Межпланетный космический полет или межпланетное путешествие — это пилотируемое или беспилотное путешествие между звездами и планетами , обычно в пределах одной планетной системы . [1] На практике космические полеты этого типа ограничиваются путешествиями между планетами Солнечной системы . Беспилотные космические зонды летали ко всем наблюдаемым планетам Солнечной системы, а также к карликовым планетам Плутону и Церере и нескольким астероидам . Орбитальные и посадочные модули возвращают больше информации, чем пролетные миссии. Пилотируемые полеты приземлялись на Луне и время от времени планировались для Марса , Венеры и Меркурия . Хотя многие ученые ценят ценность знаний, которую предоставляют беспилотные полеты, ценность пилотируемых миссий более спорна. Писатели-фантасты предлагают ряд преимуществ, включая добычу астероидов, доступ к солнечной энергии и место для колонизации в случае катастрофы на Земле.
Разработан ряд методов, чтобы сделать межпланетные перелеты более экономичными. Достижения в области вычислительной техники и теоретической науки уже улучшили некоторые методы, в то время как новые предложения могут привести к улучшению скорости, экономии топлива и безопасности. Методы путешествий должны учитывать изменения скорости, необходимые для перемещения от одного тела к другому в Солнечной системе. Для орбитальных полетов необходимо внести дополнительную корректировку, чтобы соответствовать орбитальной скорости тела назначения. Другие разработки направлены на улучшение запуска ракет и движения, а также на использование нетрадиционных источников энергии. Использование внеземных ресурсов для получения энергии, кислорода и воды снизит затраты и улучшит системы жизнеобеспечения.
Любой межпланетный полет с экипажем должен включать определенные проектные требования. Системы жизнеобеспечения должны быть способны поддерживать жизнь людей в течение длительных периодов времени. Необходимы профилактические меры для снижения воздействия радиации и обеспечения оптимальной надежности.
Дистанционно управляемые космические зонды пролетели мимо всех наблюдаемых планет Солнечной системы от Меркурия до Нептуна , при этом зонд New Horizons пролетел мимо карликовой планеты Плутон , а космический аппарат Dawn в настоящее время вращается вокруг карликовой планеты Церера . Самые далекие космические аппараты, Voyager 1 и Voyager 2, покинули Солнечную систему по состоянию на 8 декабря 2018 года, в то время как Pioneer 10 , Pioneer 11 и New Horizons находятся на пути к ее покиданию. [2]
В целом, планетарные орбитальные аппараты и посадочные аппараты возвращают гораздо более подробную и всеобъемлющую информацию, чем миссии пролета. Космические зонды были выведены на орбиту вокруг всех пяти планет, известных древним: первыми были Венера ( Венера 7 , 1970), Марс ( Маринер 9 , 1971), Юпитер ( Галилео , 1995), Сатурн ( Кассини/Гюйгенс , 2004) и совсем недавно Меркурий ( MESSENGER , март 2011), и вернули данные об этих телах и их естественных спутниках .
Миссия NEAR Shoemaker в 2000 году вышла на орбиту большого околоземного астероида 433 Эрос и даже успешно приземлилась там, хотя она не была разработана с учетом этого маневра. Японский ионно-двигательный космический аппарат Hayabusa в 2005 году также вышел на орбиту небольшого околоземного астероида 25143 Итокава , приземлившись на нем на короткое время и вернув на Землю частицы его поверхностного материала. Другая ионно-двигательная миссия, Dawn , вышла на орбиту большого астероида Веста (июль 2011 года — сентябрь 2012 года), а затем переместилась на карликовую планету Церера , прибыв туда в марте 2015 года.
Дистанционно управляемые посадочные модули, такие как Viking , Pathfinder и два марсохода Mars Exploration Rover, приземлились на поверхности Марса, а несколько космических аппаратов Venera и Vega приземлились на поверхности Венеры, причем последний выпустил воздушные шары в атмосферу планеты. Зонд Huygens успешно приземлился на луне Сатурна, Титане .
Ни одна миссия с экипажем не была отправлена ни на одну планету Солнечной системы. Однако программа NASA Apollo высадила двенадцать человек на Луне и вернула их на Землю . American Vision for Space Exploration , первоначально представленная президентом США Джорджем Бушем-младшим и реализованная через программу Constellation , имела в качестве долгосрочной цели в конечном итоге отправить астронавтов-людей на Марс. Однако 1 февраля 2010 года президент Барак Обама предложил отменить программу в 2011 финансовом году. Более ранний проект, который получил значительное планирование со стороны NASA, включал пилотируемый облет Венеры в рамках миссии Manned Venus Flyby , но был отменен, когда программа Apollo Applications была прекращена из-за сокращения бюджета NASA в конце 1960-х годов.
