Nel corso del ventesimo secolo, gli scrittori di fantascienza hanno scritto molto e con talento sull'esplorazione dello spazio. Gli eroi di "Chius" hanno donato all'umanità le ricchezze di Uranium Golconda, il pilota Pirks ha lavorato come capitano di navi cargo spaziali, navi da carico leader e portarinfuse hanno camminato intorno al sistema solare, e non sto parlando di alcun misticismo del viaggio verso misteriosi monoliti.
Tuttavia, il 21 ° secolo non è stato all'altezza delle aspettative. L'umanità sta timidamente nel corridoio del Cosmo, non uscendo su base permanente oltre l'orbita terrestre. Perché è successo e cosa sperare per coloro che vorrebbero leggere nelle notizie sull'aumento della resa dei meli marziani?
Nessun violinista necessario
Il primo paradosso che abbiamo incontrato è che gli esseri umani non sono il soggetto più adatto per l'esplorazione spaziale. Gli scrittori di fantascienza che hanno escogitato spedizioni spaziali potevano fare affidamento solo sull'esperienza storica dei pionieri della Terra: marittimi, esploratori polari, i primi aviatori. In effetti, in che modo la conquista di Marte sarebbe diversa dalla conquista del Polo Sud?
E qua e là l'ambiente è inadatto alla vita senza una preparazione preliminare, devi portare con te rifornimenti e non puoi uscire dalla nave o da casa senza indossare attrezzature speciali. Ma gli scrittori di fantascienza ei futuristi non potevano prevedere lo sviluppo dell'elettronica e della robotica, e i ricercatori robotici erano solitamente descritti in modo aneddotico:
“Ho dovuto distogliere lo sguardo dalla lettera per mezz'ora e ascoltare le lamentele del mio vicino, il cibernetista Shcherbakov. Probabilmente saprai che un grande impianto sotterraneo per la lavorazione dell'uranio e del transuranuro è in costruzione a nord del lanciarazzi. Le persone lavorano sei turni. Robot: tutto il giorno; macchine meravigliose, l'ultima parola nella pratica cibernetica. Ma, come dicono i giapponesi, anche la scimmia cade dall'albero. Ora Shcherbakov venne da me, arrabbiato come il diavolo, e disse che una banda di questi idioti meccanici (parole sue) stasera aveva rubato uno dei grandi depositi di minerali, scambiandolo, ovviamente, per un giacimento insolitamente ricco. I robot avevano programmi diversi, quindi al mattino una parte del magazzino finiva nei magazzini del lanciarazzi, in parte all'ingresso del dipartimento geologico, e una parte era generalmente sconosciuta dove. La ricerca continua."
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Ma nessuno degli autori noti ha intuito che un robot nell'esplorazione spaziale ha molti vantaggi su una persona:
A differenza di un essere umano, un robot necessita solo di potenza ed equilibrio termico. Non è necessario portare con sé decine di tonnellate di serre, cibo, acqua, ossigeno, abbigliamento e prodotti per l'igiene, medicinali e altre cose.
Il robot può essere inviato in un modo, senza restituire.
Il robot è in grado di funzionare per anni. L'esperienza dei Voyager, dei Mars rover o di Cassini suggerisce che ora è più corretto parlare non di anni, ma di decenni.
Il robot è in grado di lavorare per anni in condizioni fatali per l'uomo. La sonda Galileo ha ricevuto una dose 25 volte superiore alla dose letale per l'uomo e successivamente ha lavorato in orbita per 8 anni.
Di conseguenza, si è scoperto che solo i robot che pesano diverse tonnellate rientrano nelle capacità tecniche dell'umanità per inviarli su altri pianeti a un prezzo ragionevole e sono diventati l'unico modo per soddisfare la curiosità scientifica e ottenere bellissime fotografie.
