Gjennom det tjuende århundre skrev science fiction-forfattere mye og talentfullt om romforskning. Heltene til "Chius" ga menneskeheten rikdommen til Uranium Golconda, piloten Pirx jobbet som kaptein på romtørrlastskip, ledercontainerbærere og bulkbærere gikk rundt solsystemet, og jeg snakker ikke om all mystikken ved å reise til mystiske monolitter.
Det 21. århundre har imidlertid ikke levd opp til forventningene. Menneskeheten står frygtsomt i gangen til Kosmos og kommer ikke ut permanent utover jordens bane. Hvorfor skjedde det, og hva kan jeg håpe for de som vil lese i nyhetene om å øke utbyttet av martian epletrær?
Ingen fiolinist nødvendig
Det første paradokset vi møtte er at mennesker ikke er det mest egnede emnet for romforskning. Science fiction-forfattere som kom med romekspedisjoner, kunne bare stole på den historiske opplevelsen til jordens pionerer - sjøfolk, polfarere, de første flygerne. Faktisk, hvordan ville erobringen av Mars skille seg fra erobringen av Sydpolen?
Og her og der er miljøet uegnet for livet uten forberedelse, du må ta med forsyninger, og du kan ikke gå utenfor skipet eller hjem uten å ta på deg spesialutstyr. Men science fiction-forfattere og futurister kunne ikke forutsi utviklingen av elektronikk og robotikk, og robotforskere ble vanligvis beskrevet på en anekdotisk måte:
“Jeg måtte se bort fra brevet i en halv time og lytte til klager fra nabo, nettnettist Shcherbakov. Du vet sikkert at et storslått underjordisk prosessanlegg for uran og transuranid er under bygging nord for rakettkasteren. Folk jobber seks skift. Roboter - døgnet rundt; fantastiske maskiner, det siste ordet i praktisk kybernetikk. Men som japanerne sier, faller apen også fra treet. Nå kom Shcherbakov til meg, sint som djevelen, og sa at en gjeng av disse mekaniske idiotene (hans egne ord) stjal et av de store malmdepotene i kveld, og mistok det åpenbart som et uvanlig rikt innskudd. Robotene hadde forskjellige programmer, så om morgenen havnet en del av lageret i lagrene til rakettkasteren, delvis - ved inngangen til den geologiske avdelingen, og en del av det var generelt ukjent hvor. Søket fortsetter."
Kampanjevideo:
Men ingen av de berømte forfatterne gjettet at en robot i romforskning har mange fordeler fremfor en person:
I motsetning til et menneske trenger en robot bare kraft og termisk balanse. Det er ikke nødvendig å ha med seg titalls tonn drivhus, mat, vann, oksygen, klær og hygieneprodukter, medisiner og andre ting.
Roboten kan sendes en vei, uten å returnere.
Roboten er i stand til å jobbe i årevis. Erfaringen fra Voyagers, Mars Rovers eller Cassini antyder at det nå er mer riktig å snakke ikke om år, men tiår.
Roboten er i stand til å jobbe i årevis under forhold som er dødelige for mennesker. Galileo-sonden mottok en dose 25 ganger høyere enn den dødelige dosen for mennesker, og arbeidet deretter i bane i 8 år.
Som et resultat viste det seg at bare roboter som veier flere tonn, passer inn i menneskehetens tekniske evner for å sende dem til andre planeter for rimelige penger, og ble den eneste måten å tilfredsstille vitenskapelig nysgjerrighet og få vakre fotografier.
Vi lever i en logistisk kurve
Den andre feilen fra science fiction-forfattere var at de forutsa lineær eller eksponentiell utvikling av astronautikk. Selv om det i 1838 ble oppdaget et slikt fenomen som den logistiske kurven. Hva er dette forferdelige dyret? Ta flyhistorikk som et eksempel:
1900-tallet. De første klønete bokhyllene, de første postene - flyreiser i flere kilometer med en passasjer.
1910. De første speidere, krigere, bombefly, post- og passasjerfly.
1920-1930-årene. Mestring av flyreiser om natten, de første transkontinentale flyvningene.
1940-tallet. Luftfart er en seriøs militær- og transportstyrke.