Расходы и риски межпланетных путешествий широко освещаются в прессе — яркими примерами служат сбои или полные отказы зондов без экипажа, таких как Mars 96 , Deep Space 2 и Beagle 2 ( полный список приведен в статье List of Solar System probes ).
Многие астрономы, геологи и биологи считают, что исследование Солнечной системы дает знания, которые нельзя получить путем наблюдений с поверхности Земли или с орбиты вокруг Земли. Однако они не согласны с тем, оправдывают ли миссии с участием людей свою стоимость и риск. Критики космических полетов людей утверждают, что роботизированные зонды более рентабельны, производя больше научных знаний на каждый потраченный доллар; роботам не нужны дорогостоящие системы жизнеобеспечения, их можно отправлять в односторонние миссии, и они становятся все более способными по мере развития искусственного интеллекта. [3] Другие утверждают, что либо астронавты, либо ученые-космонавты, консультируемые учеными с Земли, могут более гибко и разумно реагировать на новые или неожиданные особенности любого региона, который они исследуют. [4]
Некоторые представители общественности в основном ценят космическую деятельность за любые ощутимые выгоды, которые она может принести им самим или человечеству в целом. До сих пор единственными выгодами такого типа были «побочные» технологии, которые были разработаны для космических миссий, а затем были признаны по крайней мере столь же полезными в других видах деятельности (NASA публикует побочные эффекты своей деятельности). Однако общественная поддержка, по крайней мере в США, остается выше для фундаментальных научных исследований, чем для пилотируемых космических полетов; опрос 2023 года показал, что американцы оценивают фундаментальные исследования как свой третий по значимости приоритет для NASA после мониторинга угрожающих Земле астероидов и понимания изменения климата. Поддержка научных исследований примерно в четыре раза выше, чем для пилотируемых полетов на Луну или Марс. [5]
Помимо побочных эффектов, другие практические мотивы для межпланетных путешествий более спекулятивны. Но писатели- фантасты имеют довольно хороший послужной список в предсказании будущих технологий, например, геосинхронных спутников связи ( Артур К. Кларк ) и многих аспектов компьютерных технологий ( Мак Рейнольдс ).
Во многих научно-фантастических рассказах подробно описывается, как люди могли бы добывать минералы из астероидов и получать энергию из таких источников, как орбитальные солнечные панели (не ограниченные облаками) и очень сильное магнитное поле Юпитера. Некоторые утверждают, что такие методы могут быть единственным способом обеспечить рост уровня жизни, не будучи остановленными загрязнением или истощением ресурсов Земли (например, пиком добычи нефти ).
Существуют также ненаучные мотивы для полетов человека в космос, такие как приключения или вера в то, что у людей есть духовно предопределенная судьба в космосе. [6] [7]
Наконец, создание полностью самодостаточных колоний в других частях Солнечной системы могло бы, если бы это было осуществимо, предотвратить уничтожение человеческого вида несколькими возможными событиями (см. Вымирание людей ). Одним из таких возможных событий является столкновение с астероидом , подобное тому, которое могло привести к вымиранию в мел-палеогеновый период . Хотя различные проекты Spaceguard отслеживают Солнечную систему на предмет объектов, которые могут оказаться в опасной близости от Земли, текущие стратегии отклонения астероидов грубы и непроверены. Чтобы сделать задачу еще более сложной, углеродистые хондриты довольно сажистые и поэтому их очень трудно обнаружить. Хотя углеродистые хондриты считаются редкими, некоторые из них очень большие, и предполагаемый « убийца динозавров » мог быть углеродистым хондритом.
Некоторые ученые, включая членов Института космических исследований , утверждают, что подавляющее большинство человечества в конечном итоге будет жить в космосе и получит от этого выгоду. [8]
Одной из главных проблем межпланетных путешествий является создание очень больших изменений скорости, необходимых для перемещения от одного тела к другому в Солнечной системе.
