11.06.2010 00:10
Американский космический корабль Dawn недавно установил новый рекорд набора скорости — 25,5 тысячи км/час, опередив своего главного конкурента — зонд Deep Space 1. Такое достижение стало возможным благодаря установленному на аппарате сверхмощному ионному двигателю. Однако, по мнению специалистов NASA, это еще далеко не предел его возможностей.
Скорость американского космического аппарата Dawn достигла 5 июня рекордной величины — 25,5 тысячи км/час. Однако, по мнению ученых, в ближайшее время скорость корабля доберется и до отметки в 100 тысяч км/час.
Таким образом, благодаря уникальному двигателю, Dawn обошел своего предшественника — зонд Deep Space 1, экспериментальный автоматический космический аппарат, запущенный 24 октября 1998 года ракетой-носителем. Правда, Deep Space 1 пока сохраняет за собой звание станции, двигатели которой работали дольше всего. Но опередить "конкурента" в этой категории Dawn может уже в августе.
Основной задачей космического корабля, запущенного три года назад, является изучение астероида 4 Веста, к которому аппарат приблизится в 2011 году, и карликовой планеты Церера. Ученые надеются получить максимально точные данные о форме, размерах, массе, минеральном и элементном составе этих объектов, расположенных между орбитами Юпитера и Марса. Общий путь, который предстоит преодолеть аппарату Dawn, составляет 4 миллиарда 800 миллионов километров.
Так как в космическом пространстве нет воздуха, разогнавшись, корабль продолжает двигаться с набранной скоростью. На Земле это невозможно из-за замедления при трении. Использование в условиях безвоздушного пространства ионных двигателей позволило ученым сделать процесс постепенного приращения скорости космического аппарата Dawn максимально эффективным.
Принцип работы инновационного двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. При этом, благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей. Таким образом, в двигателе можно достичь очень большого удельного импульса, что позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа (по сравнению с химической реакцией), но требует больших затрат энергии.
Три двигателя аппарата Dawn работают не постоянно, а включаются ненадолго в определенные моменты полета. К настоящему моменту они проработали в общей сложности 620 дней и израсходовали свыше 165 килограммов ксенона. Несложные расчеты показывают, что скорость зонда увеличивалась примерно на 100 км/ч каждые четыре дня. К концу восьмилетней миссии Dawn (хотя специалисты не исключают ее продления) суммарное время работы двигателей составит 2000 дней — почти 5,5 года. Такие показатели сулят, что скорость космического корабля достигнет 38,6 тысячи км/час.
Это может показаться небольшой величиной на фоне хотя бы первой космической скорости, с которой запускаются искусственные спутники Земли, но для межпланетного аппарата без каких-либо внешних ускорителей, не совершающего специальные маневры в гравитационном поле планет, такой результат и в самом деле примечателен.
Наш читатель Никита Агеев спрашивает: в чем основная проблема межзвездных перелетов? Ответ, как и , потребует большой статьи, хотя на вопрос можно ответить и единственным символом: c .
Скорость света в вакууме, c, равна примерно тремстам тысячам километров в секунду, и превысить ее невозможно. Следовательно, нельзя и добраться до звезд быстрее, чем за несколько лет (свет идет 4,243 года до Проксимы Центавра, так что космический корабль не сможет прибыть еще быстрее). Если добавить время на разгон и торможение с более-менее приемлемым для человека ускорением, то получится около десяти лет до ближайшей звезды.
В каких условиях лететь?
И этот срок уже существенное препятствие сам по себе, даже если отвлечься от вопроса «как разогнаться до скорости, близкой к скорости света». Сейчас не существует космических кораблей, которые позволяли бы экипажу автономно жить в космосе столько времени — космонавтам постоянно привозят свежие припасы с Земли. Обычно разговор о проблемах межзвездных перелетов начинают с более фундаментальных вопросов, но мы начнем с сугубо прикладных проблем.