1950-tallet. Jetmotorer gir ny drivkraft til luftfartsutviklingen - nye hastigheter, rekkevidder og høyder, og enda flere passasjerer.
1960-70-tallet. Det første supersoniske passasjerflyet med bred kropp og luftfart er billigere.
1980-90-tallet. Bremsing. Utvikling blir dyrere og dyrere, utviklingsselskaper forener seg i gigantiske selskaper. Og flyene ligner mer og mer på hverandre.
2000-tallet. Grense. De to gigantene, Boeing og Airbus, lager utad identiske maskiner, og supersoniske passasjerfly har dødd ut helt.
Hvis du oversetter disse prestasjonene til tall, får du følgende bilde:
I astronautikk er situasjonen nøyaktig den samme:
For klarhetens skyld kan S-kurvediagrammet overlegges med en graf over kostnadene for å oppnå dette nivået:
Og tristheten til vår "i dag" er at i astronautikk med eksisterende teknologi er vi nær metningsnivået. Teknisk sett kan du fly i en bemannet versjon til Månen og til og med Mars, men på en eller annen måte er det synd for pengene.
Sett KC - du vil få tyngdekraften
Det neste triste aspektet, som bremser dashen ut i rommet, er at det ennå ikke er oppdaget noe veldig verdifullt, som det er verdt å bruke penger på romforskning utover jordens bane. Vær oppmerksom på at det er mange kommersielle satellitter i bane nær jorda - kommunikasjon, TV og Internett, meteorologiske, kartografiske. Og de har alle håndgripelige, økonomiske fordeler. Og hva er bruken av et bemannet oppdrag til månen? Her er den offisielle listen over resultatene av det amerikanske måneprogrammet til en verdi av cirka 170 milliarder dollar (i 2005-priser):
Månen er ikke et primært objekt, det er en jordbasert planet, med dens evolusjon og indre struktur, lik jorden.
Månen er eldgammel og holder historien om de første milliardårene av evolusjon av de jordiske planetene.
De yngste månesteinene er omtrent like gamle som de eldste jordsteinene. Spor av de tidligste prosessene og hendelsene som kan ha påvirket Månen og Jorden finnes nå bare på Månen.
Månen og jorden er genetisk relatert og dannet av forskjellige proporsjoner av et vanlig sett med materialer.
Månen er livløs og inneholder ingen levende organismer eller lokalt organisk materiale.
Månebjerner stammer fra høytemperaturprosesser uten vann. De er klassifisert i tre typer: basalter, anortositter og breccias.
For lenge siden ble månen smeltet til en stor dybde og dannet et hav av magma. Lunar Mountains inneholder rester av tidlige bergarter med lav tetthet som fløt på overflaten av dette havet.
Magmahavet ble dannet av en serie med store asteroideeffekter som dannet bassenger fylt med lavastrømmer.
Månen er noe asymmetrisk, muligens på grunn av jordens innflytelse.
Månens overflate er dekket av steinstykker og støv. Dette kalles lunar regolith og inneholder solens unike strålingshistorie, som er viktig for å forstå klimaendringene på jorden.
Alt dette er veldig interessant (ingen vitser), men all denne kunnskapen har en uopprettelig ulempe - du kan ikke spre den på brød, heller den i en bensintank eller bygge et hus ut av det. Hvis et visst "elerium", "tiberium" eller annet shishdostanium ble oppdaget i det store rommet, som kunne brukes som:
Kostnadseffektiv energikilde.
En integrert del av produksjonen av noe verdifullt og nyttig.
Mat / medisin / vitamin av grunnleggende ny kvalitet.
En luksuriøs gjenstand eller kilde til glede.
Hvis den også bare vokste på Mars eller i asteroidebeltet (og ikke ble reprodusert på jorden) og bare kunne utvinnes av mennesker (slik at slu menneskehet ikke ville sende billigere og mer upretensiøse roboter), ville det være bemannet romutforskning som ville få et uvurderlig incitament. Og i fravær av ham, i et pessimistisk scenario på 2020-tallet, kan menneskeheten miste en permanent tilstedeværelse selv i bane nær jorden - på bakgrunn av internasjonale samarbeidspotter som er brutt av politikere, kan skattebetalere spørre: "Hvorfor trenger vi en ny stasjon etter ISS?"