Из-за гравитационного притяжения Солнца космический корабль, движущийся дальше от Солнца, будет замедляться, в то время как космический корабль, движущийся ближе, будет ускоряться. Кроме того, поскольку любые две планеты находятся на разных расстояниях от Солнца, планета, с которой стартует космический корабль, движется вокруг Солнца с другой скоростью, чем планета, к которой движется космический корабль (в соответствии с Третьим законом Кеплера ). Из-за этих фактов космический корабль, желающий перейти на планету, расположенную ближе к Солнцу, должен значительно уменьшить свою скорость относительно Солнца, чтобы перехватить его, в то время как космический корабль, направляющийся на планету, расположенную дальше от Солнца, должен существенно увеличить свою скорость. [9] Затем, если дополнительно космический корабль хочет выйти на орбиту вокруг планеты назначения (вместо того, чтобы просто пролететь мимо нее), он должен соответствовать орбитальной скорости планеты вокруг Солнца, что обычно требует еще одного большого изменения скорости.
Простое выполнение этого методом грубой силы — ускорение по кратчайшему пути к месту назначения и последующее соответствие скорости планеты — потребовало бы чрезвычайно большого количества топлива. И топливо, необходимое для создания этих изменений скорости, должно быть запущено вместе с полезным грузом, и, следовательно, еще больше топлива необходимо для вывода на орбиту как космического корабля, так и топлива, необходимого для его межпланетного путешествия. Таким образом, было разработано несколько методов для снижения потребности в топливе для межпланетных путешествий.
В качестве примера изменения скорости можно привести случай, когда космический корабль, движущийся с низкой околоземной орбиты на Марс по простой траектории, должен сначала претерпеть изменение скорости (также известное как delta-v ), в данном случае увеличение примерно на 3,8 км/с. Затем, после перехвата Марса, он должен изменить свою скорость еще на 2,3 км/с, чтобы соответствовать орбитальной скорости Марса вокруг Солнца и выйти на орбиту вокруг него. [10] Для сравнения, запуск космического корабля на низкую околоземную орбиту требует изменения скорости примерно на 9,5 км/с.
В течение многих лет экономичные межпланетные путешествия подразумевали использование переходной орбиты Хохмана . Хохман продемонстрировал, что наименее энергетический маршрут между любыми двумя орбитами — это эллиптическая «орбита», которая образует касательную к начальной и конечной орбитам. Как только космический корабль прибудет, второе приложение тяги повторно закольцевает орбиту в новом месте. В случае планетарных перемещений это означает направление космического корабля, изначально находившегося на орбите, почти идентичной земной, так, чтобы афелий переходной орбиты находился на дальней стороне Солнца вблизи орбиты другой планеты. Космический корабль, путешествующий с Земли на Марс этим методом, прибудет около орбиты Марса примерно через 8,5 месяцев, но поскольку орбитальная скорость больше, когда он ближе к центру масс (т. е. Солнцу), и меньше, когда он дальше от центра, космический корабль будет двигаться довольно медленно, и небольшого приложения тяги будет достаточно, чтобы вывести его на круговую орбиту вокруг Марса. Если маневр рассчитан правильно, то в этот момент Марс «прибудет» под космический корабль.
Перевод Хохмана применим к любым двум орбитам, а не только к тем, в которых участвуют планеты. Например, это наиболее распространенный способ перевода спутников на геостационарную орбиту , после того как они сначала будут «припаркованы» на низкой околоземной орбите . Однако перевод Хохмана занимает время, примерно равное ½ орбитального периода внешней орбиты, поэтому в случае внешних планет это занимает много лет — слишком долго, чтобы ждать. Он также основан на предположении, что точки на обоих концах не имеют массы, как в случае, например, при переводе между двумя орбитами вокруг Земли. Если в конечном пункте перевода находится планета, расчеты значительно усложняются.
Техника гравитационной рогатки использует гравитацию планет и лун для изменения скорости и направления космического корабля без использования топлива. В типичном примере космический корабль отправляется на далекую планету по пути, который намного быстрее, чем тот, который потребовал бы перевод Хохмана. Обычно это означает, что он прибудет на орбиту планеты и продолжит движение мимо нее. Однако, если между точкой отправления и целью находится планета, ее можно использовать для искривления пути к цели, и во многих случаях общее время путешествия значительно сокращается. Ярким примером этого являются два корабля программы Voyager , которые использовали эффекты рогатки для изменения траектории несколько раз во внешней Солнечной системе. Трудно использовать этот метод для путешествий во внутреннюю часть Солнечной системы, хотя можно использовать другие близлежащие планеты, такие как Венера или даже Луна, в качестве рогаток в путешествиях к внешним планетам.
Этот маневр может изменить скорость объекта только относительно третьего, не вовлеченного объекта, — возможно, «центра масс» или Солнца. Скорости двух объектов, вовлеченных в маневр, относительно друг друга не изменяются. Солнце нельзя использовать в гравитационной рогатке, поскольку оно неподвижно по сравнению с остальной частью Солнечной системы, которая вращается вокруг Солнца. Его можно использовать для отправки космического корабля или зонда в галактику, поскольку Солнце вращается вокруг центра Млечного Пути.
