A lo largo del siglo XX, los escritores de ciencia ficción escribieron mucho y con mucho talento sobre la exploración espacial. Los héroes de "Chius" le dieron a la humanidad las riquezas de Uranium Golconda, el piloto Pirx trabajó como capitán de naves de carga espacial seca, portacontenedores líderes y graneleros caminaron alrededor del sistema solar, y no estoy hablando de ningún misticismo de viajar a misteriosos monolitos.
Sin embargo, el siglo XXI no ha estado a la altura de las expectativas. La humanidad se para tímidamente en el pasillo del Cosmos, sin salir de manera permanente más allá de la órbita terrestre. ¿Por qué sucedió y qué esperar para aquellos a quienes les gustaría leer en las noticias sobre el aumento del rendimiento de los manzanos marcianos?
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No se necesita violinista
La primera paradoja que encontramos es que los humanos no son el sujeto más adecuado para la exploración espacial. Los escritores de ciencia ficción que inventaron expediciones espaciales solo podían confiar en la experiencia histórica de los pioneros de la Tierra: marinos, exploradores polares, los primeros aviadores. De hecho, ¿en qué se diferenciaría la conquista de Marte de la conquista del Polo Sur?
Y aquí y allá, el entorno no es adecuado para la vida sin una preparación previa, debe llevar suministros y no puede salir del barco o de su casa sin ponerse un equipo especial. Pero los escritores de ciencia ficción y los futuristas no pudieron predecir el desarrollo de la electrónica y la robótica, y los investigadores robóticos generalmente se describían de manera anecdótica:
“Tuve que apartar la mirada de la carta durante media hora y escuchar las quejas de mi vecino, el cibernetista Shcherbakov. Probablemente sepa que se está construyendo una gran planta subterránea de procesamiento de uranio y transuranida al norte del lanzacohetes. La gente trabaja seis turnos. Robots: todo el día; maravillosas máquinas, la última palabra en cibernética práctica. Pero, como dicen los japoneses, el mono también se cae del árbol. Ahora Shcherbakov vino a mí, enojado como el diablo, y dijo que una banda de estos idiotas mecánicos (sus propias palabras) robó uno de los grandes depósitos de mineral esta noche, confundiéndolo, obviamente, con un depósito inusualmente rico. Los robots tenían diferentes programas, por lo que por la mañana parte del almacén terminó en los almacenes del lanzacohetes, parte, en la entrada del departamento geológico, y parte de él generalmente se desconocía dónde. La búsqueda continúa.
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Pero ninguno de los autores conocidos adivinó que un robot en la exploración espacial tiene muchas ventajas sobre una persona:
A diferencia de un humano, un robot solo necesita energía y equilibrio térmico. No es necesario cargar decenas de toneladas de invernaderos, alimentos, agua, oxígeno, ropa y productos de higiene, medicinas y otras cosas.
El robot se puede enviar de una manera, sin regresar.
El robot es capaz de funcionar durante años. La experiencia de Voyagers, Mars rovers o Cassini sugiere que ahora es más correcto hablar no de años, sino de décadas.
El robot es capaz de trabajar durante años en condiciones fatales para los humanos. La sonda Galileo recibió una dosis 25 veces mayor que la dosis letal para los humanos y después de eso funcionó en órbita durante 8 años.
Como resultado, resultó que solo los robots que pesan varias toneladas encajan en las capacidades técnicas de la humanidad para enviarlos a otros planetas por un dinero razonable y se convirtió en la única forma de satisfacer la curiosidad científica y obtener hermosas fotografías.
Vivimos en una curva logística
El segundo error de los escritores de ciencia ficción fue que predijeron el desarrollo lineal o incluso exponencial de la astronáutica. Aunque allá por 1838 se descubrió un fenómeno como la curva logística. ¿Qué es esta terrible bestia? Tomemos como ejemplo la historia de la aviación:
1900. Las primeras estanterías incómodas, los primeros registros: vuelos de varios kilómetros con un pasajero.
1910a. Los primeros exploradores, cazas, bombarderos, correo y aviones de pasajeros.
1920-1930. Dominando los vuelos nocturnos, los primeros vuelos transcontinentales.