Даже спустя полвека после полета Гагарина инженеры не смогли создать для космических кораблей стиральную машину и достаточно практичный душ, а рассчитанные на условия невесомости туалеты ломаются на МКС с завидной регулярностью . Перелет хотя бы к Марсу (22 световые минуты вместо 4 световых лет) уже ставит перед конструкторами сантехники нетривиальную задачу: так что для путешествия к звездам потребуется как минимум изобрести космический унитаз с двадцатилетней гарантией и такую же стиральную машину.
Воду для стирки, мытья и питья тоже придется либо брать с собой, либо использовать повторно. Равно как и воздух, да и еду тоже необходимо либо запасать, либо выращивать на борту. Эксперименты по созданию замкнутой экосистемы на Земле уже проводились, однако их условия все же сильно отличались от космических хотя бы наличием гравитации. Человечество умеет превращать содержимое ночного горшка в чистую питьевую воду, но в данном случае требуется суметь сделать это в невесомости, с абсолютной надежностью и без грузовика расходных материалов: брать к звездам грузовик картриджей для фильтров слишком накладно.
Стирка носков и защита от кишечных инфекций могут показаться слишком банальными, «нефизическими» ограничениями на межзвездные полеты - однако любой опытный путешественник подтвердит, что «мелочи» вроде неудобной обуви или расстройства желудка от незнакомой пищи в автономной экспедиции могут обернуться угрозой для жизни.
Решение даже элементарных бытовых проблем требует столь же серьезной технологической базы, как и разработка принципиально новых космических двигателей. Если на Земле изношенную прокладку в бачке унитаза можно купить в ближайшем магазине за два рубля, то уже на марсианском корабле нужно предусмотреть либо запас всех подобных деталей, либо трехмерный принтер для производства запчастей из универсального пластикового сырья.
В ВМС США в 2013 году всерьез занялись трехмерной печатью после того, как оценили затраты времени и средств на ремонт боевой техники традиционными методами в полевых условиях. Военные рассудили, что напечатать какую-нибудь редкую прокладку для снятого с производства десять лет назад узла вертолета проще, чем заказать деталь со склада на другом материке.
Один из ближайших соратников Королева, Борис Черток, писал в своих мемуарах «Ракеты и люди» о том, что в определенный момент советская космическая программа столкнулась с нехваткой штепсельных контактов. Надежные соединители для многожильных кабелей пришлось разрабатывать отдельно.
Кроме запчастей для техники, еды, воды и воздуха космонавтам потребуется энергия. Энергия будет нужна двигателю и бортовому оборудованию, так что отдельно придется решить проблему с мощным и надежным ее источником. Солнечные батареи не годятся хотя бы по причине удаленности от светил в полете, радиоизотопные генераторы (они питают «Вояджеры» и «Новые горизонты») не дают требуемой для большого пилотируемого корабля мощности, а полноценные ядерные реакторы для космоса до сих пор делать не научились.
Советская программа по созданию спутников с ядерной энергоустановкой была омрачена международным скандалом после падения аппарата «Космос-954» в Канаде, а также рядом отказов с менее драматичными последствиями; аналогичные работы в США свернули еще раньше. Сейчас созданием космической ядерной энергоустановки намерены заняться в Росатоме и Роскосмосе, но это все-таки установки для ближних перелетов, а не многолетнего пути к другой звездной системе.
Возможно, вместо ядерного реактора в будущих межзвездных кораблях найдут применение токамаки. О том, насколько сложно хотя бы правильно определить параметры термоядерной плазмы, в МФТИ этим летом . Кстати, проект ITER на Земле успешно продвигается: даже те, кто поступил на первый курс, сегодня имеют все шансы приобщиться к работе над первым экспериментальным термоядерным реактором с положительным энергетическим балансом.
На чем лететь?