Мощная рогатка — это использование ракетного двигателя в точке наибольшего сближения с телом ( перицентр ). Использование в этой точке умножает эффект дельта-v и дает больший эффект, чем в других случаях.
Компьютеров не существовало, когда впервые были предложены орбиты перехода Хохмана (1925), и они были медленными, дорогими и ненадежными, когда были разработаны гравитационные пращи (1959). Недавние достижения в области вычислений сделали возможным использование гораздо большего количества характеристик гравитационных полей астрономических тел и, таким образом, вычисление еще более дешевых траекторий . [12] [13] Были рассчитаны пути, которые связывают точки Лагранжа различных планет в так называемую Межпланетную транспортную сеть . Такие «нечеткие орбиты» потребляют значительно меньше энергии, чем переходы Хохмана, но они намного, намного медленнее. Они непрактичны для пилотируемых миссий, поскольку обычно занимают годы или десятилетия, но могут быть полезны для крупномасштабной транспортировки малоценных товаров, если человечество разовьет космическую экономику .
Аэроторможение использует атмосферу целевой планеты для замедления. Впервые оно было использовано в программе «Аполлон» , где возвращающийся космический корабль не выходил на околоземную орбиту, а вместо этого использовал S-образный вертикальный профиль спуска (начиная с изначально крутого спуска, за которым следовало выравнивание, затем небольшой подъем, затем возвращение к положительной скорости спуска и приводнение в океане) через атмосферу Земли, чтобы снизить свою скорость до тех пор, пока не будет раскрыта парашютная система, обеспечивающая безопасную посадку. Аэроторможение не требует плотной атмосферы — например, большинство марсианских посадочных модулей используют эту технику, а атмосфера Марса составляет всего около 1% от толщины земной.
Аэроторможение преобразует кинетическую энергию космического корабля в тепло, поэтому для предотвращения сгорания требуется теплозащитный экран . В результате аэроторможение полезно только в тех случаях, когда топливо, необходимое для транспортировки теплозащитного экрана к планете, меньше топлива, которое потребовалось бы для торможения незащищенного корабля путем запуска его двигателей. Эту проблему можно решить, создав теплозащитные экраны из материалов, доступных вблизи цели. [14]
Было предложено несколько технологий, которые экономят топливо и обеспечивают значительно более быстрое путешествие, чем традиционная методология использования трансферов Хохмана. Некоторые из них все еще являются лишь теоретическими, но со временем несколько теоретических подходов были проверены в космических полетах. Например, миссия Deep Space 1 была успешным испытанием ионного двигателя . [15] Эти улучшенные технологии обычно фокусируются на одном или нескольких из следующих:
Помимо того, что такие усовершенствования сделают путешествия более быстрыми или менее затратными, они также позволят увеличить «запас прочности» конструкции, снизив необходимость в облегчении космических аппаратов.
Все концепции ракет ограничены уравнением Циолковского , которое устанавливает характеристическую скорость, доступную как функцию скорости истечения и массового отношения начальной ( M 0 , включая топливо) к конечной ( M 1 , с истощенным топливом) массе. Главным следствием этого является то, что скорости миссии, превышающие скорость истечения ракетного двигателя (по отношению к транспортному средству) более чем в несколько раз, быстро становятся непрактичными, поскольку сухая масса (масса полезной нагрузки и ракеты без топлива) падает ниже 10% от всей влажной массы ракеты (массы ракеты с топливом).
