W XX wieku pisarze science fiction dużo i utalentowani pisali o eksploracji kosmosu. Bohaterowie „Chiusa” przekazali ludzkości bogactwa Uranu Golcondy, pilot Pirx pracował jako kapitan kosmicznych statków do przewozu ładunków suchych, liderów-kontenerowców i masowców krążyły po Układzie Słonecznym i nie mówię o całym mistycyzmie podróży do tajemniczych monolitów.
Jednak XXI wiek nie spełnił oczekiwań. Ludzkość nieśmiało stoi w korytarzu Kosmosu, nie wychodząc na stałe poza orbitę Ziemi. Dlaczego tak się stało i na co mogą liczyć ci, którzy chcieliby przeczytać wiadomości o zwiększeniu plonów jabłoni marsjańskich?
Nie potrzeba skrzypka
Pierwszy paradoks, z jakim się spotkaliśmy, dotyczy tego, że ludzie nie są najwłaściwszym obiektem do eksploracji kosmosu. Pisarze science fiction, którzy wymyślili wyprawy kosmiczne, mogli polegać jedynie na doświadczeniach historycznych pionierów Ziemi - marynarzy, polarników, pierwszych lotników. Rzeczywiście, czym podbój Marsa miałby się różnić od podboju bieguna południowego?
A tu i tam środowisko nie nadaje się do życia bez wstępnego przygotowania, trzeba mieć przy sobie zapasy i nie można wyjść poza statek lub dom bez założenia specjalnego sprzętu. Ale pisarze science fiction i futuryści nie mogli przewidzieć rozwoju elektroniki i robotyki, a naukowców zajmujących się robotami opisywano zwykle w sposób anegdotyczny:
„Musiałem przez pół godziny odwrócić wzrok od listu i wysłuchać skarg mojego sąsiada, cybernetyk Shcherbakova. Zapewne wiecie, że na północ od wyrzutni rakiet powstaje wielki podziemny zakład przetwarzania uranu i transuranku. Ludzie pracują na sześć zmian. Roboty - przez całą dobę; wspaniałe maszyny, ostatnie słowo w praktycznej cybernetyki. Ale, jak mawiają Japończycy, małpa również spada z drzewa. Teraz Shcherbakov przyszedł do mnie, zły jak diabeł, i powiedział, że banda tych mechanicznych idiotów (jego własne słowa) ukradła dziś wieczorem jeden z dużych składów rudy, myląc go oczywiście z niezwykle bogatym złożem. Roboty miały różne programy, więc do rana część magazynu wylądowała w magazynach wyrzutni rakiet, część przy wejściu do działu geologicznego, a część z niego była generalnie nieznana gdzie. Poszukiwanie trwa.”
Film promocyjny:
Ale żaden ze znanych autorów nie przypuszczał, że robot w eksploracji kosmosu ma wiele zalet nad człowiekiem:
W przeciwieństwie do człowieka robot potrzebuje jedynie mocy i równowagi termicznej. Nie musisz nosić ze sobą dziesiątek ton szklarni, żywności, wody, tlenu, odzieży i środków higieny, lekarstw i innych rzeczy.
Robota można wysłać w jedną stronę bez powrotu.
Robot może pracować latami. Doświadczenia Voyagerów, łazików marsjańskich czy Cassini sugerują, że teraz lepiej jest mówić nie o latach, ale dziesięcioleciach.
Robot może pracować latami w warunkach śmiertelnych dla ludzi. Sonda Galileo otrzymała dawkę 25 razy wyższą niż śmiertelna dawka dla ludzi, po czym pracowała na orbicie przez 8 lat.
W efekcie okazało się, że tylko roboty ważące kilka ton pasują do technicznych możliwości ludzkości do wysyłania ich na inne planety za rozsądne pieniądze i stały się jedynym sposobem na zaspokojenie naukowej ciekawości i uzyskanie pięknych fotografii.
Żyjemy na krzywej logistycznej
Drugim błędem pisarzy science fiction było to, że przewidzieli liniowy, a nawet wykładniczy rozwój astronautyki. Chociaż już w 1838 roku odkryto takie zjawisko jak krzywa logistyczna. Co to za straszna bestia? Weźmy na przykład historię lotnictwa:
1900. Pierwsze niewygodne regały, pierwsze rekordy - kilkunastokilometrowe przeloty z jednym pasażerem.
1910-ty. Pierwsi zwiadowcy, myśliwce, bombowce, pocztowe i pasażerskie samoloty.
1920-1930. Opanowanie lotów nocnych, pierwsze loty międzykontynentalne.