1940. La aviación es una fuerza militar y de transporte seria.
1950. Los motores a reacción dan un nuevo impulso al desarrollo de la aviación: nuevas velocidades, rangos y alturas, e incluso más pasajeros.
1960-70. El primer avión de pasajeros supersónico y de fuselaje ancho, la aviación es más asequible.
1980-90. Frenado. El desarrollo se está volviendo cada vez más caro, las empresas de desarrollo se están uniendo en empresas gigantes. Y los aviones son cada vez más similares entre sí.
2000. Límite. Los dos gigantes, Boeing y Airbus, fabrican máquinas aparentemente idénticas, y los aviones de pasajeros supersónicos se han extinguido por completo.
Si traduces estos logros en números, obtienes la siguiente imagen:
En astronáutica, la situación es exactamente la misma:
Para mayor claridad, el gráfico de la curva S se puede superponer con un gráfico de costos para alcanzar este nivel:
Y la tristeza de nuestro "hoy" es que en astronáutica con tecnologías existentes estamos cerca del nivel de saturación. Técnicamente, puedes volar en una versión tripulada a la Luna e incluso a Marte, pero de alguna manera es una pena por el dinero.
Pon KC - obtendrás gravedad
El siguiente aspecto triste, ralentizar la carrera hacia el espacio, es que aún no se ha descubierto algo muy valioso, por lo que vale la pena gastar dinero en exploración espacial más allá de la órbita de la Tierra. Tenga en cuenta que hay muchos satélites comerciales en órbita terrestre baja: comunicaciones, televisión e Internet, meteorológicos, cartográficos. Y todos tienen beneficios monetarios tangibles. ¿Y de qué sirve una misión tripulada a la luna? Aquí está la lista oficial de los resultados del programa lunar de EE. UU. Por valor de aproximadamente $ 170 mil millones (en precios de 2005):
La luna no es un objeto primario, es un planeta terrestre, con su evolución y estructura interna, similar a la Tierra.
La luna es antigua y guarda la historia de los primeros mil millones de años de evolución de los planetas terrestres.
Las rocas lunares más jóvenes tienen aproximadamente la misma edad que las rocas terrestres más antiguas. Los rastros de los primeros procesos y eventos que pueden haber influido en la Luna y la Tierra se pueden encontrar ahora solo en la Luna.
La Luna y la Tierra están relacionadas genéticamente y se forman a partir de diferentes proporciones de un conjunto común de materiales.
La luna no tiene vida y no contiene organismos vivos ni materia orgánica local.
Las rocas lunares se originaron a partir de procesos de alta temperatura sin la participación del agua. Se clasifican en tres tipos: basaltos, anortositas y brechas.
Hace mucho tiempo, la Luna se fundió a gran profundidad y formó un océano de magma. Las Montañas Lunares contienen restos de rocas tempranas de baja densidad que flotaron en la superficie de este océano.
El océano de magma se formó por una serie de enormes impactos de asteroides que formaron charcos llenos de flujos de lava.
La luna es algo asimétrica, posiblemente debido a la influencia de la Tierra.
La superficie de la luna está cubierta de pedazos de roca y polvo. Esto se llama regolito lunar y contiene la historia radiativa única del Sol, que es importante para comprender el cambio climático en la Tierra.
Todo esto es muy interesante (sin bromas), pero todo este conocimiento tiene un inconveniente irreparable: no se puede esparcir en pan, verterlo en un tanque de gasolina o construir una casa con él. Si se descubriera un cierto "elerium", "tiberium" u otro shishdostanium en la inmensidad del espacio, que podría usarse como:
Fuente de energía rentable.
Una parte integral de la producción de algo valioso y útil.
Alimentos / medicinas / vitaminas de una calidad fundamentalmente nueva.
Un artículo de lujo o una fuente de placer.
Si también creciera solo en Marte o en el cinturón de asteroides (y no se reprodujo en la Tierra) y solo pudiera ser extraído por humanos (para que la astuta humanidad no enviara robots más baratos y sin pretensiones), entonces sería la exploración espacial tripulada la que recibiría un incentivo invaluable. Y en ausencia de él, en un escenario pesimista en la década de 2020, la humanidad puede perder una presencia permanente incluso en la órbita cercana a la Tierra; en el contexto de las ollas de cooperación internacional rotas por los políticos, los contribuyentes pueden preguntar: "¿Por qué necesitamos una nueva estación después de la EEI?"
La maldición de la fórmula de Tsiolkovsky.
Aquí está, la némesis de la cosmonáutica:
Aquí:
V es la velocidad final del cohete.
I - impulso específico del motor (cuántos segundos el motor con 1 kilogramo de combustible puede crear un empuje de 1 Newton)
M1 es la masa inicial del cohete.
M2 es la masa final del cohete.
V para el caso de depósitos llenos será el margen de velocidad característico, es decir, el margen de velocidad con el que podemos acelerar / desacelerar si es necesario. Esto también se llama margen delta-V (delta significa cambio, es decir, es el margen para el cambio de velocidad).
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¿Cuál es el problema aquí? Tomemos un mapa de los cambios de velocidad requeridos para el sistema solar:
Imaginemos ahora que queremos volar a Marte y regresar. Esto equivaldrá a:
9400 m / s - comienza desde la Tierra.
3210 m / s - dejando la órbita de la Tierra.
1060 m / s - interceptación de Marte.
0 m / s - entrando en la órbita baja de Marte (el triángulo blanco significa la posibilidad de frenar contra la atmósfera).
0 m / s - aterrizando en Marte (ralentizamos la atmósfera).
3800 m / s - comienza desde Marte.
1440 m / s: aceleración desde la órbita de Marte.
1060 m / s - Intercepción terrestre.
0 m / s: entrando en una órbita terrestre baja (disminuimos la velocidad contra la atmósfera).
0 m / s - aterrizando en la Tierra (disminuimos la velocidad en la atmósfera).
El resultado es una hermosa cifra de 19970 m / s, que redondeamos a 20.000 m / s. Dejemos que nuestro cohete sea ideal, y el volumen de combustible no afecte su masa de ninguna manera (los tanques, las tuberías no pesan nada). Intentemos calcular la dependencia de la masa inicial del cohete de la masa final y el impulso específico. Transformando la fórmula de Tsiolkovsky, obtenemos:
M1 = eV / I * M2
Usemos el paquete matemático gratuito Scilab. Tomamos la masa final en el rango de 10-1000 toneladas, el impulso específico variará de 2000 m / s (motores químicos en hidracina) a 200,000 m / s (estimación teórica del impulso máximo del motor de propulsión eléctrico para hoy). Debo decir de inmediato que para la masa máxima y el impulso mínimo habrá un valor muy grande (22 millones de toneladas), por lo que la escala de visualización será logarítmica.
[m2 I] = rejilla de malla (10:50: 1000,2000: 5000: 200000);
m1 = log (exp (20000 * I. ^ - 1). * m2);
surf (m2, I, m1)
Este hermoso gráfico es, de hecho, un veredicto visual para motores químicos. Esto no es una novedad: en los motores químicos, como muestra la práctica a la perfección, normalmente puede lanzar pequeñas sondas, pero incluso volar a la luna con una tripulación ya es algo difícil.
Aliviemos nuestras condiciones. Primero, supongamos que partimos de la órbita de la Tierra, y en lugar de 20 km / s necesitamos 10. En segundo lugar, cortamos la "cola" de los motores químicos ineficientes, estableciendo el valor mínimo de I en 4400 m / s (IA del motor de hidrógeno del transbordador espacial RS-25):
[m2 I] = rejilla de malla (10:50: 1000,4400: 5000: 200000);
m1 = log (exp (10000 * I. ^ - 1). * m2);
surf (m2, I, m1)
Escala logarítmica:
Escala lineal:
Renunciemos por completo a los motores químicos. El motor nuclear NERVA tenía una IA de 9000 segundos. Recalculemos:
[m2 I] = rejilla de malla (10:50: 1000,9000: 5000: 200000);
m1 = exp (10000 * I. ^ - 1). * m2;
surf (m2, I, m1)
Escala lineal:
¿Por qué estoy repitiendo estos gráficos monótonos? El hecho es que el área plana designada como "motivo de optimismo" muestra que cuando aparecen motores con una IA de más de 50.000 m / s, será posible volar más o menos tolerablemente sin naves con una masa inicial de millones de toneladas dentro del sistema solar. Y los motores de propulsión eléctricos, que ya existen, tienen un ID de 25000-30000 m / s (por ejemplo, SPD 2300).
Sin embargo, es necesario entender que el motivo del optimismo es muy comedido. Primero, estos miles de toneladas deben entregarse a la órbita de la Tierra (y esto es extremadamente difícil). En segundo lugar, los motores de propulsión eléctricos existentes tienen un empuje pequeño y, para acelerar con una aceleración adecuada, es necesario instalar reactores de varios megavatios.
Construyamos otro gráfico interesante. Háganos saber la masa final - 1000 toneladas. Construyamos la dependencia de la masa inicial del impulso específico y la velocidad final:
[VI] = cuadrícula (10000: 2000: 100000,50000: 5000: 200000);
m1 = exp (V. * (I. ^ - 1)) * 1000;
navegar (V, I, m1)
Este gráfico es interesante porque es, en cierto sentido, una mirada al futuro más lejano de la humanidad. Si queremos un vuelo cómodo y rápido a través del sistema solar, entonces tendremos que ir un orden de magnitud más alto para dominar el impulso específico; necesitaremos motores con una ID de varios cientos de miles de metros por segundo.
No hay peces aqui
La humanidad se distingue por la astucia y el ingenio. Por eso, se han inventado muchas ideas para facilitar el acceso al espacio. Uno de los parámetros más importantes que caracterizan la barrera que queremos saltar es el costo de poner un kilogramo en órbita. Ahora, de acuerdo con varias estimaciones (esta columna se ha eliminado del Wiki, aquí, por ejemplo, otra fuente) para varios vehículos de lanzamiento, este precio está en el rango de $ 4000- $ 13000 por kilogramo para la órbita terrestre baja. ¿Qué trataste de hacer para que sea más fácil, más fácil y más barato llegar al menos a la órbita cercana a la Tierra?
Sistemas reutilizables. Históricamente, esta idea ya falló una vez en el programa del transbordador espacial. Ahora Elon Musk está haciendo esto, planea plantar la primera etapa. Me gustaría desearle mucho éxito, pero basándome en el fracaso pasado, no creo que esto sea un avance cualitativo. En el mejor de los casos, el costo se reducirá en un pequeño porcentaje.
Etapa única a órbita. No fue más allá de los proyectos, a pesar de los repetidos intentos.
Arranque aéreo. Existe un proyecto exitoso para una carga útil pequeña, pero no escala para cargas pesadas.
Lanzamiento espacial sin cohetes. Se han inventado muchos proyectos, pero todos tienen un inconveniente fatal: se requieren inversiones astronómicas, que no se pueden "recuperar" sin la finalización completa del proyecto. Hasta que el elevador espacial, la fuente o el impulsor de masas esté completamente construido y lanzado, no hay beneficio de ello.
Que el corazón se calme
¿Cómo se puede animar después de estas tristes reflexiones? Tengo dos argumentos: uno abstracto y fundamental, el otro más específico.
En primer lugar, el progreso en su conjunto no es una curva en S, sino muchas de ellas, lo que forma una imagen tan optimista:
En la historia de la aviación, se pueden distinguir, por ejemplo:
Y, sin duda, nos encontramos en un punto similar en el desarrollo de la cosmonáutica. Sí, ahora hay algo de estancamiento, e incluso es posible un retroceso, pero la humanidad, con la cabeza de sus mejores representantes, rompe el muro del conocimiento, y en algún lugar, aún no advertido, se abren paso los brotes de un nuevo futuro.
El segundo argumento es la noticia sobre el desarrollo de un reactor nuclear para el módulo de transporte-energía, que va sin mucho alboroto:
Las últimas noticias sobre este proyecto fueron en el verano: se ensambló el primer TVEL. El trabajo, aunque sin publicidad regular, obviamente está en marcha, y uno puede esperar la aparición en los próximos años de un aparato fundamentalmente nuevo: un remolcador nuclear con un motor de propulsión eléctrico.
PD
Estos son pensamientos algo descuidados, llamémoslos la primera iteración. Me gustaría recibir comentarios, tal vez me perdí algo o definí incorrectamente la importancia del fenómeno. Quién sabe, tal vez después de procesar los comentarios, obtendrá un concepto más coherente o se le ocurrirá algo interesante.
Avor: lozga