В ядерной тепловой ракете или солнечной тепловой ракете рабочее тело, обычно водород , нагревается до высокой температуры, а затем расширяется через сопло ракеты, создавая тягу . Энергия заменяет химическую энергию реактивных химикатов в традиционном ракетном двигателе . Из-за низкой молекулярной массы и, следовательно, высокой тепловой скорости водорода эти двигатели по крайней мере в два раза более экономичны, чем химические двигатели, даже с учетом веса реактора. [ необходима цитата ]
Комиссия по атомной энергии США и НАСА провели испытания нескольких конструкций с 1959 по 1968 год. Конструкции НАСА были задуманы как замена для верхних ступеней ракеты -носителя Saturn V , но испытания выявили проблемы с надежностью, в основном вызванные вибрацией и нагревом, связанными с работой двигателей на таких высоких уровнях тяги. Политические и экологические соображения делают маловероятным использование такого двигателя в обозримом будущем, поскольку ядерные тепловые ракеты были бы наиболее полезны на поверхности Земли или вблизи нее, а последствия неисправности могли бы быть катастрофическими. Концепции тепловых ракет на основе деления обеспечивают более низкие скорости истечения, чем электрические и плазменные концепции, описанные ниже, и поэтому являются менее привлекательными решениями. Для приложений, требующих высокого отношения тяги к весу, таких как побег с планеты, ядерный тепловой двигатель потенциально более привлекателен. [16]
Электрические двигательные установки используют внешний источник, такой как ядерный реактор или солнечные батареи , для выработки электроэнергии , которая затем используется для разгона химически инертного топлива до скоростей, намного превышающих скорости, достигаемые в химической ракете. Такие двигатели производят слабую тягу и поэтому не подходят для быстрых маневров или для запуска с поверхности планеты. Но они настолько экономичны в использовании реакционной массы , что могут непрерывно работать в течение дней или недель, в то время как химические ракеты расходуют реакционную массу так быстро, что могут работать только в течение секунд или минут. Даже полет на Луну достаточно продолжителен для электрической двигательной установки, чтобы обогнать химическую ракету — миссии «Аполлон» длились 3 дня в каждом направлении.
Deep Space One от NASA был очень успешным испытанием прототипа ионного двигателя , который проработал в общей сложности 678 дней и позволил зонду достичь кометы Боррелли, что было бы невозможно для химической ракеты. Dawn , первая оперативная (т. е. не технологическая демонстрационная) миссия NASA, использующая ионный двигатель в качестве основного двигателя, успешно вышла на орбиту крупных астероидов главного пояса 1 Церера и 4 Веста . Более амбициозная версия с ядерным двигателем была предназначена для миссии на Юпитер без человеческого экипажа, Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO), первоначально запланированный к запуску в следующем десятилетии. Из-за смены приоритетов в NASA в пользу пилотируемых космических миссий проект потерял финансирование в 2005 году. Похожая миссия в настоящее время обсуждается как американский компонент совместной программы NASA/ESA по исследованию Европы и Ганимеда .
Группа по оценке многоцентровых технологических приложений NASA, возглавляемая Центром космических полетов имени Джонсона , по состоянию на январь 2011 года описала «Nautilus-X», концептуальное исследование многоцелевого космического исследовательского аппарата, полезного для миссий за пределами низкой околоземной орбиты (НОО), продолжительностью до 24 месяцев для экипажа до шести человек. [17] [18] Хотя Nautilus-X можно адаптировать к различным двигательным установкам для конкретных миссий с различной малой тягой и высоким удельным импульсом (I sp ), ядерный ионно-электрический привод показан в иллюстративных целях. Он предназначен для интеграции и проверки на Международной космической станции (МКС) и подойдет для миссий в дальний космос с МКС на Луну и за ее пределы, включая точки Земля/Луна L1 , Солнце/Земля L2 , околоземные астероиды и орбитальные пункты назначения на Марсе. Он включает в себя центрифугу с пониженной гравитацией, обеспечивающую искусственную гравитацию для здоровья экипажа, чтобы смягчить последствия длительного воздействия нулевой гравитации, а также возможность смягчить воздействие космической радиации. [19]
Электрические тяговые миссии, которые уже были запущены или в настоящее время запланированы, использовали солнечную электроэнергию, что ограничивало их способность работать вдали от Солнца, а также ограничивало их пиковое ускорение из-за массы источника электроэнергии. Ядерно-электрические или плазменные двигатели, работающие в течение длительного времени на низкой тяге и питаемые реакторами деления, могут достигать скорости, намного превышающей скорость транспортных средств с химическим двигателем.
Ракеты на термоядерном синтезе , работающие на реакциях ядерного синтеза , будут «сжигать» такие легкие элементы топлива, как дейтерий, тритий или 3He . Поскольку термоядерный синтез дает около 1% массы ядерного топлива в качестве высвобождаемой энергии, он энергетически более выгоден, чем деление, которое высвобождает всего около 0,1% массы-энергии топлива. Однако технологии как деления, так и термоядерного синтеза в принципе могут достигать скоростей, намного превышающих необходимые для исследования Солнечной системы, а термоядерная энергия все еще ждет практической демонстрации на Земле.
Одним из предложений с использованием термоядерной ракеты был проект «Дедал» . Другая довольно подробная система транспортного средства, разработанная и оптимизированная для пилотируемого исследования Солнечной системы, «Дискавери II», [20] на основе реакции D 3 He, но с использованием водорода в качестве реакционной массы, была описана группой из Исследовательского центра Гленна НАСА . Она достигает характерных скоростей >300 км/с с ускорением ~1,7•10−3 g , с начальной массой корабля ~1700 метрических тонн и долей полезной нагрузки более 10%.
