Студеният отблясък на звездите е особено красив в зимното небе. По това време стават видими най -ярките звезди и съзвездия: Орион, Плеяди, Голямо куче с ослепителен Сириус …
Преди четвърт век седем военнослужещи от Военноморската академия зададоха необичаен въпрос: колко близко е съвременното човечество до звездите? Изследването доведе до подробен доклад, известен като Project Longshot (Long Range Shot). Концепция за автоматичен междузвезден кораб, способен да достигне до най -близките звезди за разумен период от време. Никакви хилядолетия на полет и "кораби на поколения"! Сондата трябва да достигне околностите на Алфа Кентавър в рамките на 100 години от момента на изстрелването й в космоса.
Хиперпространство, гравитация, антиматерия и фотонни ракети … Не! Основната характеристика на проекта е неговата зависимост от съществуващите технологии. Според разработчиците, дизайнът Longshot дава възможност да се построи космически кораб още през първата половина на 21 век!
Сто години полет със съществуващи технологии. Нечувана дързост, предвид мащаба на космическите разстояния. Между Слънцето и Алфа Кентавър се намира "черна бездна" с ширина 4, 36 св. на годината. Над 40 трилиона километри! Чудовищното значение на тази фигура става ясно в следния пример.
Ако намалим размера на Слънцето до размера на топка за тенис, тогава цялата Слънчева система ще се побере на Червения площад. Размерът на Земята в избрания мащаб ще намалее до размера на пясъчно зърно, докато най -близката „топка за тенис“- Алфа Кентавър - ще лежи на площад „Свети Марко“във Венеция.
Полетът до Алфа Кентавър с конвенционална совалка или кораб „Союз“ще отнеме 190 000 години.
Ужасна диагноза звучи като присъда. Обречени ли сме да седнем на нашето „пясъчно зърно“, без да имаме и най -малкия шанс да достигнем звездите? В научно-популярните списания има изчисления, доказващи, че е невъзможно ускоряването на космически кораб до скорости на близка светлина. Това ще изисква "изгаряне" на цялата материя в Слънчевата система.
И все пак има шанс! Проект Longshot доказа, че звездите са много по -близо, отколкото можем да си представим.
На корпуса на Вояджър има плоча с карта на пулсар, показваща местоположението на Слънцето в Галактиката, както и подробна информация за жителите на Земята. Очаква се извънземните някой ден да намерят тази „каменна брадва“и да ни дойдат на гости. Но ако си припомним особеностите на поведението на всички технологични цивилизации на Земята и историята на американските завоевания от конквистадорите, не може да се разчита на „мирен контакт“…
Мисията на експедицията
Стигнете до системата Алфа Кентавър след сто години.
За разлика от други "звездни кораби" ("Дедал"), проектът "Longshot" включваше навлизане в орбитата на звездната система (Алфа и Бета Кентавър). Това значително усложни задачата и удължи времето за полет, но би позволило подробно проучване на околностите на далечни звезди (за разлика от Дедала, който щеше да се втурне покрай целта за един ден и да изчезне без следа в дълбините на космоса).
Полетът ще отнеме 100 години. Още 4, 36 години ще са необходими за прехвърляне на информация на Земята.
Алфа Кентавър в сравнение със Слънчевата система
Астрономите възлагат големи надежди на проекта - ако успеят, те ще имат фантастичен инструмент за измерване на паралакси (разстояния до други звезди) с основа 4, 36 sv. на годината.
Вековният полет през нощта също няма да премине безцелно: устройството ще изследва междузвездната среда и ще разшири познанията ни за външните граници на Слънчевата система.
Изстрелян към звездите
Основният и единствен проблем на космическото пътуване са колосалните разстояния. След като решихме този проблем, ще решим всички останали. Намаляването на времето за полет ще премахне въпроса за дългосрочен източник на енергия и висока надеждност на корабните системи. Проблемът с присъствието на човек на борда ще бъде решен. Краткият полет прави сложни системи за поддържане на живота и гигантски доставки на храна / вода / въздух на борда ненужни.
Но това са далечни мечти. В този случай е необходимо да се достави безпилотна сонда на звездите в рамките на един век. Ние не знаем как да прекъснем пространствено-времевия континуум, затова има само един изход: да увеличим земната скорост на „звездния кораб“.
Както показа изчислението, полетът до Алфа Кентавър след 100 години изисква скорост най -малко 4,5% от скоростта на светлината. 13500 км / сек.
Няма фундаментални забрани, които позволяват на телата в макрокосмоса да се движат с посочената скорост, въпреки това стойността му е чудовищно голяма. За сравнение: скоростта на най -бързия от космическия кораб (сондата "New Horizons") след изключване на горния етап беше "само" 16,26 km / s (58636 km / h) спрямо Земята.
Longshot концепция звезден кораб
Как да ускорим междузвезден кораб до скорости от хиляди км / сек? Отговорът е очевиден: имате нужда от двигател с висока тяга със специфичен импулс от най-малко 1 000 000 секунди.
Специфичният импулс е показател за ефективността на реактивен двигател. Зависи от молекулното тегло, температурата и налягането на газа в горивната камера. Колкото по -голяма е разликата в налягането в горивната камера и във външната среда, толкова по -голяма е скоростта на изтичане на работната течност. И следователно ефективността на двигателя е по -висока.
Най -добрите примери за съвременни електрически реактивни двигатели (ERE) имат специфичен импулс от 10 000 s; при скорост на изтичане на греди от заредени частици - до 100 000 km / s. Консумацията на работната течност (ксенон / криптон) е няколко милиграма в секунда. Двигателят тихо бръмчи през целия полет, като бавно ускорява кораба.
EJE завладяват със своята относителна простота, ниска цена и потенциал за постигане на високи скорости (десетки км / сек), но поради ниската стойност на тягата (по -малко от един Нютон), ускорението може да отнеме десетки години.
Друго нещо са химическите ракетни двигатели, върху които почива цялата съвременна космонавтика. Те имат огромна тяга (десетки и стотици тонове), но максималният специфичен импулс на трикомпонентен ракетен двигател с течно гориво (литий / водород / флуор) е само 542 s, със скорост на изтичане на газ малко над 5 km / с. Това е границата.
Ракетите с течно гориво позволяват да се увеличи скоростта на космическия кораб с няколко км / сек за кратко време, но те не са способни на повече. Звездният кораб ще се нуждае от двигател, базиран на различни физически принципи.
Създателите на "Longshot" са обмислили няколко екзотични начина, вкл. "Леко платно", ускорено от лазер с мощност 3, 5 теравата (методът е признат за неосъществим).
Към днешна дата единственият реалистичен начин за достигане до звездите е импулсен ядрен (термоядрен) двигател. Принципът на действие се основава на лазерен термоядрен синтез (LTS), добре проучен в лабораторни условия. Концентрация на голямо количество енергия в малки обеми материя за кратък период от време (<10 ^ -10 … 10 ^ -9 s) с инерционно задържане в плазмата.
В случая на Longshot не може да става дума за стабилна реакция на контролиран термоядрен синтез: не се изисква дългосрочно задържане в плазмата. За да се създаде реактивна тяга, полученият високотемпературен съсирек трябва незабавно да бъде „избутан“от магнитното поле на борда на кораба.
Горивото е смес от хелий-3 / деутерий. Необходимият запас от гориво за междузвезден полет ще бъде 264 тона.
По подобен начин се планира постигане на безпрецедентна ефективност: при изчисленията стойността на специфичния импулс е 1,02 млн.секунди!
Като основен източник на енергия за захранване на корабните системи - импулсни двигателни лазери, системи за контрол на позицията, комуникации и научни инструменти - беше избран конвенционален реактор на базата на уранови горивни комплекти. Електрическата мощност на инсталацията трябва да бъде най -малко 300 kW (топлинната мощност е почти с порядък по -висока).
От гледна точка на съвременните технологии създаването на реактор, който не изисква презареждане за цял век, не е лесно, но е възможно на практика. Вече на военни кораби се използват ядрени системи, чието ядро има експлоатационен живот, съизмерим с експлоатационния живот на корабите (30-50 години). Захранването също е в пълен ред - например ядрената инсталация ОК -650, инсталирана на атомните подводници на ВМС на Русия, има топлинен капацитет от 190 мегавата и е в състояние да доставя електричество на цял град с население от 50 000 души!
Такива инсталации са прекалено мощни за космоса. Това изисква компактност и точно съответствие с посочените характеристики. Например, на 10 юли 1987 г. е изстрелян Космос -1867 - съветски спътник с ядрената инсталация в Енисей (маса на спътника - 1,5 тона, топлинна мощност на реактора - 150 кВт, електрическа мощност - 6, 6 кВт, експлоатационен живот - 11 месеца)).
Това означава, че реакторът с мощност 300 kW, използван в проекта Longshot, е въпрос на близко бъдеще. Самите инженери изчислиха, че масата на такъв реактор ще бъде около 6 тона.
Всъщност тук физиката свършва и започват текстовете.
Проблеми на междузвездното пътуване
За да се контролира сондата, ще е необходим бордов компютърен комплекс с произведенията на изкуствения интелект. В условия, при които времето за предаване на сигнала е повече от 4 години, ефективното управление на сондата от земята е невъзможно.
В областта на микроелектрониката и създаването на изследователски устройства напоследък са настъпили мащабни промени. Малко вероятно е създателите на Longshot през 1987 г. да имат представа за възможностите на съвременните компютри. Може да се счита, че този технически проблем е решен успешно през последния четвърт век.
Ситуацията с комуникационните системи изглежда също толкова оптимистична. За надеждно предаване на информация от разстояние 4, 36 sv. година ще изисква система от лазери, работещи в долината на вълната от 0,532 микрона и с мощност на излъчване 250 kW. В този случай за всеки квадрат. метър от земната повърхност ще падне 222 фотона в секунда, което е много по -високо от прага на чувствителност на съвременните радиотелескопи. Скоростта на предаване на информация от максималното разстояние ще бъде 1 kbps. Съвременните радиотелескопи и космическите комуникационни системи могат да разширят канала за обмен на данни няколко пъти.
За сравнение: мощността на предавателя на сондата Voyager 1, която в момента е на разстояние 19 милиарда км от Слънцето (17,5 светлинни часа), е само 23 W - като крушка в хладилника ви. Това обаче е напълно достатъчно за телеметрично предаване на Земята със скорост от няколко kbit / s.
Отделен ред е въпросът за терморегулацията на кораба.
Ядрен реактор от клас мегават и импулсен термоядрен двигател са източници на колосално количество топлинна енергия, освен това във вакуум има само два начина за отвеждане на топлината - аблация и радиация.
Решението може да бъде инсталирането на усъвършенствана система от радиатори и излъчващи повърхности, както и топлоизолационен керамичен буфер между отделението на двигателя и резервоарите за гориво на кораба.
В началния етап на пътуването корабът ще се нуждае от допълнителен защитен щит от слънчева радиация (подобна на тази, използвана на орбиталната станция Skylab). В зоната на крайната цел - в орбита на звездата Бета Кентавър - също ще има опасност от прегряване на сондата. Необходима е топлоизолация на оборудването и система за прехвърляне на излишната топлина от всички важни блокове и научни инструменти към излъчващи радиатори.
Графика на ускорението на кораба във времето
Графика, показваща промяната в скоростта
Въпросът за защита на космическия кораб от микрометеорити и космически прахови частици е изключително труден. При скорост от 4,5% от скоростта на светлината всеки сблъсък с микроскопичен обект може сериозно да повреди сондата. Създателите на "Longshot" предлагат да се реши проблемът чрез инсталиране на мощен защитен щит в предната част на кораба (метал? Керамика?), Който в същото време беше радиатор на излишната топлина.
Колко надеждна е тази защита? И възможно ли е да се използват научнофантастични защитни системи под формата на сила / магнитни полета или „облаци“от микродисперсни частици, задържани от магнитно поле пред кораба? Да се надяваме, че докато бъде създаден звездният кораб, инженерите ще намерят адекватно решение.
Що се отнася до самата сонда, тя традиционно ще има многостепенна подредба с отделящи се резервоари. Материал за производство на корпусни конструкции - алуминиеви / титанови сплави. Общата маса на сглобения космически кораб на нискоземна орбита ще бъде 396 тона, с максимална дължина 65 метра.
За сравнение: масата на Международната космическа станция е 417 тона с дължина 109 метра.
1) Стартова конфигурация в нискоземна орбита.
2) 33 -та година на полет, отделяне на първата двойка танкове.
3) 67 -та година от полета, отделяне на втората двойка танкове.
4) 100 -та година от полета - пристигане на целта със скорост 15-30 км / сек.
Разделяне на последния етап, навлизане в постоянна орбита около Бета Кентавър.
Подобно на МКС, Longshot може да бъде сглобен по метода на блока в ниска околоземна орбита. Реалистичните размери на космическия кораб дават възможност да се използват съществуващи ракети-носители в процеса на сглобяване (за сравнение, могъщият Saturn-V може да носи товар от 120 тона наведнъж в LEO!)
Трябва да се има предвид, че изстрелването на импулсен термоядрен двигател на околоземна орбита е твърде рисковано и небрежно. Проектът Longshot предвижда наличието на допълнителни бустерни блокове (химически ракетни двигатели с течно гориво) за набиране на втората и третата космическа скорост и изтегляне на космическия кораб от равнината на еклиптиката (системата Алфа Кентавър се намира на 61 ° над равнината на въртене на Земята около Слънцето). Също така е възможно за тази цел една маневра в гравитационното поле на Юпитер да бъде оправдана - като космически сонди, които успяха да избягат от равнината на еклиптиката, използвайки „свободно“ускорение в околностите на гигантската планета.
Епилог
Всички технологии и компоненти на хипотетичен междузвезден кораб съществуват в действителност.
Теглото и размерите на сондата Longshot съответстват на възможностите на съвременната космонавтика.
Ако започнем работа днес, има голяма вероятност до средата на XXII век нашите щастливи правнуци да видят първите изображения на системата Алфа Кентавър от близко разстояние.
Напредъкът има необратима посока: всеки ден животът продължава да ни удивлява с нови изобретения и открития. Възможно е след 10-20 години всички описани по-горе технологии да се появят пред нас под формата на работни образци, направени на ново технологично ниво.
И все пак пътят към звездите е твърде далеч, за да има смисъл да се говори сериозно за това.
Внимателният читател вероятно вече е обърнал внимание на ключовия проблем на проекта Longshot. Хелий-3.
Откъде да вземем сто тона от това вещество, ако годишното производство на хелий-3 е само 60 000 литра (8 килограма) годишно на цена до 2000 долара за литър?! Смелите писатели на научна фантастика възлагат надеждите си на производството на хелий-3 на Луната и в атмосферата на планети-гиганти, но никой не може да даде никакви гаранции по този въпрос.
Има съмнения относно възможността за съхранение на такъв обем гориво и неговото дозиране под формата на замразени „таблетки“, необходими за захранване на импулсен термоядрен двигател. Въпреки това, както самият принцип на работа на двигателя: това, което повече или по -малко работи в лабораторни условия на Земята, все още е далеч от използването в космоса.
И накрая, безпрецедентната надеждност на всички сондови системи. Участниците в проекта Longshot пишат директно за това: създаването на двигател, който може да работи 100 години без спиране и основен ремонт, ще бъде невероятен технически пробив. Същото важи и за всички други сондови системи и механизми.
Не бива обаче да се отчайвате. В историята на астронавтиката има примери за безпрецедентна надеждност на космическите кораби. Пионери 6, 7, 8, 10, 11, както и Вояджъри 1 и 2 - всички те са работили в космоса повече от 30 години!
Историята с хидразиновите двигатели (двигатели за контрол на позицията) на тези космически кораби е показателна. Вояджър 1 премина към резервен комплект през 2004 г. По това време основният комплект двигатели е работил в открито пространство в продължение на 27 години, като е издържал 353 000 стартирания. Прави впечатление, че през цялото това време катализаторите на двигателя непрекъснато се нагряват до 300 ° C!
Днес, 37 години след изстрелването, и двата Voyagers продължават безумния си полет. Те отдавна са напуснали хелиосферата, но продължават редовно да предават данни за междузвездната среда на Земята.
Всяка система, която зависи от човешката надеждност, е ненадеждна. Трябва обаче да признаем: по отношение на гарантирането на надеждността на космическите кораби, успяхме да постигнем определени успехи.
Всички необходими технологии за изпълнението на „звездната експедиция“са престанали да бъдат фантазии на учени, които злоупотребяват с канабиноиди, и са въплътени под формата на ясни патенти и работещи образци на технологиите. В лабораторията - но те съществуват!
Концептуалният дизайн на междузвездния космически кораб Longshot доказа, че имаме шанс да избягаме към звездите. По този трънлив път има много трудности за преодоляване. Но най-важното е, че векторът на развитие е известен и се е появило самочувствие.
Повече информация за проекта Longshot можете да намерите тук:
За инициирането на интерес към тази тема изразявам благодарността си към „Пощальон“.