Viviamo in una curva logistica
Il secondo errore degli scrittori di fantascienza è stato quello di prevedere uno sviluppo lineare o addirittura esponenziale dell'astronautica. Anche se nel 1838 fu scoperto un fenomeno come la curva logistica. Cos'è questa terribile bestia? Prendi la storia dell'aviazione come esempio:
1900s. Le prime librerie goffe, i primi record: voli per diversi chilometri con un passeggero.
1910th. I primi scout, caccia, bombardieri, posta e aerei passeggeri.
1920-1930. Padroneggiare i voli notturni, i primi voli transcontinentali.
Anni '40. L'aviazione è una seria forza militare e di trasporto.
Anni '50. I motori a reazione danno un nuovo impulso allo sviluppo dell'aviazione: nuove velocità, portate e altezze e ancora più passeggeri.
Anni '60 -'70. Il primo aereo passeggeri supersonico e wide-body, l'aviazione è più conveniente.
1980-90. Frenata. Lo sviluppo sta diventando sempre più costoso, le aziende di sviluppo si stanno unendo in aziende giganti. E gli aerei sono sempre più simili tra loro.
Anni 2000. Limite. I due giganti, Boeing e Airbus, costruiscono macchine apparentemente identiche e gli aerei passeggeri supersonici si sono estinti del tutto.
Se traduci questi risultati in numeri, ottieni la seguente immagine:
In astronautica la situazione è esattamente la stessa:
Per chiarezza, il grafico della curva a S può essere sovrapposto a un grafico dei costi per raggiungere questo livello:
E la tristezza del nostro "oggi" è che in astronautica con le tecnologie esistenti siamo vicini al livello di saturazione. Tecnicamente, puoi volare in versione con equipaggio sulla Luna e persino su Marte, ma in qualche modo è un peccato per i soldi.
Metti KC: otterrai la gravità
Il prossimo aspetto triste, che rallenta la corsa nello spazio, è che non è stato ancora scoperto qualcosa di molto prezioso, per il quale vale la pena spendere soldi per l'esplorazione dello spazio oltre l'orbita terrestre. Tieni presente che ci sono molti satelliti commerciali nell'orbita terrestre bassa: comunicazioni, TV e Internet, meteorologici, cartografici. E tutti hanno vantaggi economici tangibili. E a cosa serve una missione con equipaggio sulla luna? Ecco l'elenco ufficiale dei risultati del programma lunare statunitense del valore di circa $ 170 miliardi (a prezzi 2005):
La luna non è un oggetto primario, è un pianeta terrestre, con la sua evoluzione e struttura interna, simile alla Terra.
La luna è antica e conserva la storia del primo miliardo di anni di evoluzione dei pianeti terrestri.
Le rocce lunari più giovani hanno all'incirca la stessa età delle rocce terrestri più antiche. Tracce dei primi processi ed eventi che potrebbero aver influenzato la Luna e la Terra possono essere trovate ora solo sulla Luna.
La Luna e la Terra sono geneticamente correlate e formate da diverse proporzioni di un insieme comune di materiali.
La luna è senza vita e non contiene organismi viventi o materia organica locale.
Le rocce lunari hanno avuto origine da processi ad alta temperatura senza la partecipazione dell'acqua. Sono classificati in tre tipi: basalti, anortositi e brecce.
Molto tempo fa, la Luna è stata fusa a una grande profondità e ha formato un oceano di magma. Le montagne lunari contengono resti delle prime rocce a bassa densità che galleggiavano sulla superficie di questo oceano.
L'oceano di magma è stato formato da una serie di enormi impatti di asteroidi che hanno formato pozze piene di colate laviche.
La luna è in qualche modo asimmetrica, forse a causa dell'influenza della Terra.
La superficie lunare è ricoperta da pezzi di roccia e polvere. Questa è chiamata regolite lunare e contiene la storia radiativa unica del Sole, che è importante per comprendere il cambiamento climatico sulla Terra.
