Po celé dvacáté století psali autoři sci-fi hodně a talentovaně o průzkumu vesmíru. Hrdinové "Chiusa" dali lidstvu bohatství uranu Golconda, pilot Pirx pracoval jako kapitán vesmírných suchých nákladních lodí, nosné kontejnery a hromadné lodě procházely sluneční soustavou a nemluvím o veškeré mystice cestování k tajemným monolitům.
21. století však nesplnilo očekávání. Lidstvo plachě stojí na chodbě Kosmu a trvale se nedostává mimo oběžnou dráhu Země. Proč se to stalo a v co doufat pro ty, kteří by si chtěli přečíst ve zprávách o zvýšení výnosu marťanských jabloní?
Není potřeba žádný houslista
První paradox, se kterým jsme se setkali, je, že lidé nejsou nejvhodnějším předmětem pro průzkum vesmíru. Autoři sci-fi, kteří přišli s vesmírnými expedicemi, se mohli spolehnout pouze na historické zkušenosti průkopníků Země - námořníků, polárních průzkumníků, prvních letců. Jak by se vlastně líbilo dobytí Marsu od dobytí jižního pólu?
A sem tam je prostředí nevhodné pro život bez předběžné přípravy, musíte si vzít s sebou zásoby a nemůžete jít ven z lodi nebo domů bez nasazení speciálního vybavení. Autoři sci-fi a futuristé však nemohli předvídat vývoj elektroniky a robotiky a robotičtí vědci byli obvykle popisováni neoficiálně:
"Musel jsem půl hodiny odhlížet od dopisu a poslouchat stížnosti mého souseda, kybernetika Šcherbakova." Pravděpodobně víte, že na sever od raketometu je ve výstavbě velký podzemní závod na zpracování uranu a transuranidů. Lidé pracují na šest směn. Roboti - nepřetržitě; úžasné stroje, poslední slovo v praktické kybernetice. Ale jak říkají Japonci, opice také spadne ze stromu. Nyní ke mně Shcherbakov, rozzlobený jako ďábel, řekl, že gang těchto mechanických idiotů (podle jeho vlastních slov) dnes v noci ukradl jedno z velkých skladišť rudy a očividně si to spletl s neobvykle bohatým ložiskem. Roboti měli různé programy, takže do rána část skladu skončila ve skladech raketometu, část - u vchodu do geologického oddělení, a část byla obecně neznámá kde. Hledání pokračuje. “
Propagační video:
Žádný ze známých autorů ale netušil, že robot při průzkumu vesmíru má oproti člověku mnoho výhod:
Na rozdíl od člověka potřebuje robot pouze energetickou a tepelnou rovnováhu. Není třeba vláčet desítky tun skleníků, potravin, vody, kyslíku, oděvů a hygienických výrobků, léků a dalších věcí.
Robota lze poslat jedním směrem bez návratu.
Robot je schopen pracovat roky. Zkušenosti cestovatelů, marťanských roverů nebo Cassini naznačují, že nyní je správnější hovořit ne o letech, ale o desetiletích.
Robot je schopen pracovat roky v podmínkách, které jsou pro člověka smrtelné. Sonda Galileo dostala dávku 25krát vyšší než smrtelná dávka pro člověka a poté fungovala na oběžné dráze po dobu 8 let.
Ve výsledku se ukázalo, že do technických schopností lidstva zapadají pouze roboty vážící několik tun, které je za rozumné peníze posílají na jiné planety, a stal se jediným způsobem, jak uspokojit vědeckou zvědavost a pořídit nádherné fotografie.
Žijeme v logistické křivce
Druhou chybou autorů sci-fi bylo, že předpovídali lineární nebo dokonce exponenciální vývoj astronautiky. Přestože v roce 1838 byl objeven fenomén jako logistická křivka. Co je to za strašlivé zvíře? Jako příklad si vezměte historii letectví:
1900. První neohrabané knihovny, první záznamy - lety na několik kilometrů s jedním cestujícím.
1910. První skauti, stíhači, bombardéry, poštovní a osobní letadla.
1920-1930. Zvládnutí nočních letů, první mezikontinentální lety.
40. léta. Letectví je vážná vojenská a dopravní síla.