Для разгона и торможения межзвездного корабля обычные ракетные двигатели не годятся. Знакомые с курсом механики, который читают в МФТИ в первом семестре, могут самостоятельно рассчитать то, сколько топлива потребуется ракете для набора хотя бы ста тысяч километров в секунду. Для тех, кто еще не знаком с уравнением Циолковского, сразу озвучим результат - масса топливных баков получается существенно выше массы Солнечной системы.
Уменьшить запас топлива можно за счет повышения скорости, с которой двигатель выбрасывает рабочее тело, газ, плазму или что-то еще, вплоть до пучка элементарных частиц. В настоящее время для перелетов автоматических межпланетных станций в пределах Солнечной системы или для коррекции орбиты геостационарных спутников активно используют плазменные и ионные двигатели, но у них есть ряд других недостатков. В частности, все такие двигатели дают слишком малую тягу, ими пока нельзя придать кораблю ускорение в несколько метров на секунду в квадрате.
Проректор МФТИ Олег Горшков - один из признанных экспертов в области плазменных двигателей. Двигатели серии СПД - производят в ОКБ «Факел», это серийные изделия для коррекции орбиты спутников связи.
В 1950-е годы разрабатывался проект двигателя, который бы использовал импульс ядерного взрыва (проект Orion), но и он далек от того, чтобы стать готовым решением для межзвездных полетов. Еще менее проработан проект двигателя, который использует магнитогидродинамический эффект, то есть разгоняется за счет взаимодействия с межзвездной плазмой. Теоретически, космический корабль мог бы «засасывать» плазму внутрь и выбрасывать ее назад с созданием реактивной тяги, но тут возникает еще одна проблема.
Как выжить?
Межзвездная плазма - это прежде всего протоны и ядра гелия, если рассматривать тяжелые частицы. При движении со скоростями порядка сотни тысяч километров в секунду все эти частицы приобретают энергию в мегаэлектронвольты или даже десятки мегаэлектронвольт - столько же, сколько имеют продукты ядерных реакций. Плотность межзвездной среды составляет порядка ста тысяч ионов на кубический метр, а это значит, что за секунду квадратный метр обшивки корабля получит порядка 10 13 протонов с энергиями в десятки МэВ.
Один электронвольт, эВ , ― это та энергия, которую приобретает электрон при пролете от одного электрода до другого с разностью потенциалов в один вольт. Такую энергию имеют кванты света, а кванты ультрафиолета с большей энергией уже способны повредить молекулы ДНК. Излучение или частицы с энергиями в мегаэлектронвольты сопровождает ядерные реакции и, кроме того, само способно их вызывать.
Подобное облучение соответствует поглощенной энергии (в предположении, что вся энергия поглощается обшивкой) в десятки джоулей. Причем эта энергия придет не просто в виде тепла, а может частично уйти на инициацию в материале корабля ядерных реакций с образованием короткоживущих изотопов: проще говоря, обшивка станет радиоактивной.
Часть налетающих протонов и ядер гелия можно отклонять в сторону магнитным полем, от наведенной радиации и вторичного излучения можно защищаться сложной оболочкой из многих слоев, однако эти проблемы тоже пока не имеют решения. Кроме того, принципиальные сложности вида «какой материал в наименьшей степени будет разрушаться при облучении» на стадии обслуживания корабля в полете перейдут в частные проблемы - «как открутить четыре болта на 25 в отсеке с фоном в пятьдесят миллизиверт в час».
Напомним, что при последнем ремонте телескопа «Хаббл» у астронавтов поначалу не получилось открутить четыре болта, которые крепили одну из фотокамер. Посовещавшись с Землей, они заменили ключ с ограничением крутящего момента на обычный и приложили грубую физическую силу. Болты стронулись с места, камеру успешно заменили. Если бы прикипевший болт при этом сорвали, вторая экспедиция обошлась бы в полмиллиарда долларов США. Или вовсе бы не состоялась.
Нет ли обходных путей?