Термоядерные ракеты считаются вероятным источником межпланетного транспорта для планетарной цивилизации . [21]
См. статью о движении космических аппаратов для обсуждения ряда других технологий, которые могли бы в среднесрочной и долгосрочной перспективе стать основой межпланетных миссий. В отличие от ситуации с межзвездными путешествиями , барьеры для быстрых межпланетных путешествий связаны с инженерией и экономикой, а не с какой-либо базовой физикой.
Солнечные паруса основаны на том факте, что свет, отраженный от поверхности, оказывает давление на поверхность. Давление излучения невелико и уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца, но в отличие от ракет, солнечным парусам не требуется топливо. Хотя тяга невелика, она продолжается до тех пор, пока светит Солнце и парус развернут. [22]
Первоначальная концепция опиралась только на излучение Солнца – например, в рассказе Артура Кларка 1965 года « Sunjammer ». Более поздние конструкции светового паруса предлагают увеличивать тягу, направляя на парус наземные лазеры или мазеры . Наземные лазеры или мазеры также могут помочь космическому кораблю с легким парусом замедлиться : парус разделяется на внешнюю и внутреннюю части, внешняя часть выдвигается вперед, и ее форма механически изменяется, чтобы сфокусировать отраженное излучение на внутренней части, а излучение, сфокусированное на внутренней части, действует как тормоз.
Хотя большинство статей о световых парусах посвящены межзвездным путешествиям , было высказано несколько предложений по их использованию в пределах Солнечной системы.
В настоящее время единственным космическим аппаратом, использующим солнечный парус в качестве основного метода движения, является IKAROS , запущенный JAXA 21 мая 2010 года. С тех пор он был успешно развернут и показал, что производит ускорение, как и ожидалось. Многие обычные космические аппараты и спутники также используют солнечные коллекторы, панели управления температурой и солнцезащитные козырьки в качестве световых парусов, чтобы вносить незначительные поправки в свое положение и орбиту без использования топлива. У некоторых даже были небольшие специально построенные солнечные паруса для этого использования (например, геостационарные спутники связи Eurostar E3000, построенные EADS Astrium ).
Можно разместить станции или космические корабли на орбитах, которые циклически перемещаются между разными планетами, например, марсианский циклер будет синхронно перемещаться между Марсом и Землей, с очень небольшим использованием топлива для поддержания траектории. Циклеры являются концептуально хорошей идеей, потому что массивные радиационные щиты, жизнеобеспечение и другое оборудование нужно разместить на траектории циклера только один раз. Циклер может совмещать несколько ролей: среду обитания (например, он может вращаться, чтобы создавать эффект «искусственной гравитации») или материнский корабль (обеспечивающий жизнеобеспечение экипажей меньших космических кораблей, которые едут на нем). [23] Циклеры также могли бы стать отличными грузовыми кораблями для пополнения запасов колонии.
Космический лифт — это теоретическая конструкция, которая будет транспортировать материалы с поверхности планеты на орбиту. [24] Идея заключается в том, что после завершения дорогостоящей работы по строительству лифта неограниченное количество грузов может быть транспортировано на орбиту с минимальными затратами. Даже самые простые конструкции избегают порочного круга запусков ракет с поверхности, когда топливо, необходимое для прохождения последних 10% расстояния до орбиты, должно быть поднято с поверхности, что требует еще большего количества топлива и так далее. Более сложные конструкции космических лифтов снижают затраты энергии на поездку за счет использования противовесов , а самые амбициозные схемы направлены на балансировку грузов, поднимающихся и опускающихся, и, таким образом, делают затраты энергии близкими к нулю. Космические лифты также иногда называют « бобовыми стеблями », «космическими мостами», «космическими лифтами», «космическими лестницами» и «орбитальными башнями». [25]
Создание земного космического лифта выходит за рамки наших современных технологий, хотя лунный космический лифт теоретически можно построить с использованием существующих материалов.