1950. Proudové motory dodávají vývoji letectví nový impuls - nové rychlosti, rozsahy a výšky a ještě více cestujících.
1960-70. První nadzvukový osobní letoun se širokým trupem, letectví, je cenově dostupnější.
1980-90. Brzdění Vývoj je stále dražší, vývojové firmy se spojují do obřích společností. A letadla jsou si stále více podobná.
2000s. Omezit. Oba giganti, Boeing a Airbus, vyrábějí navenek identické stroje a nadzvuková letadla pro cestující zcela vymřela.
Pokud tyto úspěchy přeložíte do čísel, získáte následující obrázek:
V astronautice je situace úplně stejná:
Pro přehlednost lze graf S-křivky překrýt grafem nákladů k dosažení této úrovně:
A smutkem našeho „dneška“je, že v astronautice se stávajícími technologiemi jsme blízko úrovni nasycení. Technicky můžete letět ve verzi s posádkou na Měsíc a dokonce i na Mars, ale nějak je to škoda peněz.
Dejte KC - dostanete gravitaci
Dalším smutným aspektem, který zpomaluje pomlčku do vesmíru, je to, že ještě nebylo objeveno něco velmi cenného, za což stojí za to utrácet peníze za průzkum vesmíru mimo oběžnou dráhu Země. Vezměte prosím na vědomí, že na oběžné dráze Země je spousta komerčních satelitů - komunikační, televizní a internetová, meteorologická, kartografická. A všechny mají hmatatelné peněžní výhody. A k čemu slouží mise s posádkou na Měsíc? Zde je oficiální seznam výsledků amerického lunárního programu v hodnotě přibližně 170 miliard USD (v cenách roku 2005):
Měsíc není primárním objektem, je to pozemská planeta se svým vývojem a vnitřní strukturou podobnou Zemi.
Měsíc je starodávný a udržuje historii první miliardy let vývoje pozemských planet.
Nejmladší měsíční horniny jsou přibližně ve stejném věku jako nejstarší pozemské horniny. Stopy nejranějších procesů a událostí, které mohly ovlivnit Měsíc a Zemi, lze nyní najít pouze na Měsíci.
Měsíc a Země jsou geneticky příbuzné a jsou vytvořeny z různých poměrů společné sady materiálů.
Měsíc je bez života a neobsahuje žádné živé organismy ani místní organickou hmotu.
Měsíční horniny pocházely z vysokoteplotních procesů bez účasti vody. Jsou rozděleny do tří typů: čediče, anortosity a brekcie.
Kdysi dávno byl Měsíc roztaven do velké hloubky a vytvořil oceán magmatu. Měsíční hory obsahují zbytky raných hornin s nízkou hustotou, které se vznášely na povrchu tohoto oceánu.
Oceán magmatu byl tvořen řadou obrovských dopadů asteroidů, které vytvořily kaluži naplněné lávovými proudy.
Měsíc je poněkud asymetrický, pravděpodobně kvůli vlivu Země.
Povrch měsíce je pokryt kameny a prachem. Toto se nazývá lunární regolit a obsahuje jedinečnou radiační historii Slunce, která je důležitá pro pochopení změny klimatu na Zemi.
To vše je velmi zajímavé (žádné vtipy), ale všechny tyto znalosti mají nenapravitelnou nevýhodu - nemůžete je rozložit na chléb, nalít do benzínové nádrže nebo z toho postavit dům. Pokud bylo v rozlehlosti vesmíru objeveno určité „elerium“, „tiberium“nebo jiné shishdostanium, které by bylo možné použít jako:
Nákladově efektivní zdroj energie.
Nedílnou součástí výroby něčeho hodnotného a užitečného.
Potraviny / léky / vitamíny zásadně nové kvality.
Luxusní předmět nebo zdroj potěšení.
Pokud by také rostl pouze na Marsu nebo v pásu asteroidů (a nebyl by reprodukován na Zemi) a mohl by být těžen pouze lidmi (aby mazané lidstvo neposílalo levnější a nenáročnější roboty), pak by to byl průzkum vesmíru s posádkou, který by získal neocenitelnou pobídku. A v případě jeho absence by v pesimistickém scénáři ve dvacátých letech 20. století mohlo lidstvo ztratit trvalou přítomnost i na oběžné dráze Země - na pozadí politiků, které politici rozbijí, se daňoví poplatníci mohou ptát: „Proč potřebujeme novou stanici po ISS?“
Prokletí Tsiolkovského vzorce
Tady to je, nemesis kosmonautiky:
Tady:
V je konečná rychlost rakety.
I - specifický impuls motoru (kolik sekund může motor na 1 kilogram paliva vytvořit tah 1 Newton)
M1 je počáteční hmotnost rakety.
M2 je konečná hmotnost rakety.
V pro případ plných nádrží bude charakteristická rychlostní marže, tj. Rychlostní marže, se kterou můžeme v případě potřeby zrychlit / zpomalit. Tomu se také říká mezní hodnota delta-V (delta znamená změnu, tj. Je to mezní hodnota pro změnu rychlosti)
V čem je problém? Pojďme si vzít mapu požadovaných změn rychlosti pro sluneční soustavu:
Představme si nyní, že chceme letět na Mars a zpět. To bude činit:
9400 m / s - start ze Země.
3210 m / s - opuštění oběžné dráhy Země.
1060 m / s - zachycení Marsu.
0 m / s - vstup na nízkou oběžnou dráhu Marsu (bílý trojúhelník znamená možnost brzdění proti atmosféře).
0 m / s - přistání na Marsu (zpomalíme na atmosféru).
3800 m / s - start z Marsu.
1440 m / s - zrychlení z oběžné dráhy Marsu.
1060 m / s - zachycení Země.
0 m / s - vstup na nízkou oběžnou dráhu Země (zpomalíme proti atmosféře).
0 m / s - přistání na Zemi (zpomalíme na atmosféru).
Výsledkem je krásná postava 19970 m / s, kterou zaokrouhlujeme na 20 000 m / s. Nechť je naše raketa ideální a objem paliva nijak neovlivňuje její hmotnost (nádrže, potrubí nic neváží). Pokusme se vypočítat závislost počáteční hmotnosti rakety na konečné hmotnosti a specifickém impulsu. Transformací Tsiolkovského vzorce dostaneme:
M1 = eV / I * M2
Využijme bezplatný matematický balíček Scilab. Vezmeme konečnou hmotnost v rozmezí 10–1 000 tun, měrný impuls se bude pohybovat od 2 000 m / s (chemické motory na hydrazin) do 200 000 m / s (teoretický odhad maximálního impulsu elektrického pohonu pro dnešek). Hned musím říci, že pro maximální hmotnost a minimální impuls bude existovat velmi velká hodnota (22 milionů tun), takže měřítko zobrazení bude logaritmické.
[m2 I] = meshgrid (10: 50: 1000,2000: 5000: 200000);
m1 = log (exp (20000 * I. ^ - 1). * m2);
surfovat (m2, I, m1)
Tento krásný graf je ve skutečnosti vizuálním verdiktem pro chemické motory. To není novinka - na chemických motorech, jak dokonale ukazuje praxe, můžete normálně vypustit malé sondy, ale i let na posádku na Měsíc je již poněkud obtížný.
Ulehčíme naše podmínky. Nejprve předpokládejme, že vycházíme z oběžné dráhy Země, a místo 20 km / s potřebujeme 10. Zadruhé jsme odřízli „ocas“neúčinných chemických motorů a stanovili minimální hodnotu I na 4400 m / s (AI vodíkového motoru Space Shuttle) RS-25):
[m2 I] = meshgrid (10: 50: 1000,4400: 5000: 200000);
m1 = log (exp (10 000 * I. ^ - 1). * m2);
surfovat (m2, I, m1)
Logaritmická stupnice:
Lineární měřítko:
Vzdejme se úplně chemických motorů. Jaderný motor NERVA měl AI 9000 sekund. Přepočítejme:
[m2 I] = meshgrid (10: 50: 1000,9000: 5000: 200000);
m1 = exp (10 000 * I. ^ - 1). * m2;
surfovat (m2, I, m1)
Lineární měřítko:
Proč opakuji tyto monotónní grafy? Faktem je, že plochá plocha označená jako „důvod pro optimismus“ukazuje, že když se objeví motory s AI vyšší než 50 000 m / s, bude možné létat víceméně snášenlivě bez lodí s počáteční hmotností milionů tun ve sluneční soustavě. A elektrické pohonné motory, které již existují, mají ID 25000-30000 m / s (například SPD 2300).
Je však nutné si uvědomit, že důvod optimismu je velmi zdrženlivý. Nejprve musí být tyto tisíce tun dopraveny na oběžnou dráhu Země (což je extrémně obtížné). Zadruhé, stávající elektrické pohonné motory mají malý tah a aby bylo možné zrychlit s vhodným zrychlením, musí být nainstalovány multi-megawattové reaktory.
Vytvořme další zajímavý graf. Dejte nám vědět o konečné hmotnosti - 1 000 tun. Postavme závislost počáteční hmoty na konkrétním impulsu a konečné rychlosti:
[VI] = meshgrid (10 000: 2 000: 100 000 500 000: 5 000: 200 000);
m1 = exp (V. * (I. ^ - 1)) * 1000;
surfovat (V, I, m1)
Tento graf je zajímavý tím, že jde v jistém smyslu o pohled do vzdálenější budoucnosti lidstva. Pokud chceme pohodlný a rychlý let napříč sluneční soustavou, pak budeme muset jít o jeden řád výše v ovládání konkrétního impulsu - potřebujeme motory s ID několik stovek tisíc metrů za sekundu.
Nejsou zde žádné ryby
Lidstvo se vyznačuje mazaností a vynalézavostí. Proto bylo vynalezeno mnoho nápadů s cílem usnadnit přístup do vesmíru. Jedním z nejdůležitějších parametrů charakterizujících bariéru, kterou chceme přeskočit, jsou náklady na uvedení kilogramu na oběžnou dráhu. Nyní se podle různých odhadů (tento sloupec byl odstraněn z Wiki, zde například další zdroj) pro různé nosné rakety pohybuje tato cena v rozmezí 4000–13000 $ za kilogram při nízké oběžné dráze Země. Na co jste se snažili přijít, aby bylo snazší, snazší a levnější dostat se alespoň na oběžnou dráhu Země?
Opakovaně použitelné systémy. Historicky tato myšlenka již jednou v programu Space Shuttle selhala. Nyní to dělá Elon Musk, který plánuje zasadit první fázi. Rád bych mu popřál mnoho úspěchů, ale na základě minulého neúspěchu si nemyslím, že to bude kvalitativní průlom. V nejlepším případě cena klesne o několik procent.
Jedna fáze na oběžnou dráhu. Navzdory opakovaným pokusům nepřekročila rámec projektů.
Start vzduchu. Existuje úspěšný projekt pro malé užitečné zatížení, ale u těžkých nákladů se neomezuje.
Raketový start vesmíru. Bylo vynalezeno mnoho projektů, ale všechny mají fatální chybu - jsou nutné astronomické investice, které nelze „znovu získat“bez úplného dokončení projektu. Dokud nebude vesmírný výtah, fontána nebo hromadný pohon plně postaven a spuštěn, nebude z toho žádný zisk.
Než se srdce uklidní
Jak můžete po těchto smutných úvahách rozveselit? Mám dva argumenty - jeden abstraktní a základní, druhý konkrétnější.
Za prvé, pokrok jako celek není jednou křivkou S, ale spoustou z nich, což vytváří právě takový optimistický obraz:
V historii letectví lze rozlišit například:
A určitě jsme ty a já ve stejném bodě vývoje astronautiky. Ano, nyní dochází k určité stagnaci a dokonce je možné vrátit se zpět, ale lidstvo s hlavami svých nejlepších představitelů prolomí zeď poznání a někde, ještě si toho nevšimli, pronikají výhonky nové budoucnosti.
Druhým argumentem jsou zprávy o vývoji jaderného reaktoru pro dopravní a energetický modul, které se neobejdou bez velkého rozruchu:
Nejnovější zprávy o tomto projektu byly v létě - byl sestaven první TVEL. Práce, i když bez pravidelné publicity, očividně pokračují a lze doufat, že se v nadcházejících letech objeví zásadně nový aparát - jaderný remorkér s elektrickým pohonným motorem.
P. S
Jedná se o poněkud neudržované myšlenky, řekněme jim první iterace. Chtěl bych získat zpětnou vazbu - možná mi něco uniklo nebo jsem nesprávně definoval význam tohoto jevu. Kdo ví, možná po zpracování zpětné vazby získáte ucelenější koncept nebo přijdete s něčím zajímavým?
Avor: lozga