måde (tanke, rørledninger vejer intet). Lad os prøve at beregne afhængigheden af rakettens startmasse af den endelige masse og specifikke impuls. Transformering af Tsiolkovsky-formlen får vi:
M1 = eV / I * M2
Lad os bruge den gratis matematiske pakke Scilab. Vi tager den endelige masse i intervallet 10-1000 tons, den specifikke impuls vil variere fra 2000 m / s (kemiske motorer på hydrazin) til 200.000 m / s (teoretisk skøn over den maksimale impuls af den elektriske fremdrivningsmotor i dag). Jeg må med det samme sige, at der for den maksimale masse og den minimale impuls vil være en meget stor værdi (22 millioner tons), så displayskalaen bliver logaritmisk.
[m2 I] = meshnet (10: 50: 1000, 2000: 5000: 200000);
m1 = log (eksp (20000 * I. ^ - 1). * m2);
surf (m2, I, m1)
Denne smukke graf er faktisk en visuel dom for kemiske motorer. Dette er ikke nyt - på kemiske motorer, som praksis viser perfekt, kan du normalt starte små sonder, men selv at flyve til månen med et besætning er allerede noget vanskeligt.
Lad os lette vores forhold. Lad os antage, at vi starter fra jordens bane, og i stedet for 20 km / s har vi brug for 10. For det andet afskærer vi "halen" af ineffektive kemiske motorer og indstiller minimumsværdien på I til 4400 m / s (AI for Space Shuttle-brintmotoren RS-25):
[m2 I] = meshnet (10: 50: 1000.4400: 5000: 200000);
m1 = log (eksp (10000 * I. ^ - 1). * m2);
surf (m2, I, m1)
Logaritmisk skala:
Lineær skala:
Lad os give op fuldstændigt fra kemiske motorer. NERVA-nukleare motor havde en AI på 9000 sekunder. Lad os genberegne:
[m2 I] = meshnet (10: 50: 1000.9000: 5000: 200000);
m1 = exp (10000 * I. ^ - 1). * m2;
surf (m2, I, m1)
Lineær skala:
Hvorfor gentager jeg disse monotone grafer? Faktum er, at det flade område, der er betegnet som "grund til optimisme", viser, at når motorer med en AI på mere end 50.000 m / s vises, vil det blive muligt at flyve mere eller mindre tolerabelt uden skibe med en startmasse på millioner af tons inden i solsystemet. Og de elektriske fremdrivningsmotorer, som allerede eksisterer, har et ID på 25000-30000 m / s (for eksempel SPD 2300).
Det er dog nødvendigt at forstå, at årsagen til optimisme er meget tilbageholdende. For det første skal disse tusinder af tons leveres til jordens bane (hvilket er ekstremt vanskeligt). For det andet har de eksisterende elektriske fremdrivningsmotorer et lille tryk, og for at accelerere med en passende acceleration er det nødvendigt at installere multi-megawatt-reaktorer.
Lad os bygge en anden interessant graf. Fortæl os den endelige masse - 1000 tons. Lad os konstruere afhængigheden af den oprindelige masse af den specifikke impuls og den endelige hastighed:
[VI] = meshnet (10000: 2000: 100000,50000: 5000: 200000);
m1 = exp (V. * (I. ^ - 1)) * 1000;
surf (V, I, m1)
Denne graf er interessant, fordi den på en måde er et kig ind i menneskehedens fjernere fremtid. Hvis vi ønsker en behagelig og hurtig flyvning over solsystemet, bliver vi nødt til at gå en størrelsesorden højere for at mestre den specifikke impuls - vi har brug for motorer med et ID på flere hundrede tusind meter pr. Sekund.
Der er ingen fisk her
Menneskeheden er kendetegnet ved list og opfindsomhed. Derfor er mange ideer opfundet for at lette adgangen til rummet. En af de vigtigste parametre, der karakteriserer den barriere, som vi vil springe over, er omkostningerne ved at sætte et kilo i kredsløb. I henhold til forskellige estimater (denne kolonne er blevet fjernet fra Wiki, her for eksempel en anden kilde) for forskellige affyringsbiler, ligger denne pris i intervallet $ 4000 - $ 13000 pr. Kg for jordbund. Hvad forsøgte du at finde på for at gøre det lettere, lettere og billigere at komme i det mindste i jorden?
Genanvendelige systemer. Historisk set har denne idé allerede fejlet en gang i Space Shuttle-programmet. Nu gør Elon Musk dette og planlægger at plante den første fase. Jeg vil gerne ønske ham held og lykke, men baseret på den tidligere fiasko tror jeg ikke, at dette vil være et kvalitativt gennembrud. I bedste fald vil omkostningerne falde med et par procent.
Single Stage to Orbit. Hun gik ikke ud over projekterne på trods af gentagne forsøg.
Luftstart. Der er et vellykket projekt for en lille nyttelast, men skalerer ikke for tunge belastninger.
Raketløs rumskydning. Mange projekter er blevet opfundet, men alle har en fatal ulempe - der kræves astronomiske investeringer, som ikke kan "genskabes" uden fuldstændig afslutning af projektet. Indtil rumelevatoren, springvandet eller massedriveren er fuldt bygget og lanceret, er der ingen fortjeneste ved det.
End hjertet vil falde til ro
Hvordan kan du muntre op efter disse triste refleksioner? Jeg har to argumenter - det ene abstrakte og fundamentalt, det andet mere specifikt.
For det første er fremskridt som helhed ikke en S-kurve, men mange af dem, hvilket danner netop et så optimistisk billede:
I luftfartens historie kan man for eksempel skelne mellem:
Og helt sikkert er du og jeg på et lignende tidspunkt i udviklingen af astronautik. Ja, nu er der en vis stagnation, og endda en tilbagevenden er mulig, men menneskeheden med hovederne på sine bedste repræsentanter bryder igennem muren af viden, og et eller andet sted, der endnu ikke er bemærket, bryder skuddene fra en ny fremtid igennem.
Det andet argument er nyheden om udviklingen af en atomreaktor til transport- og energimodulet, som går uden meget besvær:
De seneste nyheder om dette projekt var om sommeren - den første TVEL blev samlet. Arbejdet, omend uden regelmæssig omtale, foregår naturligvis, og man kan håbe på, at der i de kommende år fremkommer et fundamentalt nyt apparat - en nuklear slæbebåd med en elektrisk fremdrivningsmotor.
P. S
Disse er noget upassende tanker, lad os kalde dem den første iteration. Jeg vil gerne have feedback - måske savnede jeg noget eller definerede fænomenets betydning forkert. Hvem ved, måske efter behandling af feedback får du et mere sammenhængende koncept eller kommer med noget interessant?
Avor: lozga