1940. Lotnictwo to poważna siła wojskowa i transportowa.
1950. Silniki odrzutowe dają nowy impuls rozwojowi lotnictwa - nowe prędkości, zasięgi i wysokości, a nawet więcej pasażerów.
1960-70. Lotnictwo, pierwszy naddźwiękowy i szerokokadłubowy samolot pasażerski, jest tańsze.
1980-90. Hamowanie. Rozwój staje się coraz droższy, firmy deweloperskie łączą się w gigantyczne firmy. A samoloty są coraz bardziej do siebie podobne.
2000s. Limit. Dwaj giganci, Boeing i Airbus, produkują na pozór identyczne maszyny, a naddźwiękowe samoloty pasażerskie zupełnie wymarły.
Jeśli przełożysz te osiągnięcia na liczby, otrzymasz następujący obraz:
W astronautyce sytuacja jest dokładnie taka sama:
Dla jasności wykres krzywej S można nałożyć na wykres kosztów, aby osiągnąć ten poziom:
A smutek naszego „dnia dzisiejszego” polega na tym, że w astronautyce z istniejącymi technologiami zbliżamy się do poziomu nasycenia. Technicznie można polecieć załogową wersją na Księżyc, a nawet Marsa, ale jakoś szkoda pieniędzy.
Umieść KC - dostaniesz grawitację
Kolejnym smutnym aspektem, spowalniającym skok w kosmos, jest to, że nie odkryto jeszcze czegoś bardzo cennego, na co warto wydać pieniądze na eksplorację kosmosu poza orbitą Ziemi. Należy pamiętać, że na orbicie niskiej znajduje się wiele komercyjnych satelitów - komunikacyjnych, telewizyjnych i internetowych, meteorologicznych, kartograficznych. Wszystkie przynoszą wymierne korzyści finansowe. Jaki jest pożytek z załogowej misji na Księżyc? Oto oficjalna lista wyników amerykańskiego programu księżycowego o wartości około 170 miliardów dolarów (w cenach z 2005 roku):
Księżyc nie jest pierwotnym obiektem, jest planetą ziemską, podobnie jak Ziemia, ze swoją ewolucją i budową wewnętrzną.
Księżyc jest starożytny i zachowuje historię pierwszego miliarda lat ewolucji planet ziemskich.
Najmłodsze skały księżycowe są mniej więcej w tym samym wieku co najstarsze skały ziemskie. Ślady najwcześniejszych procesów i wydarzeń, które mogły mieć wpływ na Księżyc i Ziemię, można obecnie znaleźć tylko na Księżycu.
Księżyc i Ziemia są genetycznie pokrewne i utworzone z różnych proporcji wspólnego zestawu materiałów.
Księżyc jest pozbawiony życia i nie zawiera żywych organizmów ani lokalnej materii organicznej.
Skały księżycowe powstały w wyniku procesów wysokotemperaturowych bez udziału wody. Są podzielone na trzy typy: bazalty, anortozyty i brekcje.
Dawno temu Księżyc został stopiony na wielką głębokość i utworzył ocean magmy. Góry Księżycowe zawierają pozostałości wczesnych skał o niskiej gęstości, które unosiły się na powierzchni tego oceanu.
Ocean magmy powstał w wyniku serii ogromnych uderzeń asteroid, które utworzyły baseny wypełnione strumieniami lawy.
Księżyc jest nieco asymetryczny, prawdopodobnie z powodu wpływu Ziemi.
Powierzchnia księżyca pokryta jest kawałkami skał i pyłem. Nazywa się to księżycowym regolitem i zawiera wyjątkową historię promieniowania Słońca, która jest ważna dla zrozumienia zmian klimatu na Ziemi.
To wszystko jest bardzo interesujące (bez żartów), ale cała ta wiedza ma nieodwracalną wadę - nie można jej rozprowadzić na chlebie, wlać do zbiornika gazu ani zbudować z niego domu. Gdyby jakiś "elerium", "tyberium" lub inny sziszdostanium został odkryty w bezmiarze kosmosu, mógłby zostać użyty jako:
Ekonomiczne źródło energii.
Integralna część produkcji czegoś wartościowego i użytecznego.
Żywność / medycyna / witamina o całkowicie nowej jakości.
Przedmiot luksusowy lub źródło przyjemności.
Gdyby również rosła tylko na Marsie lub w pasie asteroid (i nie była reprodukowana na Ziemi) i mogłaby być wydobywana tylko przez ludzi (aby przebiegła ludzkość nie wysyłała tańszych i bardziej bezpretensjonalnych robotów), to byłaby to załogowa eksploracja kosmosu, która otrzymałaby nieocenioną zachętę. A w przypadku jego nieobecności, w pesymistycznym scenariuszu lat dwudziestych XX wieku, ludzkość może stracić stałą obecność nawet na orbicie okołoziemskiej - na tle łamanych przez polityków kotłów współpracy międzynarodowej podatnicy mogą zapytać: „Po co nam nowa stacja po ISS?”.
Klątwa formuły Ciołkowskiego
Oto ona, nemezis kosmonautyki:
Tutaj:
V to końcowa prędkość rakiety.
I - impuls właściwy silnika (ile sekund silnik na 1 kilogramie paliwa może wytworzyć ciąg 1 niutona)
M1 to początkowa masa rakiety.
M2 to końcowa masa rakiety.
V dla pełnych zbiorników będzie charakterystycznym marginesem prędkości, czyli marginesem prędkości, z jakim możemy przyspieszyć / zwolnić w razie potrzeby. Nazywa się to również marginesem delta-V (delta oznacza zmianę, tj. Jest to margines zmiany prędkości).
Jaki jest tutaj problem? Spójrzmy na mapę zmian prędkości wymaganych dla Układu Słonecznego:
Wyobraźmy sobie teraz, że chcemy polecieć na Marsa iz powrotem. Wyniesie to:
9400 m / s - start z Ziemi.
3210 m / s - opuszczając orbitę Ziemi.
1060 m / s - przechwycenie Marsa.
0 m / s - wejście na niską orbitę Marsa (biały trójkąt oznacza możliwość hamowania w stosunku do atmosfery).
0 m / s - lądowanie na Marsie (zwalniamy na atmosferze).
3800 m / s - start z Marsa.
1440 m / s - przyspieszenie z orbity Marsa.
1060 m / s - przechwycenie Ziemi.
0 m / s - wejście na niską orbitę okołoziemską (zwalniamy w stosunku do atmosfery).
0 m / s - lądowanie na Ziemi (zwalniamy na atmosferze).
Rezultatem jest piękna liczba 19970 m / s, którą zaokrąglamy do 20000 m / s. Niech nasza rakieta będzie idealna, a ilość paliwa w żaden sposób nie wpływa na jej masę (zbiorniki, rurociągi nic nie ważą). Spróbujmy obliczyć zależność masy początkowej rakiety od masy końcowej i impulsu właściwego. Przekształcając formułę Ciołkowskiego, otrzymujemy:
M1 = eV / I * M2
Skorzystajmy z bezpłatnego pakietu matematycznego Scilab. Końcową masę przyjmujemy w przedziale 10-1000 ton, impuls właściwy będzie się wahał od 2000 m / s (silniki chemiczne na hydrazynie) do 200 000 m / s (teoretyczne oszacowanie maksymalnego impulsu silnika elektrycznego na dziś). Muszę od razu powiedzieć, że dla maksymalnej masy i minimalnego impulsu wystąpi bardzo duża wartość (22 miliony ton), więc skala wyświetlania będzie logarytmiczna.
[m2I] = siatka oczkowa (10:50: 1000, 2000: 5000: 200000);
m1 = log (exp (20000 * I. ^ - 1). * m2);
surfowanie (m2, I, m1)
Ten piękny wykres jest w rzeczywistości wizualnym werdyktem dla silników chemicznych. To nie nowość - na silnikach chemicznych, jak doskonale pokazuje praktyka, można normalnie odpalać małe sondy, ale nawet lot na Księżyc z załogą jest już dość trudny.
Złagodźmy nasze warunki. Najpierw załóżmy, że startujemy z orbity Ziemi i zamiast 20 km / s potrzebujemy 10. Po drugie odcinamy „ogon” niesprawnych silników chemicznych, ustawiając minimalną wartość I na 4400 m / s (AI silnika wodorowego Space Shuttle RS-25):
[m2I] = siatka oczkowa (10:50: 1000,4400: 5000: 200000);
m1 = log (exp (10000 * I. ^ - 1). * m2);
surfowanie (m2, I, m1)
Skala logarytmiczna:
Skala liniowa:
Całkowicie zrezygnujemy z silników chemicznych. Silnik jądrowy NERVA miał AI 9000 sekund. Przeliczmy:
[m2I] = siatka oczkowa (10:50: 1000,9000: 5000: 200000);
m1 = exp (10000 * I. ^ - 1). * m2;
surfowanie (m2, I, m1)
Skala liniowa:
Dlaczego powtarzam te monotonne wykresy? Faktem jest, że płaski obszar wyznaczony jako „powód do optymizmu” pokazuje, że gdy pojawią się silniki o sztucznej inteligencji powyżej 50 000 m / s, będzie można latać mniej lub bardziej bez statków o masie początkowej milionów ton w Układzie Słonecznym. Istniejące już elektryczne silniki napędowe mają ID 25000-30000 m / s (na przykład SPD 2300).
Trzeba jednak zrozumieć, że powód do optymizmu jest bardzo powściągliwy. Po pierwsze, te tysiące ton trzeba dostarczyć na orbitę Ziemi (a to jest niezwykle trudne). Po drugie, istniejące elektryczne silniki napędowe mają mały ciąg, a aby przyspieszyć z odpowiednim przyspieszeniem, należy zainstalować wielomegawatowe reaktory.
Zbudujmy kolejny interesujący wykres. Daj nam znać ostateczną masę - 1000 ton. Skonstruujmy zależność masy początkowej od impulsu właściwego i prędkości końcowej:
[VI] = meshgrid (10000: 2000: 100000,50000: 5000: 200000);
m1 = exp (V. * (I. ^ - 1)) * 1000;
surfować (V, I, m1)
Ten wykres jest interesujący, ponieważ jest w pewnym sensie spojrzeniem w bardziej odległą przyszłość ludzkości. Jeśli chcemy wygodnego i szybkiego lotu przez Układ Słoneczny, będziemy musieli przejść o rząd wielkości wyżej w opanowaniu konkretnego impulsu - potrzebujemy silników o ID rzędu kilkuset tysięcy metrów na sekundę.
Nie ma tu ryb
Ludzkość wyróżnia się przebiegłością i pomysłowością. Dlatego wymyślono wiele pomysłów, aby ułatwić dostęp do przestrzeni. Jednym z najważniejszych parametrów charakteryzujących barierę, którą chcemy przeskoczyć jest koszt wrzucenia kilograma na orbitę. Teraz, według różnych szacunków (ta kolumna została usunięta z Wiki, tutaj, na przykład, inne źródło) dla różnych rakiet nośnych, cena ta mieści się w przedziale 4000-13000 USD za kilogram dla niskiej orbity okołoziemskiej. Co próbowałeś wymyślić, aby ułatwić, łatwiej i taniej dostać się przynajmniej na orbitę okołoziemską?
Systemy wielokrotnego użytku. Historycznie rzecz biorąc, ten pomysł już raz zawiódł w programie promu kosmicznego. Teraz robi to Elon Musk, planując zasadzenie pierwszego etapu. Chciałbym życzyć mu wszelkich sukcesów, ale biorąc pod uwagę porażkę z przeszłości, nie sądzę, aby był to jakościowy przełom. W najlepszym przypadku koszt spadnie o kilka procent.
Pojedynczy etap na orbitę. Nie wyszła poza projekty, mimo wielokrotnych prób.
Start powietrza. Istnieje udany projekt dla małego ładunku, ale nie można go skalować dla dużych obciążeń.
Start kosmiczny bez rakiet. Wiele projektów zostało wymyślonych, ale wszystkie mają fatalną wadę - wymagane są astronomiczne inwestycje, których nie da się „odzyskać” bez całkowitego zakończenia projektu. Dopóki kosmiczna winda, fontanna czy napęd masowy nie zostaną w pełni zbudowane i uruchomione, nie ma z tego żadnego zysku.
Wtedy serce się uspokoi
Jak możesz rozweselić się po tych smutnych refleksjach? Mam dwa argumenty - jeden abstrakcyjny i fundamentalny, drugi bardziej szczegółowy.
Po pierwsze, postęp jako całość to nie jedna krzywa S, ale wiele z nich, co daje taki optymistyczny obraz:
W historii lotnictwa wyróżnić można m.in.:
I na pewno ty i ja jesteśmy na podobnym etapie rozwoju astronautyki. Tak, teraz jest jakaś stagnacja, a nawet powrót jest możliwy, ale ludzkość z głowami swoich najlepszych przedstawicieli przebija się przez ścianę wiedzy i gdzieś, jeszcze nie zauważone, przebijają się pędy nowej przyszłości.
Drugi argument to informacja o bezproblemowej realizacji budowy reaktora jądrowego dla modułu transportowo-energetycznego:
Najnowsze wieści o tym projekcie pojawiły się latem - pierwszy TVEL został zmontowany. Prace, choć bez regularnego rozgłosu, oczywiście trwają i można liczyć na pojawienie się w najbliższych latach całkowicie nowego urządzenia - holownika jądrowego z silnikiem elektrycznym.
P. S
Są to nieco zaniedbane myśli, nazwijmy je pierwszą iteracją. Chciałbym uzyskać informację zwrotną - może coś przeoczyłem lub źle zdefiniowałem znaczenie tego zjawiska. Kto wie, może po przetworzeniu informacji zwrotnej otrzymasz bardziej spójną koncepcję lub wymyślisz coś ciekawego?
Avor: lozga