Skyhook — это теоретический класс орбитальных тросовых движителей, предназначенных для подъема полезных грузов на большие высоты и скорости. [26] [27] [28] [29] [30] Предложения по skyhook включают конструкции, в которых тросы вращаются с гиперзвуковой скоростью для захвата высокоскоростных полезных грузов или высотных самолетов и размещения их на орбите. [31] Кроме того, было высказано предположение, что вращающийся skyhook «инженерно нецелесообразен с использованием имеющихся в настоящее время материалов». [32] [33] [34] [35] [36]
SpaceX Starship спроектирован так, чтобы его можно было полностью и быстро повторно использовать, используя технологию повторного использования SpaceX , разработанную в 2011–2018 годах для ракет-носителей Falcon 9 и Falcon Heavy . [37] [38]
Генеральный директор SpaceX Илон Маск подсчитал, что возможность повторного использования как ракеты-носителя, так и космического корабля, связанного со Starship, позволит снизить общие системные затраты на тонну груза, доставленного на Марс, по крайней мере на два порядка по сравнению с тем, чего ранее достигло NASA. [39] [40]
При запуске межпланетных зондов с поверхности Земли, несущих всю энергию, необходимую для длительной миссии, количество полезной нагрузки обязательно крайне ограничено из-за ограничений базовой массы, теоретически описываемых уравнением ракеты . Одной из альтернатив транспортировки большего количества массы по межпланетным траекториям является использование почти всего топлива верхней ступени при запуске, а затем пополнение топлива на околоземной орбите перед запуском ракеты для достижения скорости убегания для гелиоцентрической траектории. Эти топлива могут храниться на орбите в топливном хранилище или доставляться на орбиту в топливном танкере для прямой передачи на межпланетный космический корабль. Для возвращения массы на Землю связанным вариантом является добыча сырья из небесного объекта Солнечной системы, очистка, обработка и хранение продуктов реакции (топлива) на теле Солнечной системы до тех пор, пока не потребуется загрузка транспортного средства для запуска.
По состоянию на 2019 год SpaceX разрабатывает систему, в которой многоразовый первый этап будет доставлять пилотируемый межпланетный космический корабль на околоземную орбиту, отделяться, возвращаться на стартовую площадку, где на него будет установлен космический корабль-заправщик, затем оба будут заправлены топливом, а затем снова запущены для встречи с ожидающим пилотируемым космическим кораблем. Затем танкер будет передавать свое топливо космическому кораблю-заправщику для использования в его межпланетном путешествии. SpaceX Starship — это космический корабль из нержавеющей стали , приводимый в движение шестью двигателями Raptor, работающими на сжатом метановом/кислородном топливе. Его длина составляет 55 м (180 футов), диаметр 9 м (30 футов) в самой широкой точке, и он способен перевозить до 100 тонн (220 000 фунтов) грузов и пассажиров за один полет на Марс с дозаправкой топливом на орбите перед межпланетной частью путешествия. [40] [37] [41]
В качестве примера финансируемого проекта, который в настоящее время [ когда? ] находится в стадии разработки, ключевой частью системы, которую SpaceX разработала для Марса с целью радикального снижения стоимости космических полетов к межпланетным направлениям, является размещение и эксплуатация физического завода на Марсе для управления производством и хранением компонентов топлива, необходимых для запуска и полета Starships обратно на Землю, или, возможно, для увеличения массы, которую можно транспортировать далее к пунктам назначения во внешней Солнечной системе . [40]
Первый Starship to Mars будет нести небольшую топливную установку как часть своего грузового груза. Установка будет расширена на несколько синодов по мере прибытия большего количества оборудования, его установки и перевода в в основном автономное производство . [40]
Завод по производству топлива SpaceX будет использовать большие запасы углекислого газа и водных ресурсов на Марсе, добывая воду (H 2 O) из подземного льда и собирая CO 2 из атмосферы . Химический завод будет перерабатывать сырье с помощью электролиза и процесса Сабатье для производства кислорода (O 2 ) и метана (CH 4 ), а затем сжижать его для облегчения длительного хранения и конечного использования. [40]
Современные космические аппараты пытаются стартовать со всем своим топливом (ракетами и источниками энергии) на борту, которое им понадобится для всего путешествия, а современные космические конструкции поднимаются с поверхности Земли. Внеземные источники энергии и материалов в основном находятся намного дальше, но большинство из них не требуют подъема из сильного гравитационного поля и, следовательно, должны быть намного дешевле для использования в космосе в долгосрочной перспективе.
Самым важным неземным ресурсом является энергия, поскольку она может быть использована для преобразования неземных материалов в полезные формы (некоторые из которых также могут производить энергию). Было предложено по крайней мере два фундаментальных неземных источника энергии: генерация энергии на солнечной энергии (не затрудненная облаками), либо напрямую солнечными батареями , либо косвенно, фокусируя солнечное излучение на котлах, которые производят пар для привода генераторов; и электродинамические тросы , которые генерируют электричество из мощных магнитных полей некоторых планет (у Юпитера очень мощное магнитное поле).