В научной фантастике (часто более фантастической, чем научной) межзвездные перелеты совершаются через «подпространственные туннели». Формально, уравнения Эйнштейна, описывающие геометрию пространства-времени в зависимости от распределенных в этом пространстве-времени массы и энергии, действительно допускают нечто подобное - вот только предполагаемые затраты энергии удручают еще больше, чем оценки количества ракетного топлива для полета к Проксиме Центавра. Мало того, что энергии нужно очень много, так еще и плотность энергии должна быть отрицательной.
Вопрос о том, нельзя ли создать стабильную, большую и энергетически возможную «кротовую нору» - привязан к фундаментальным вопросам об устройстве Вселенной в целом. Одной из нерешенных физических проблем является отсутствие гравитации в так называемой Стандартной модели - теории, описывающей поведение элементарных частиц и три из четырех фундаментальных физических взаимодействий. Абсолютное большинство физиков довольно скептически относится к тому, что в квантовой теории гравитации найдется место для межзвездных «прыжков через гиперпространство», но, строго говоря, попробовать поискать обходной путь для полетов к звездам никто не запрещает.
Корзников приводит расчеты, что при скорости более 0,1 С космический корабль не успеет изменить траекторию полёта и избежать столкновения. Он считает, что при субсветовой скорости космический корабль разрушится до достижения цели. По его мнению межзвёздное путешествие возможно только при существенно меньших скоростях (до 0,01 С). С 1950-60 гг. в США разрабатывался космический корабль с ядерно-импульсным ракетным двигателем для исследования межпланетного пространства «Орион».
Межзвёздный полёт - путешествие между звёздами пилотируемых аппаратов или автоматических станций. По словам директора Исследовательского центра Эймса (НАСА) Симона П. Уордена, проект двигателя для полётов в дальний космос может быть разработан в течение 15-20 лет.
Пусть полёт туда и полёт обратно состоят из трёх фаз: равноускоренного разгона, полёта с постоянной скоростью и равноускоренного торможения. Пусть половину пути космический корабль двигается с единичным ускорением, а вторую половину - с таким же ускорением тормозит (). Затем корабль разворачивается и повторяет этапы разгона и торможения.
Для межзвездного полета пригодны не все типы двигателей. Расчёты показывают, что с помощью космической системы, рассмотренной в данной работе, можно достичь звезды Альфа Центавра… примерно за 10 лет». В качестве одного из вариантов решения проблемы предлагается использование в качестве рабочего вещества ракеты элементарные частицы, движущиеся со световой или околосветовой скоростью.
Выхлопная скорость частиц от 15 до 35 километров в секунду. Поэтому появились идеи снабжать межзвездные корабли энергией из внешнего источника. На данный момент этот проект неосуществим: двигатель обязан иметь скорость истечения 0.073 с (удельный импульс 2 миллиона секунд), при этом его тяга должна достигать 1570 Н (то-есть 350 фунтов).
Столкновение с межзвёздной пылью будет происходить на околосветовых скоростях и по физическому воздействию напоминать микровзрывы. В научно-фантастических произведениях нередко упоминаются методы межзвёздных перелётов, основанные на перемещении быстрее скорости света в вакууме. Самый большой экипаж состоял из 8 космонавтов (в его составе была 1 женщина), стартовавших 30 октября 1985 г. на корабле многоразового использования «Челленджер».
Расстояние до ближайшей звезды (Проксимы Центавра) составляет около 4,243 световых лет, то есть примерно в 268 тысяч раз больше расстояния от Земли до Солнца. Полёты на звездолётах занимают существенное место в научной фантастике.
В этой ситуации время полёта в земной системе отсчёта составит примерно 12 лет, тогда как по часам на корабле пройдёт 7,3 года. Пригодность различных типов двигателей для межзвёздных полётов в частности была рассмотрена на заседании Британского межпланетного общества в 1973 г. доктором Тони Мартином (Tony Martin).
В ходе работ были предложены проекты большого и малого звездолётов («кораблей поколений»), способных добраться до звезды Альфа Центавра за 1800 и 130 лет соответственно. В 1971 году в докладе Г. Маркса на симпозиуме в Бюракане было предложено использовать для межзвёздных перелётов лазеры рентгеновского диапазона. В 1985 году Р. Форвардом была предложена конструкция межзвёздного зонда, разгоняемого энергией микроволнового излучения.
Основная составляющая массы современных ракет - это масса топлива, требуемого ракете для разгона. Если удастся каким-нибудь образом использовать в качестве рабочего тела и топлива окружающую ракету среду, можно значительно уменьшить массу ракеты и достичь за счёт этого больших скоростей движения.
В 1960-е годы Бюссаром (англ.) была предложена конструкция межзвёздного прямоточного реактивного двигателя (МПРД). Межзвёздная среда состоит в основном из водорода. В 1994 году Джеффри Лэндис (англ.) предложил проект межзвёздного ионного зонда, которых получал-бы энергию от лазерного луча на станции.
Ракетный корабль по проекту «Дедал» оказался таким громадным, что строить его пришлось бы в открытом космосе. Одним из недостатков межзвездных кораблей является необходимость нести с собой энергосистему, что увеличивает массу и соответственно снижает скорость. Так электрический ракетный двигатель имеет характеристическую скорость в размере 100 км/с, что слишком медленно для полета к далеким звездам за приемлемый срок.
Одним из величайших достояний человечества является международная космическая станция, или МКС. Для ее создания и работы на орбите объединилось несколько государств: Россия, некоторые страны Европы, Канада, Япония и США. Этот аппарат свидетельствует о том, что можно добиться многого, если постоянно сотрудничать странам. Об этой станции знают все люди планеты и многие задаются вопросами о том, на какой высоте летает МКС и по какой орбите. Сколько космонавтов там побывало? А правда ли, что туда пускают туристов? И это далеко не все, что интересно человечеству.
МКС состоит из четырнадцати модулей, в которых располагаются лаборатории, склады, комнаты отдыха, спальни, хозпомещения. На станции даже имеется спортзал с тренажерами. Весь этот комплекс работает на солнечных батареях. Они огромны, величиной со стадион.
За время своей работы станция вызывала немало восхищений. Этот аппарат является величайшим достижением человеческих умов. По своей конструкции, назначению и особенностям его можно назвать совершенством. Конечно, может быть, лет через 100 на Земле начнут строить космические корабли другого плана, но пока что, на сегодняшний день, этот аппарат - достояние человечества. Об этом свидетельствуют следующие факты об МКС:
С декабря 2017 года экипаж МКС состоит из следующих астрономов и космонавтов:
Из космоса на Землю открываются уникальные виды. Об этом свидетельствуют фотографии, видеосъемки астронавтов и космонавтов. Увидеть работу станции, космические пейзажи можно, если посмотреть онлайн-трансляции со станции МКС. Однако некоторые камеры бывают выключенными, что связано с техработами.
Началось в 1957 году, когда в СССР был запущен первый спутник, «Спутник-1». С тех пор люди успели побывать на , а беспилотные космические зонды побывали на всех планетах, за исключением . Спутники, обращающиеся по орбитам вокруг Земли, вошли в нашу жизнь. Миллионы людей благодаря им имеют возможность смотреть телевизор (см. статью « «). На рисунке показано, как часть космического корабля возвращается на Землю с помощью парашута.
История освоения космоса начинается с ракет. Первые ракеты использовались для бомбардировок еще во время второй мировой войны. В 1957 г. была создана ракета, доставившая в космос «Спутник-1». Большую часть ракеты занимают баки с топливом. До орбиты добирается только верхняя часть ракеты, называемая полезным грузом . У ракеты «Ариан-4» три отдельных секции с топливными баками. Их называют ступенями ракеты . Каждая ступень толкает ракету на какое-то расстояние, после чего, опустев, отделяется. В итоге от ракеты остается только полезный груз. Первая ступень несёт 226 тонн жидкого топлива. Топливо и два ускорителя создают необходимую для взлета огромную масса. Вторая ступень отделяется на высоте 135 км. Третья ступень ракеты – её , работающие на жидком и азоте. Топливо здесь сгорает примерно за 12 минут. В результате, от ракеты «Ариан-4» Европейского космического агентства, остается только полезный груз.
В 1950-1960-х гг. СССР и США соревновались в освоении космоса. Первым пилотируемым космическим аппаратом был «Восток». Ракета «Сатурн-5» впервые доставила людей на луну.
Ракеты 1950-х- /960-х гг.:
1. «Спутник»
2. «Авангард»
3. «Юнона-1»
4. «Восток»
5. «Меркурий-Атлант»
6. «Джемини-Титан-2»
8. «Сатурн-1Б»
9. «Сатурн-5»
Чтобы попасть в космос, ракета должна выйти за пределы . Если ее скорость будет недостаточна, она просто упадет на Землю, из-за действия силы . Скорость, необходимую для выхода в космос, называют первой космической скоростью . Она составляет 40000 км/ч. На орбите космический корабль огибает Землю с орбитальной скоростью . Орбитальная скорость корабля зависит от его расстояния до Земли. Когда космический корабль летит по орбите, он, в сущности, просто падает, но не может упасть, так как теряет высоту как раз настолько, насколько под ним уходит вниз, закругляясь, земная поверхность.
Зонды - это беспилотные космические аппараты, посылаемые на дальние расстояния. Они побывали на всех планетах, кроме Плутона. Зонд может лететь до места назначения долгие Годы. Когда он подлетает к нужному небесному телу, то выходит на орбиту вокруг него и посылает на Землю добытую информацию. «Миринер-10», единственный зонд, побывавший на . «Пионер-10» стал первым космическим зондом, покинувшим пределы Солнечной системы. До ближайшей звезды он долетит больше чем через миллион лет.
Некоторые зонды предназначены для посадки на поверхность другой планеты, либо они оснащены спускаемыми аппаратами, сбрасываемыми на планету. Спускаемый аппарат может собрать образцы грунта и доставить их на Землю для исследований. В 1966 году впервые на поверхность Луны опустился космический аппарат - зонд «Луна-9». После посадки он раскрылся, как цветок, и начал съемки.
Спутник - это беспилотный аппарат, который выводят на орбиту, как правило, земную. 
Спутник имеет конкретную задачу - например, наблюдать за , передавать телеизображение, разведывать залежи полезных ископаемых: есть даже спутники-шпионы. Спутник движется по орбите с орбитальной скоростью. На рисунке вы видите снимок устья реки Хамбер (Англия), сделанный «Лэндсетом» с околоземной орбиты. «Лэндсет» может «рассмотреть на Земле участки площадью всего в 1 кв. м.
Станция - это тот же спутник, но предназначенный для работы людей на его борту. К станции может пристыковываться космический корабль с экипажем и грузами. Пока в космосе работали только три долгосрочные станции: американский «Скайлэб» и российские «Салют» и «Мир». «Скайлэб» был выведен на орбиту в 1973 г. Ни его борту последовательно работали три экипажа. Станция прекратила свое существование в 1979 г.
Орбитальные станции играют огромную роль в изучении влияние невесомости на организм человека. Станции будущего, такие как «Фридом», которую американцы строят сейчас при участии специалистов из Европы, Японии и Канады, будут использоваться для очень долгосрочных экспериментов или для промышленного производства в космосе.
Когда космонавт выходит из станции или корабля в открытый космос, он надевает скафандр . Внутри скафандра искусственно создается , равное атмосферному. Внутренние слои скафандра охлаждаются жидкостью. Приборы следят за давлением и содержанием кислорода внутри. Стекло шлема очень прочное оно выдерживает удары мелких камешков - микрометеоритов.