Forbannelsen av Tsiolkovsky-formelen
Her er det, nemesis av kosmonautikk:
Her:
V er den endelige hastigheten til raketten.
I - spesifikk motorimpuls (hvor mange sekunder motoren på 1 kilo drivstoff kan skape kraft 1 Newton)
M1 er den første massen til raketten.
M2 er rakettens endelige masse.
V for tilfeller av fulle tanker vil være den karakteristiske fartsmarginen, dvs. hastighetsmargenen som vi kan akselerere / bremse om nødvendig. Dette kalles også delta-V-marginen (delta står for endring, dvs. det er margin for endring i hastighet).
Hva er problemet her? La oss ta et kart over de nødvendige hastighetsendringene for solsystemet:
La oss forestille oss nå at vi vil fly til Mars og tilbake. Dette vil utgjøre:
9400 m / s - start fra jorden.
3210 m / s - forlater jordens bane.
1060 m / s - avskjæring av Mars.
0 m / s - inn i Mars 'lave bane (hvit trekant betyr muligheten for å bremse mot atmosfæren).
0 m / s - landing på Mars (vi bremser ned på atmosfæren).
3800 m / s - start fra Mars.
1440 m / s - akselerasjon fra Mars bane.
1060 m / s - Jordavskjæring.
0 m / s - inn i en lav bane rundt jorden (vi bremser opp mot atmosfæren).
0 m / s - lander på jorden (vi reduserer atmosfæren).
Resultatet er en vakker figur på 19970 m / s, som vi runder opp til 20.000 m / s. La raketten vår være ideell, og drivstoffvolumet påvirker ikke massen på noen måte (tanker, rørledninger veier ingenting). La oss prøve å beregne avhengigheten av rakettens innledende masse av den endelige massen og den spesifikke impulsen. Ved å transformere Tsiolkovsky-formelen får vi:
M1 = eV / I * M2
La oss bruke den gratis matematiske pakken Scilab. Vi tar den endelige massen i området 10-1000 tonn, den spesifikke impulsen vil variere fra 2000 m / s (kjemiske motorer på hydrazin) til 200 000 m / s (teoretisk estimat for den maksimale impulsen til den elektriske fremdriftsmotoren i dag). Jeg må si med en gang at for maksimal masse og minimum impuls vil det være en veldig stor verdi (22 millioner tonn), så skjermskalaen vil være logaritmisk.
[m2 I] = meshgrid (10: 50: 1000,2000: 5000: 200000);
m1 = logg (exp (20000 * I. ^ - 1). * m2);
surfe (m2, I, m1)
Denne vakre grafen er faktisk en visuell dom for kjemiske motorer. Dette er ikke nyheter - på kjemiske motorer, som praksis perfekt viser, kan du normalt starte små sonder, men til og med å fly til månen med et mannskap er allerede noe vanskelig.
La oss lette forholdene våre. La oss først anta at vi starter fra jordens bane, og i stedet for 20 km / s trenger vi 10. For det andre kutter vi “halen” av ineffektive kjemiske motorer, og setter minimumsverdien fra I til 4400 m / s (AI for Space Shuttle-hydrogenmotoren. RS-25):
[m2 I] = meshgrid (10: 50: 1000,4400: 5000: 200000);
m1 = logg (exp (10000 * I. ^ - 1). * m2);
surfe (m2, I, m1)
Logaritmisk skala:
Lineær skala:
Vi vil gi opp helt fra kjemiske motorer. NERVA-kjernemotoren hadde en AI på 9000 sekunder. La oss beregne på nytt:
[m2 I] = meshgrid (10: 50: 1000.9000: 5000: 200000);
m1 = exp (10000 * I. ^ - 1). * m2;
surfe (m2, I, m1)
Lineær skala:
Hvorfor gjentar jeg disse ensformige grafene? Faktum er at det flate området som er betegnet som "grunn til optimisme" viser at når motorer med en AI på mer enn 50.000 m / s dukker opp, vil det bli mulig å fly mer eller mindre tålelig uten skip med en startmasse på millioner av tonn i solsystemet. Og de elektriske fremdriftsmotorene, som allerede eksisterer, har en ID på 25000-30000 m / s (for eksempel SPD 2300).
Det må imidlertid forstås at årsaken til optimisme er veldig tilbakeholden. For det første må disse tusenvis av tonn leveres til jordens bane (og dette er ekstremt vanskelig). For det andre har de eksisterende elektriske fremdriftsmotorene et lite trykk, og for å akselerere med en passende akselerasjon, må multi-megawatt reaktorer installeres.
La oss bygge en annen interessant graf. Gi oss beskjed om den endelige massen - 1000 tonn. La oss konstruere avhengigheten til den opprinnelige massen av den spesifikke impulsen og den endelige hastigheten:
[VI] = meshgrid (10000: 2000: 100000.50000: 5000: 200000);
m1 = exp (V. * (I. ^ - 1)) * 1000;
surfe (V, I, m1)
Denne grafen er interessant ved at den på sett og vis er et blikk inn i menneskehetens fjernere fremtid. Hvis vi ønsker en behagelig og rask flytur over solsystemet, må vi gå en størrelsesorden høyere for å mestre den spesifikke impulsen - vi trenger motorer med en ID på flere hundre tusen meter per sekund.
Det er ingen fisk her
Menneskeheten preges av list og oppfinnsomhet. Derfor er mange ideer oppfunnet for å lette tilgangen til rommet. En av de viktigste parametrene som kjennetegner barrieren som vi ønsker å hoppe over, er kostnaden for å sette et kilo i bane. Nå, ifølge forskjellige estimater (denne kolonnen er fjernet fra Wiki, her, for eksempel en annen kilde) for forskjellige bæreraketter, ligger denne prisen i området $ 4000 - $ 13000 per kilogram for lav jordbane. Hva prøvde du å finne på for å gjøre det lettere, enklere og billigere å komme i det minste i bane rundt jorden?
Gjenbrukbare systemer. Historisk har denne ideen allerede mislyktes en gang i Space Shuttle-programmet. Nå gjør Elon Musk dette og planlegger å plante den første fasen. Jeg ønsker å ønske ham lykke til, men basert på tidligere svikt tror jeg ikke dette vil være et kvalitativt gjennombrudd. I beste fall vil kostnadene falle med noen prosent.
Single Stage to Orbit. Hun gikk ikke utover prosjektene, til tross for gjentatte forsøk.
Luftstart. Det er et vellykket prosjekt for en liten nyttelast, men skalerer ikke for tung last.
Rakettfri romoppskyting. Mange prosjekter er oppfunnet, men alle har en fatal feil - det kreves astronomiske investeringer, som ikke kan "gjenfanges" uten fullført prosjekt. Inntil romheisen, fontenen eller massedriveren er ferdig bygget og lansert, er det ingen fortjeneste fra det.
Enn hjertet vil roe seg
Hvordan kan du muntre opp etter disse triste refleksjonene? Jeg har to argumenter - en abstrakt og grunnleggende, den andre mer spesifikk.
For det første er fremgang som helhet ikke en S-kurve, men mange av dem, som danner et så optimistisk bilde:
I luftfartens historie kan man skille for eksempel:
Og helt sikkert er du og jeg på et lignende punkt i utviklingen av astronautikk. Ja, nå er det en viss stagnasjon, og til og med en tilbakevending er mulig, men menneskeheten, med hodene til sine beste representanter, bryter gjennom veggen av kunnskap, og et sted, ennå ikke lagt merke til, skyter en ny fremtid seg gjennom.
Det andre argumentet er nyheten om utviklingen av en atomreaktor for transportenergimodulen, som går uten mye oppstyr:
De siste nyhetene om dette prosjektet var om sommeren - den første TVEL ble samlet. Arbeid, om enn uten regelmessig publisitet, pågår tydeligvis, og man kan håpe på utseendet i de kommende årene av et fundamentalt nytt apparat - en atombåt med elektrisk fremdriftsmotor.
P. S
Dette er litt upassende tanker, la oss kalle dem den første iterasjonen. Jeg vil gjerne få tilbakemelding - kanskje jeg savnet noe eller feil definert fenomenets betydning. Hvem vet, kanskje etter å ha behandlet tilbakemeldingen, vil du få et mer sammenhengende konsept eller komme med noe interessant?
Avor: lozga