Водяной лед был бы очень полезен и широко распространен на лунах Юпитера и Сатурна:
Кислород является обычным компонентом коры Луны и, вероятно, широко распространен в большинстве других тел Солнечной системы. Неземной кислород был бы ценным источником водяного льда только в том случае, если бы был найден адекватный источник водорода . [ необходимо уточнение ] Возможные области применения включают:
К сожалению, водород, а также другие летучие вещества, такие как углерод и азот, гораздо менее распространены во внутренней части Солнечной системы, чем кислород.
Ученые ожидают найти широкий спектр органических соединений на некоторых планетах, лунах и кометах внешней Солнечной системы , а спектр возможных применений еще шире. Например, метан может использоваться в качестве топлива (сжигаемого с неземным кислородом) или в качестве сырья для нефтехимических процессов, таких как производство пластмасс . А аммиак может быть ценным сырьем для производства удобрений , которые будут использоваться в огородах орбитальных и планетарных баз, что снизит необходимость доставлять им еду с Земли.
Даже необработанная горная порода может быть полезна в качестве ракетного топлива при использовании двигателей большой массы .
Системы жизнеобеспечения должны быть способны поддерживать человеческую жизнь в течение недель, месяцев или даже лет. Необходимо поддерживать пригодную для дыхания атмосферу с давлением не менее 35 кПа (5,1 фунта на квадратный дюйм) с достаточным количеством кислорода, азота и контролируемыми уровнями углекислого газа, следовых газов и водяного пара.
В октябре 2015 года Управление генерального инспектора НАСА опубликовало отчет об опасностях для здоровья, связанных с полетами человека в космос , включая миссию человека на Марс . [44] [45]
Как только транспортное средство покидает низкую околоземную орбиту и защиту магнитосферы Земли, оно попадает в радиационный пояс Ван Аллена , область высокой радиации . За пределами поясов Ван Аллена уровень радиации обычно снижается, но может колебаться с течением времени. [46] Эти высокоэнергетические космические лучи представляют угрозу для здоровья . Даже минимальные уровни радиации во время этих колебаний сопоставимы с текущим годовым пределом для астронавтов на низкой околоземной орбите. [47]
Ученые Российской академии наук ищут методы снижения риска возникновения рака, вызванного радиацией , в рамках подготовки к миссии на Марс. Они рассматривают в качестве одного из вариантов систему жизнеобеспечения, генерирующую питьевую воду с низким содержанием дейтерия (стабильного изотопа водорода ) для потребления членами экипажа. Предварительные исследования показали, что вода с низким содержанием дейтерия обладает определенными противораковыми свойствами. Таким образом, питьевая вода без дейтерия считается потенциально способной снизить риск возникновения рака, вызванного экстремальным воздействием радиации на марсианскую команду. [48] [49]
Кроме того, выбросы корональной массы из Солнца крайне опасны и могут стать фатальными для людей в течение очень короткого периода времени, если они не защищены массивным экраном. [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56]
Любая крупная поломка космического корабля в пути, скорее всего, будет фатальной, и даже незначительная может иметь опасные последствия, если ее быстро не устранить, что трудно сделать в открытом космосе. Экипаж миссии Apollo 13 выжил, несмотря на взрыв, вызванный неисправным кислородным баком (1970). [ необходима цитата ]
По причинам астродинамики , экономичные космические путешествия к другим планетам возможны только в определенных временных окнах . За пределами этих окон планеты по существу недоступны с Земли с использованием современных технологий. Это ограничивает полеты и ограничивает возможности спасения в случае чрезвычайной ситуации. [57]
Одним из главных преимуществ ядерного теплового двигателя является его эффективность. Ядерная тепловая ракета может достичь более чем в два раза большей эффективности по сравнению с обычной химической ракетой, поскольку ее топливо доводится до гораздо более высокой температуры, чем можно достичь в обычной камере сгорания.
что это немного сложно. Потому что нам нужно выяснить, как улучшить стоимость поездок на Марс на пять миллионов процентов ... означает улучшение примерно на 4 1/2 порядка величины. Это ключевые элементы, которые необходимы для достижения улучшения на 4 1/2 порядка величины. Большая часть улучшения будет получена за счет полной повторной использования — где-то между 2 и 2 1/2 порядками величины — а затем остальные 2 порядка величины будут получены за счет заправки на орбите, производства топлива на Марсе и выбора правильного топлива.
{{cite AV media}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка )