Межпланетный космический полет

Продолжительность: 12 секунд. 0:12

Вид с МЕССЕНДЖЕРА , пролетающего мимо Земли по пути к Меркурию

Межпланетный космический полет или межпланетное путешествие — это путешествие с экипажем или без экипажа между звездами и планетами , обычно в пределах одной планетной системы . На практике космические полеты этого типа ограничиваются путешествиями между планетами Солнечной системы . Беспилотные космические зонды облетели все наблюдаемые планеты Солнечной системы, а также карликовые планеты Плутон и Церера , а также несколько астероидов . Орбитальные аппараты и посадочные аппараты возвращают больше информации, чем пролетные миссии. Полеты с экипажем приземлялись на Луну и время от времени планировались на Марс , Венеру и Меркурий . Хотя многие ученые осознают ценность знаний, которые дают беспилотные полеты, ценность полетов с экипажем более спорна. Писатели-фантасты предлагают ряд преимуществ, включая добычу полезных ископаемых на астероидах, доступ к солнечной энергии и пространство для колонизации в случае земной катастрофы.

Был разработан ряд технологий, позволяющих сделать межпланетные полеты более экономичными. Достижения в области вычислительной техники и теоретической науки уже улучшили некоторые методы, а 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 для соответствия орбитальной скорости тела назначения. Другие разработки предназначены для совершенствования запуска и двигательной активности ракет, а также использования нетрадиционных источников энергии. Использование внеземных ресурсов для получения энергии, кислорода и воды позволит снизить затраты и улучшить системы жизнеобеспечения.

Любой межпланетный полет с экипажем должен включать определенные требования к конструкции. Системы жизнеобеспечения должны быть способны поддерживать жизнь человека в течение длительных периодов времени. Необходимы профилактические меры для снижения воздействия радиации и обеспечения оптимальной надежности.

Современные достижения в межпланетных путешествиях

Равнины Плутона , какими их увидел аппарат New Horizons после почти 10-летнего путешествия.

с дистанционным управлением Космические зонды пролетели мимо всех наблюдаемых планет Солнечной системы от Меркурия до Нептуна , при этом зонд «Новые горизонты» пролетел мимо карликовой планеты Плутон , а «Рассвет» космический корабль в настоящее время вращается вокруг карликовой планеты Церера . Самые далекие космические корабли «Вояджер-1» и «Вояджер-2» покинули Солнечную систему 8 декабря 2018 года, а «Пионер-10» , «Пионер-11» и «Новые горизонты» собираются покинуть Солнечную систему.

В целом, орбитальные аппараты и спускаемые аппараты планет возвращают гораздо более подробную и полную информацию, чем миссии облета. Космические зонды были выведены на орбиту вокруг всех пяти планет, известных древним: первыми из них были Венера ( Венера-7 , 1970 г.), Марс ( Маринер-9 , 1971 г.), Юпитер ( Галилео , 1995 г.), Сатурн ( Кассини/Гюйгенс , 2004 г.) . ), а совсем недавно Меркурий ( MESSENGER , март 2011 г.), и предоставили данные об этих телах и их естественных спутниках. .

Миссия NEAR Shoemaker в 2000 году облетела вокруг большого околоземного астероида 433 Эрос и даже успешно приземлилась там, хотя она не была спроектирована с учетом этого маневра. Японский с ионным двигателем космический корабль «Хаябуса» в 2005 году также облетел небольшой околоземный астероид 25143 Итокава , ненадолго приземлившись на него и вернув на Землю зерна его поверхностного материала. Другая миссия с ионным двигателем, Dawn , облетела орбиту большого астероида Веста (июль 2011 г. – сентябрь 2012 г.), а затем направилась к карликовой планете Церера , прибыв туда в марте 2015 г.

Дистанционно управляемые посадочные аппараты, такие как «Викинг» , «Патфайндер» и два марсохода для исследования Марса, приземлились на поверхность Марса, а несколько космических кораблей «Венера» и «Вега» приземлились на поверхность Венеры, причем последний развернул воздушные шары в атмосферу планеты. Зонд «Гюйгенс» успешно приземлился на спутнике Сатурна Титане .

Ни на одну планету Солнечной системы не было отправлено ни одной миссии с экипажем. и Луну вернула Однако программа НАСА «Аполлон» высадила двенадцать человек на их на Землю . Американское видение освоения космоса , первоначально представленное президентом США Джорджем Бушем и реализованное на практике посредством программы «Созвездие» , имело долгосрочную цель — в конечном итоге отправить людей-астронавтов на Марс. Однако 1 февраля 2010 года президент Барак Обама предложил отменить программу в 2011 финансовом году. Более ранний проект, который получил серьезное планирование со стороны НАСА, включал облет Венеры с экипажем в рамках миссии пилотируемого полета к Венере , но был отменен, когда Программа приложений Apollo была прекращена из-за сокращения бюджета НАСА в конце 1960-х годов.

Причины межпланетных путешествий

Космическая колония на цилиндре О'Нила

Затраты и риск межпланетных путешествий широко освещаются в прессе — яркими примерами являются неисправности или полные отказы зондов без человеческого экипажа, таких как «Марс-96» , «Дип Спейс-2» и «Бигль-2» (в статье « Список зондов Солнечной системы» приводится полный список).

Многие астрономы, геологи и биологи полагают, что исследование Солнечной системы дает знания, которые невозможно получить путем наблюдений с поверхности Земли или с орбиты вокруг Земли. Однако они расходятся во мнениях относительно того, оправдывают ли миссии с участием людей свою стоимость и риск. Критики полетов человека в космос утверждают, что роботизированные зонды более эффективны с точки зрения затрат, поскольку производят больше научных знаний на каждый потраченный доллар; роботам не нужны дорогостоящие системы жизнеобеспечения, их можно отправлять на миссии с односторонним движением, и их возможности становятся все выше по мере развития искусственного интеллекта. Другие утверждают, что либо астронавты, либо ученые-космонавты, получив рекомендации земных ученых, могут более гибко и разумно реагировать на новые или неожиданные особенности любого региона, который они исследуют.

Некоторые представители широкой общественности ценят космическую деятельность главным образом за ту ощутимую пользу, которую она может принести себе или человечеству в целом. До сих пор единственными преимуществами этого типа были «побочные» технологии, которые были разработаны для космических миссий, а затем оказались не менее полезными и в других видах деятельности ( НАСА публикует побочные результаты своей деятельности). Однако общественная поддержка, по крайней мере в США, фундаментальных научных исследований по-прежнему выше, чем полетов человека в космос; Опрос 2023 года показал, что американцы считают фундаментальные исследования третьим по важности приоритетом для НАСА после мониторинга опасных для Земли астероидов и понимания изменения климата. Поддержка научных исследований примерно в четыре раза выше, чем полет человека на Луну или Марс.

Помимо побочных эффектов, другие практические мотивы межпланетных путешествий более спекулятивны. Но писатели- фантасты имеют довольно хороший опыт в предсказании будущих технологий — например, геосинхронных спутников связи ( Артур Кларк ) и многих аспектов компьютерных технологий ( Мак Рейнольдс ).

Многие научно-фантастические рассказы содержат подробные описания того, как люди могли добывать минералы из астероидов и энергию из таких источников, как орбитальные солнечные панели (беспрепятственные облаками) и очень сильное магнитное поле Юпитера. Некоторые утверждают, что такие методы могут быть единственным способом обеспечить повышение уровня жизни, не останавливаясь при этом из-за загрязнения или истощения ресурсов Земли (например, пика добычи нефти ).

Существуют также ненаучные мотивы полета человека в космос, такие как приключение или вера в то, что у людей есть духовная судьба в космосе.

Наконец, создание полностью самодостаточных колоний в других частях Солнечной системы могло бы, если это возможно, предотвратить истребление человеческого вида в результате нескольких возможных событий (см. « Вымирание человечества »). Одним из таких возможных событий является столкновение с астероидом , подобное тому, которое могло привести к мел-палеогеновому вымиранию . Хотя различные проекты «Космической стражи» отслеживают Солнечную систему на предмет объектов, которые могут приблизиться к Земле в опасной близости, нынешние стратегии отклонения астероидов являются грубыми и непроверенными. Задача еще более усложняется тем, что углистые хондриты довольно закопчены, и поэтому их очень трудно обнаружить. Хотя углеродистые хондриты считаются редкими, некоторые из них очень велики, и предполагаемый « убийца динозавров » мог быть углеродистым хондритом.

Некоторые ученые, в том числе сотрудники Института космических исследований , утверждают, что подавляющее большинство человечества в конечном итоге будет жить в космосе и получит от этого выгоду.

Техника экономичного путешествия

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, а приближающийся космический корабль будет ускоряться. Кроме того, поскольку любые две планеты находятся на разном расстоянии от Солнца, планета, с которой стартует космический корабль, движется вокруг Солнца с иной скоростью, чем планета, к которой движется космический корабль (в соответствии с Третьим законом Кеплера ). Из-за этих фактов космический корабль, желающий перебраться 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 увеличить свою скорость относительно Солнца. его скорость существенно. Затем, если космический корабль дополнительно желает выйти на орбиту вокруг планеты назначения (вместо того, чтобы просто пролетать мимо нее), он должен соответствовать орбитальной скорости планеты вокруг Солнца, что обычно требует еще одного большого изменения скорости.

Простое выполнение этого с помощью грубой силы – ускорение по кратчайшему маршруту к месту назначения и затем соответствие скорости планеты – потребует чрезвычайно большого количества топлива. А топливо, необходимое для создания этих изменений скорости, должно быть запущено вместе с полезной нагрузкой, и поэтому для вывода на орбиту как космического корабля, так и топлива, необходимого для его межпланетного путешествия, требуется еще больше топлива. Таким образом, было разработано несколько методов снижения потребности в топливе для межпланетных путешествий.

В качестве примера изменений скорости можно привести космический корабль, движущийся с низкой околоземной орбиты на Марс по простой траектории, сначала должен претерпеть изменение скорости (также известное как дельта -v ), в данном случае увеличение примерно на 3,8 км/ч. с. Затем, после перехвата Марса, он должен изменить свою скорость еще на 2,3 км/с, чтобы сравняться с орбитальной скоростью Марса вокруг Солнца и выйти на орбиту вокруг него. Для сравнения, для вывода космического корабля на низкую околоземную орбиту требуется изменение скорости примерно на 9,5 км/с.

Хоманн трансферы

Переходная орбита Хохмана: космический корабль отправляется из точки 2 на орбите Земли и прибывает в точку 3 на орбите Марса (не в масштабе).

В течение многих лет экономичное межпланетное путешествие означало использование переходной орбиты Гомана . Хоманн продемонстрировал, что маршрут с наименьшей энергией между любыми двумя орбитами представляет собой эллиптическую «орбиту», которая образует касательную к начальной и конечной орбитам. Как только космический корабль прибудет, второе применение тяги приведет к повторному обращению по орбите в новом месте. В случае планетарных переходов это означает наведение космического корабля, первоначально 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, достигнет орбиты Марса примерно через 8,5 месяцев, но поскольку орбитальная скорость больше, когда ближе к центру масс (т. е. к Солнцу), и медленнее, когда дальше от центра, космический корабль будет двигаться довольно медленно, и достаточно небольшого приложения тяги, чтобы вывести его на круговую орбиту вокруг Марса. Если маневр рассчитан правильно, Марс «прибудет» под космический корабль, когда это произойдет.

Перенос Гомана применим к любым двум орбитам, а не только к тем, в которых задействованы планеты. Например, это наиболее распространенный способ перевода спутников на геостационарную орбиту после того, как они сначала «припарковались» на низкой околоземной орбите . Однако переход Гомана занимает время, подобное ½ орбитального периода внешней орбиты, поэтому в случае внешних планет это много лет – слишком долго, чтобы ждать. Он также основан на предположении, что точки на обоих концах не имеют массы, как, например, в случае перехода между двумя орбитами вокруг Земли. Когда планета находится в конечном конце перехода, расчеты становятся значительно сложнее.

Гравитационная рогатка

Основная статья: гравитационная рогатка

Упрощенный пример гравитационной рогатки: скорость космического корабля почти в два раза превышает скорость планеты.

График зависимости гелиоцентрической скорости " Вояджера-2 " от расстояния до Солнца, иллюстрирующий использование силы гравитации для ускорения космического корабля Юпитером, Сатурном и Ураном. Чтобы наблюдать Тритон , «Вояджер-2» пролетел над северным полюсом Нептуна, что привело к ускорению за пределами плоскости эклиптики и уменьшению скорости вдали от Солнца.

Техника гравитационной рогатки использует гравитацию планет и лун для изменения скорости и направления космического корабля без использования топлива. Типичный пример: космический корабль отправляется на далекую планету по пути, который намного быстрее, чем требовалось бы при перелете Хомана. Обычно это означает, что он достигнет орбиты планеты и продолжит движение мимо нее. Однако если между отправной точкой и целью есть планета, ее можно использовать для изменения пути к цели, и во многих случаях общее время путешествия значительно сокращается. Ярким примером этого являются два корабля программы «Вояджер» , которые использовали эффекты рогатки для несколько раз изменения траекторий во внешней части Солнечной системы. Этот метод трудно использовать 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, постороннего объекта – возможно, «центра масс» или Солнца. Изменения скоростей двух объектов, участвующих в маневре, относительно друг друга не происходит. Солнце нельзя использовать в гравитационной рогатке, поскольку оно неподвижно по сравнению с остальной частью Солнечной системы, вращающейся вокруг Солнца. Его можно использовать для отправки космического корабля или зонда в галактику, поскольку Солнце вращается вокруг центра Млечного Пути.

Мощная рогатка

Основная статья: Эффект Оберта

Рогатка с приводом — это использование ракетного двигателя на максимальном приближении к телу ( перицентре ) или вблизи него. Использование в этот момент умножает эффект дельта-v и дает больший эффект, чем в другое время.

Нечеткие орбиты

Компьютеров не существовало, когда переходные орбиты Гомана впервые были предложены гравитационные рогатки (1925 г.), и они были медленными, дорогими и ненадежными, когда были разработаны (1959 г.). Недавние достижения в области вычислений позволили использовать многие другие особенности гравитационных полей астрономических тел и, таким образом, рассчитывать еще более дешевые траектории . Были рассчитаны пути, которые связывают точки Лагранжа различных планет в так называемую Межпланетную транспортную сеть . Такие «нечеткие орбиты» потребляют значительно меньше энергии, чем перемещения Гомана, но происходят намного медленнее. Они непрактичны для миссий с пилотируемым экипажем, поскольку обычно занимают годы или десятилетия, но могут быть полезны для перевозки больших объемов недорогих товаров , если человечество разовьет космическую экономику .

Аэроторможение

Командный модуль Аполлона летит под большим углом атаки к аэробрейку, скользя по атмосфере (художественное исполнение)

Аэроторможение использует атмосферу целевой планеты для замедления. Впервые он был использован в программе «Аполлон» , где возвращающийся космический корабль не выходил на околоземную орбиту, а вместо этого использовал S-образный профиль вертикального спуска (начиная с первоначально крутого спуска, за которым следовало выравнивание, за которым следовал небольшой набор высоты, за которым следовал вернуться к положительной скорости снижения, продолжая приводниться в океане) через атмосферу Земли, чтобы снизить скорость до тех пор, пока не будет развернута парашютная система, обеспечивающая безопасную посадку. Аэроторможение не требует плотной атмосферы - например, этот метод используется большинством марсианских аппаратов, а толщина атмосферы Марса составляет всего около 1% толщины земной.

космического корабля Аэроторможение преобразует кинетическую энергию требуется теплозащитный экран в тепло, поэтому для предотвращения возгорания корабля . В результате аэроторможение полезно только в тех случаях, когда топлива, необходимого для транспортировки теплового щита на планету, меньше, чем топлива, которое потребовалось бы для торможения неэкранированного корабля путем запуска его двигателей. Эту проблему можно решить, создав тепловые экраны из материала, доступного рядом с целью.

Усовершенствованные технологии и методологии

Было предложено несколько технологий, которые экономят топливо и обеспечивают значительно более быстрое путешествие, чем традиционная методология использования трансферов Хохмана . Некоторые из них пока остаются лишь теоретическими, но со временем некоторые теоретические подходы были опробованы в космических полетах. Например, миссия Deep Space 1 стала успешным испытанием ионного двигателя . Эти улучшенные технологии обычно фокусируются на одном или нескольких из:

• Космические двигательные установки с гораздо большей экономией топлива. Такие системы позволили бы путешествовать гораздо быстрее, сохраняя при этом стоимость топлива в приемлемых пределах.
• Использование солнечной энергии и использование ресурсов на месте, чтобы избежать или свести к минимуму дорогостоящую задачу по доставке компонентов и топлива с поверхности Земли, преодолевая гравитацию Земли (см. «Использование внеземных ресурсов» ниже).
• Новые методологии использования энергии в разных местах или разными способами, которые могут сократить время транспортировки или снизить стоимость единицы массы космического транспорта.

Помимо того, что путешествия станут быстрее или дешевле, такие улучшения могут также обеспечить больший «запас безопасности» конструкции за счет уменьшения необходимости делать космический корабль легче.

Улучшенные концепции ракет.

Основная статья: Двигательная установка космического корабля

Все концепции ракет ограничены уравнением ракеты Циолковского , которое устанавливает характерную скорость, доступную как функцию скорости выхлопа и отношения масс, от начальной ( M ₀ , включая топливо) к конечной ( M ₁ , исчерпанное топливо) массы. Основным последствием является то, что скорость полета, более чем в несколько раз превышающая скорость истечения ракетного двигателя (по отношению к летательному аппарату), быстро становится непрактичной, поскольку сухая масса (масса полезной нагрузки и ракеты без топлива) падает ниже 10% от ракеты вся влажная масса (масса ракеты с топливом).

Ядерные тепловые и солнечные тепловые ракеты

Эскиз ядерной тепловой ракеты

В ядерной тепловой ракете или солнечной тепловой ракете рабочее тело, обычно водород , нагревается до высокой температуры, а затем расширяется через сопло ракеты , создавая тягу . Эта энергия заменяет химическую энергию реактивных химикатов в традиционном ракетном двигателе . Из-за низкой молекулярной массы и, следовательно, высокой тепловой скорости водорода эти двигатели как минимум в два раза более экономичны, чем химические двигатели, даже с учетом веса реактора.

США Комиссия по атомной энергии и НАСА протестировали несколько проектов в период с 1959 по 1968 год. Проекты НАСА были задуманы как замена верхних ступеней ракеты-носителя Сатурн V , но испытания выявили проблемы с надежностью, в основном вызванные вибрацией и нагревом, возникающими при работа двигателей на таких высоких уровнях тяги. Политические и экологические соображения делают маловероятным использование такого двигателя в обозримом будущем, поскольку ядерные тепловые ракеты будут наиболее полезны на поверхности Земли или вблизи нее, а последствия неисправности могут быть катастрофическими. Концепции тепловых ракет на основе деления обеспечивают более низкие скорости выхлопа, чем электрические и плазменные концепции, описанные ниже, и поэтому являются менее привлекательными решениями. Для применений, требующих высокой удельной мощности, таких как побег с планеты, ядерная тепловая энергия потенциально более привлекательна.

Электрическая двигательная установка

Электрические двигательные системы используют внешний источник, такой как ядерный реактор или солнечные элементы, для выработки электроэнергии , которая затем используется для разгона химически инертного топлива до скоростей, намного превышающих те, которые достигаются в химической ракете. Такие двигатели создают слабую тягу и поэтому непригодны для быстрых маневров или запуска с поверхности планеты. Но они настолько экономны в использовании реактивную массу , которую они могут непрерывно стрелять в течение нескольких дней или недель, в то время как химические ракеты расходуют реакционную массу так быстро, что могут стрелять только в течение секунд или минут. Даже путешествие на Луну достаточно продолжительно, чтобы электрическая двигательная установка обогнала химическую ракету — миссии «Аполлона» занимали по 3 дня в каждом направлении.

НАСА Deep Space One стал очень успешным испытанием прототипа ионного двигателя , который работал в общей сложности 678 дней и позволил зонду сбить комету Боррелли, что было бы невозможно для химической ракеты. Dawn , первая оперативная (то есть нетехнологическая демонстрационная) миссия НАСА, использующая ионный двигатель в качестве основного двигателя, успешно облетела орбиту крупных астероидов главного пояса 1 Церера и 4 Веста . Более амбициозная версия с ядерной установкой была предназначена для миссии на Юпитер без человеческого экипажа — орбитальный аппарат «Ледяные луны Юпитера» (JIMO), запуск которого первоначально планировался где-то в следующем десятилетии. Из-за изменения приоритетов НАСА, которое отдало предпочтение космическим полетам с пилотируемым экипажем, проект потерял финансирование в 2005 году. В настоящее время аналогичная миссия обсуждается в качестве американского компонента совместной программы НАСА/ЕКА по исследованию Европы и Ганимеда .

Многоцентровая группа НАСА по оценке применения технологий, возглавляемая Центром космических полетов Джонсона , по состоянию на январь 2011 года описала «Наутилус-X», концептуальное исследование многоцелевого космического корабля для исследования космоса, полезного для миссий за пределами низкой околоземной орбиты (НОО). продолжительностью до 24 месяцев для экипажа до шести человек. Хотя «Наутилус-X» можно адаптировать к различным двигательным установкам для конкретных задач различных конструкций с 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 будет пригоден для полетов в дальний космос от МКС до Луны и за ее пределами, включая Землю/Луну L1 , Солнце/Землю L2 , околоземные астероиды , и пункты назначения на орбите Марса. Он включает в себя центрифугу с уменьшенной гравитацией, обеспечивающую искусственную гравитацию для здоровья экипажа, чтобы смягчить последствия длительного воздействия нулевой гравитации, а также способность смягчать космическую радиационную среду.

Ракеты с ядерным двигателем

В уже выполненных или запланированных в настоящее время миссиях с электрическими двигателями использовалась солнечная электроэнергия, 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 малой тяге и приводимые в действие реакторами деления, могут достигать скоростей, намного превышающих скорости транспортных средств с химическим двигателем.

Термоядерные ракеты

Термоядерные ракеты , работающие на основе реакций ядерного синтеза , будут «сжигать» такие виды топлива из легких элементов, как дейтерий, тритий или ³ Он. Поскольку в результате термоядерного синтеза выделяется около 1% массы ядерного топлива, он энергетически более выгоден, чем деление, при котором выделяется лишь около 0,1% массы-энергии топлива. Однако технологии деления или термоядерного синтеза в принципе могут достичь скоростей, намного превышающих необходимые для исследования Солнечной системы, а термоядерная энергия все еще ожидает практической демонстрации на Земле.

Одним из предложений по использованию термоядерной ракеты был проект «Дедал» . Еще одна довольно детализированная транспортная система, разработанная и оптимизированная для исследования Солнечной системы с экипажем, «Дискавери II». на основе Д ³ Реакция, но с использованием водорода в качестве реакционной массы, была описана командой из Исследовательского центра Гленна НАСА . Он достигает характерных скоростей >300 км/с при ускорении ~1,7•10. ⁻³ g , при начальной массе корабля ~1700 тонн и доле полезной нагрузки более 10%.

Термоядерные ракеты считаются вероятным источником межпланетного транспорта для планетарной цивилизации .

Экзотическая тяга

См. статью о двигательной установке космического корабля , где обсуждается ряд других технологий, которые в среднесрочной и долгосрочной перспективе могут стать основой межпланетных миссий. В отличие от ситуации с межзвездными путешествиями , препятствия для быстрых межпланетных путешествий связаны с инженерными и экономическими аспектами, а не с какими-либо фундаментальными физиками.

Солнечные паруса

Основная статья: Солнечный парус

Иллюстрация НАСА космического корабля с солнечным парусом

Солнечные паруса основаны на том факте, что свет, отраженный от поверхности, оказывает на нее давление. Радиационное давление невелико и уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца, но в отличие от ракет солнечные паруса не требуют топлива. Хотя тяга и невелика, она продолжается до тех пор, пока светит Солнце и развернут парус.

Первоначальная концепция основывалась только на солнечном излучении – например, в рассказе Артура Кларка 1965 года « Санджаммер ». наземных лазеров или мазеров В более поздних конструкциях легких парусов предлагается увеличивать тягу за счет наведения на парус . Наземные лазеры или мазеры также могут помочь космическому кораблю с легким парусом замедлиться : парус разделяется на внешнюю и внутреннюю части, внешняя часть выдвигается вперед, а его форма механически изменяется, чтобы фокусировать отраженное излучение на внутренней части, а излучение, сфокусированное на внутренней части, действует как тормоз.

Хотя большинство статей о легких парусах посвящено межзвездным путешествиям , было несколько предложений по их использованию в пределах Солнечной системы.

В настоящее время единственным космическим кораблем, использующим солнечный парус в качестве основного метода движения, является IKAROS , который был запущен JAXA 21 мая 2010 года. С тех пор он был успешно развернут и продемонстрировал ожидаемое ускорение. Многие обычные космические корабли и спутники также используют солнечные коллекторы, панели контроля температуры и солнцезащитные козырьки в качестве легких парусов, чтобы вносить незначительные корректировки в свое положение и орбиту без использования топлива. У некоторых даже были специально построенные для этих целей небольшие солнечные паруса (например, геостационарные спутники связи Eurostar E3000, построенные EADS Astrium ).

Велосипедисты

Можно вывести станции или космические корабли на орбиты, которые курсируют между разными планетами, например, марсианский циклер будет синхронно вращаться между Марсом и Землей, с очень небольшим использованием топлива для поддержания траектории. Велоциклеры концептуально являются хорошей идеей, потому что массивные радиационные щиты, системы жизнеобеспечения и другое оборудование нужно разместить на траектории велосипедиста только один раз. Велосипедист может совмещать несколько ролей: среду обитания (например, он может вращаться, создавая эффект «искусственной гравитации»); материнский корабль (обеспечивающий жизнеобеспечение экипажей небольших космических кораблей, которые летят на нем автостопом). Циклеры также могли бы стать отличными грузовыми кораблями для пополнения запасов колонии.

Космический лифт

Основная статья: Космический лифт

Космический лифт — это теоретическая конструкция, которая будет транспортировать материал с поверхности планеты на орбиту. Идея состоит в том, что после завершения дорогостоящей работы по строительству лифта неопределенное количество грузов можно будет транспортировать на орбиту с минимальными затратами. Даже самые простые конструкции позволяют избежать порочного круга запусков ракет с поверхности, когда топливо, необходимое для прохождения последних 10% расстояния на орбиту, должно быть полностью 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 то, чтобы сбалансировать нагрузки, идущие вверх и вниз, и таким образом свести затраты на энергию практически к нулю. Космические лифты также иногда называют « бобовыми стеблями », «космическими мостами», «космическими лифтами», «космическими лестницами» и «орбитальными башнями».

Наземный космический лифт находится за пределами наших нынешних технологий, хотя теоретически лунный космический лифт можно построить с использованием существующих материалов.

Скайхук

Основная статья: Скайхук (структура)

Невращающийся скайхук, впервые предложенный Э. Сармонтом в 1990 году.

Скайхук — это теоретический класс орбитальных тросовых двигателей, предназначенных для подъема полезных грузов на большие высоты и скорости. Предложения по созданию небесных крюков включают в себя конструкции, в которых используются тросы, вращающиеся на гиперзвуковой скорости, для захвата высокоскоростных полезных грузов или высотных самолетов и вывода их на орбиту. Кроме того, было высказано предположение, что вращающийся скайхук «инженерно неосуществим с использованием доступных в настоящее время материалов».

Многоразовость ракет-носителей и космических кораблей

Космический корабль SpaceX спроектирован так, чтобы его можно было полностью и быстро повторно использовать с использованием технологии многоразового использования SpaceX , которая была разработана в 2011–2018 годах для Falcon 9 и Falcon Heavy . ракет-носителей

По оценкам генерального директора SpaceX Илона Маска , возможность повторного использования как на ракете-носителе, так и на космическом корабле, связанном со звездолетом, снизит общие системные затраты на тонну доставленной на Марс по крайней мере на два порядка величины по сравнению с тем, что НАСА достигало ранее.

Постановка топлива

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 большей массы по межпланетным траекториям является использование почти всего топлива верхней ступени при запуске, а затем дозаправка топлива на околоземной орбите перед запуском ракеты для достижения начальной скорости для гелиоцентрической траектории. Это топливо может храниться на орбите в складе топлива или доставляться на орбиту в топливозаправщике для непосредственной транспортировки на межпланетный космический корабль. Соответствующим вариантом для возвращения массы на Землю 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. .

Трансфер танкеров на орбиту

По состоянию на 2019 год SpaceX разрабатывает систему, в которой многоразовый корабль первой ступени будет доставлять межпланетный космический корабль с экипажем на околоземную орбиту, отсоединяться, возвращаться на стартовую площадку, где на нем будет установлен космический корабль-заправщик, затем оба будут заправлены топливом, а затем снова запущены. на встречу с ожидающим пилотируемым космическим кораблем. Затем танкер передаст топливо на пилотируемый космический корабль для использования в межпланетном путешествии. SpaceX Starship представляет собой космический корабль с конструкцией из нержавеющей стали , приводимый в движение шестью двигателями Raptor, работающими на сжиженном метано-кислородном топливе. Его длина составляет 55 м (180 футов), диаметр 9 м (30 футов) в самом широком месте, и он способен перевозить до 100 тонн (220 000 фунтов) грузов и пассажиров за полет на Марс с нахождением на орбите. заправка топлива перед межпланетным участком путешествия.

Ракетная установка на небесном теле

В качестве примера финансируемого проекта в настоящее время В стадии разработки ключевой частью системы , которую SpaceX разработала для Марса с целью радикального снижения стоимости космических полетов к межпланетным пунктам назначения, является размещение и эксплуатация физического завода на Марсе для производства и хранения компонентов топлива, необходимых для запуска и отправить звездолеты обратно на Землю или, возможно, увеличить массу, которую можно будет транспортировать дальше к местам назначения во внешней Солнечной системе .

Первый звездолет на Марс будет нести небольшую топливную установку в составе грузового груза. Завод будет расширен за счет нескольких синодов по мере того, как прибудет, будет установлено и переведено в преимущественно автономное производство новое оборудование .

будет Топливная установка SpaceX 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 посредством электролиза и процесса Сабатье для получения кислорода (O ₂ ) и метана (CH ₄ ), а затем сжижать его для обеспечения долгосрочного хранения и окончательного использования.

Использование внеземных ресурсов

Основная статья: Использование ресурсов на месте

В проекте Лэнгли «Марсианский ледяной купол» в 2016 году для марсианской базы будет использоваться вода, находящаяся на месте, для создания своего рода космического иглу .

Современные космические аппараты пытаются стартовать со всем своим топливом (топливом и энергоносителями) на борту, которое им понадобится на протяжении всего пути, а нынешние космические конструкции поднимаются с поверхности Земли. Внеземные источники энергии и материалов в основном находятся намного дальше, но большинство из них не потребует выхода из сильного гравитационного поля и, следовательно, их использование в космосе в долгосрочной перспективе должно быть намного дешевле.

Самым важным неземным ресурсом является энергия, поскольку ее можно использовать для преобразования неземных материалов в полезные формы (некоторые из которых также могут производить энергию). Было предложено по крайней мере два фундаментальных неземных источника энергии: производство энергии на солнечной энергии (без препятствий со стороны облаков), либо напрямую с помощью солнечных элементов , либо косвенно путем фокусировки солнечного излучения 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 спутниках Юпитера и Сатурна:

• Низкая гравитация этих лун сделает их более дешевым источником воды для космических станций и планетарных баз, чем подъем ее с поверхности Земли.
• Внеземные источники энергии могут быть использованы для электролиза водяного льда в кислород и водород для использования в двухкомпонентных ракетных двигателях.
• Ядерные тепловые ракеты или солнечные тепловые ракеты могли бы использовать его в качестве реакционной массы . Водород также предлагался для использования в этих двигателях, и он мог бы обеспечить гораздо больший удельный импульс (тяга на килограмм реакционной массы), но утверждалось, что вода превосходит водород по соотношению цена/производительность, несмотря на то, что ее удельный импульс гораздо ниже на порядки. величина.
• Космический корабль с достаточным запасом воды мог бы доставлять воду под корпус, что могло бы обеспечить значительный дополнительный запас безопасности для корабля и его пассажиров:
  • Вода будет поглощать и проводить солнечную энергию, действуя таким образом как тепловой экран . Судно, путешествующее во внутренней части Солнечной системы, могло поддерживать постоянный курс относительно Солнца, не перегревая сторону космического корабля, обращенную к Солнцу, при условии, что вода под корпусом постоянно циркулировала, чтобы равномерно распределять солнечное тепло по всему корпусу;
  • Вода обеспечит некоторую дополнительную защиту от ионизирующей радиации;
  • Вода будет действовать как изолятор от сильного холода, если предположить, что она будет нагреваться либо Солнцем при путешествии внутри Солнечной системы, либо бортовым источником энергии при путешествии дальше от Солнца;
  • Вода обеспечила бы некоторую дополнительную защиту от ударов микрометеороидов при условии, что корпус будет разделен на отсеки, чтобы гарантировать, что любая утечка может быть локализована в небольшой части корпуса.

Кислород является обычным компонентом лунной коры и, вероятно, в изобилии присутствует в большинстве других тел Солнечной системы. Внеземной кислород будет ценен в качестве источника водяного льда только в том случае, если адекватный источник водорода . будет найден Возможные варианты использования включают в себя:

• В системах жизнеобеспечения космических кораблей, космических станций и планетных баз.
• В ракетных двигателях. Даже если другое топливо придется поднимать с Земли, использование неземного кислорода может снизить затраты на запуск топлива на 2/3 для углеводородного топлива или на 85% для водорода. Экономия настолько велика, потому что кислород составляет большую часть массы в большинстве комбинаций ракетного топлива .

К сожалению, во внутренней Солнечной системе водорода, наряду с другими летучими веществами, такими как углерод и азот, гораздо меньше, чем кислорода.

Ученые ожидают найти широкий спектр органических соединений на некоторых планетах, лунах и кометах внешней Солнечной системы , а диапазон возможного использования еще шире. Например, метан можно использовать в качестве топлива (сжигаемого с неземным кислородом) или в качестве сырья для нефтехимических процессов, таких как производство пластмасс . А аммиак может стать ценным сырьем для производства удобрений , которые будут использоваться в огородах орбитальных и планетарных баз, что снизит необходимость доставлять им еду с Земли.

Даже необработанная порода может быть полезна в качестве ракетного топлива, если приводы массы использовать .

Требования к проектированию межпланетных путешествий с экипажем

В художественном видении космический корабль обеспечивает искусственную гравитацию за счет вращения (1989).

Глубокий космический транспорт и Лунные ворота

Жизнеобеспечение

Системы жизнеобеспечения должны быть способны поддерживать жизнь человека 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, газовых примесей и водяного пара.

В октябре 2015 года Управление генерального инспектора НАСА опубликовало отчет об опасностях для здоровья, связанных с полетами человека в космос , включая полет человека на Марс .

Радиация

Как только аппарат покидает низкую околоземную орбиту и защиту магнитосферы Земли, он попадает в радиационный пояс Ван Аллена , область высокой радиации . За пределами поясов Ван Аллена уровень радиации обычно снижается, но может колебаться с течением времени. Эти космические лучи высокой энергии представляют угрозу для здоровья . Даже минимальные уровни радиации во время этих колебаний сравнимы с нынешним годовым лимитом для космонавтов на низкой околоземной орбите.

Ученые Российской академии наук ищут методы снижения риска развития радиационно-индуцированного рака при подготовке к миссии на Марс. В качестве одного из вариантов они рассматривают систему жизнеобеспечения, вырабатывающую питьевую воду с низким содержанием дейтерия (стабильного изотопа водорода ), которая будет потребляться членами экипажа. Предварительные исследования показали, что вода, обедненная дейтерием, обладает определенным противораковым действием. Следовательно, считается, что питьевая вода, не содержащая дейтерия, потенциально может снизить риск развития рака, вызванного экстремальным радиационным облучением марсианского экипажа.

Кроме того, корональные выбросы массы Солнца . очень опасны и смертельны для людей в очень короткие сроки, если они не защищены массивной защитой

Надежность

Любая серьезная поломка космического корабля на пути, скорее всего, будет фатальной, и даже незначительная может иметь опасные последствия, если ее не отремонтировать быстро, чего трудно добиться в открытом космосе. Экипаж миссии «Аполлон-13» выжил, несмотря на взрыв, вызванный неисправным кислородным баллоном (1970 г.).

Запустить окна

По астродинамическим причинам экономические путешествия космических кораблей к другим планетам практичны только в определенные временные интервалы . За пределами этих окон планеты практически недоступны с Земли с помощью современных технологий. Это ограничивает полеты и ограничивает возможности спасения в случае чрезвычайной ситуации.

См. также

• Дельта-v – мера количества усилий по изменению траектории.
• Влияние космического полета на организм человека – Медицинские проблемы, связанные с космическим полетом
• Угроза здоровью от космических лучей – опасности для космонавтов
• Пилотируемый космический полет - космический полет с экипажем или пассажирами.
• SpaceX Starship – сверхтяжелая многоразовая ракета-носитель
• Межзвездное путешествие - Гипотетическое путешествие между звездами или планетными системами.
• Список межпланетных путешествий
• Человеческая миссия на Марс - Предлагаемые концепции
• Космическая медицина - при заболеваниях, возникших во время космического полета.
• Космические путешествия в научной фантастике
• Движение космического корабля - метод, используемый для ускорения космического корабля.

Дальнейшее чтение

• Сидхаус, Эрик (2012). Межпланетный форпост: человеческие и технологические проблемы исследования внешних планет . Нью-Йорк: Спрингер. п. 288. ИСБН  978-1441997470 .