Tutto questo è molto interessante (niente scherzi), ma tutta questa conoscenza ha un inconveniente irreparabile: non puoi spalmarlo sul pane, versarlo in un serbatoio del gas o costruirci una casa. Se un certo "elerium", "tiberio" o altro shishdostanium venisse scoperto nella vastità dello spazio, che potrebbe essere usato come:
Fonte di energia redditizia.
Parte integrante della produzione di qualcosa di prezioso e utile.
Cibo / medicine / vitamine di una qualità fondamentalmente nuova.
Un oggetto di lusso o una fonte di piacere.
Se crescesse anche solo su Marte o nella fascia degli asteroidi (e non fosse riprodotto sulla Terra) e potesse essere estratto solo dagli umani (in modo che l'umanità astuta non inviasse robot più economici e senza pretese), allora sarebbe un'esplorazione spaziale con equipaggio che riceverebbe un incentivo inestimabile. E in sua assenza, in uno scenario pessimistico negli anni '20, l'umanità potrebbe perdere una presenza permanente anche nell'orbita terrestre - sullo sfondo dei vasi di cooperazione internazionale rotti dai politici, i contribuenti potrebbero chiedere: "Perché abbiamo bisogno di una nuova stazione dopo la ISS?"
La maledizione della formula Tsiolkovsky
Eccola, la nemesi della cosmonautica:
Qui:
V è la velocità finale del razzo.
I - impulso specifico del motore (quanti secondi il motore con 1 chilogrammo di carburante può creare spinta 1 Newton)
M1 è la massa iniziale del razzo.
M2 è la massa finale del razzo.
V per il caso di serbatoi pieni sarà il margine di velocità caratteristico, cioè il margine di velocità con cui possiamo accelerare / decelerare se necessario. Questo è anche chiamato margine delta-V (delta sta per cambiamento, cioè è il margine per il cambio di velocità).
Qual è il problema qui? Facciamo una mappa delle variazioni di velocità richieste per il sistema solare:
Immaginiamo ora di voler volare su Marte e ritorno. Ciò equivarrà a:
9400 m / s - inizia dalla Terra.
3210 m / s - lasciando l'orbita terrestre.
1060 m / s - intercettazione di Marte.
0 m / s - entrare nell'orbita bassa di Marte (il triangolo bianco indica la possibilità di frenare contro l'atmosfera).
0 m / s - atterraggio su Marte (rallentiamo l'atmosfera).
3800 m / s - partenza da Marte.
1440 m / s - accelerazione dall'orbita di Marte.
1060 m / s - Intercettazione della Terra.
0 m / s - entrando in un'orbita terrestre bassa (rallentiamo contro l'atmosfera).
0 m / s - atterraggio sulla Terra (rallentiamo sull'atmosfera).
Il risultato è una bella cifra di 19970 m / s, che arrotondiamo a 20.000 m / s. Lascia che il nostro razzo sia l'ideale e il volume del carburante non influisca in alcun modo sulla sua massa (serbatoi, condutture non pesano nulla). Proviamo a calcolare la dipendenza della massa iniziale del razzo dalla massa finale e dall'impulso specifico. Trasformando la formula di Tsiolkovsky, otteniamo:
M1 = eV / I * M2
Usiamo il pacchetto matematico gratuito Scilab. Prendiamo la massa finale nel range di 10-1000 tonnellate, l'impulso specifico varierà da 2000 m / s (motori chimici su idrazina) a 200.000 m / s (stima teorica dell'impulso massimo del motore a propulsione elettrica per oggi). Devo dire subito che per la massa massima e il minimo impulso ci sarà un valore molto grande (22 milioni di tonnellate), quindi la scala di visualizzazione sarà logaritmica.
[m2 I] = meshgrid (10: 50: 1000,2000: 5000: 200000);
m1 = log (exp (20000 * I. ^ - 1). * m2);
surf (m2, I, m1)
Questo bellissimo grafico è, infatti, un verdetto visivo per i motori chimici. Questa non è una novità: sui motori chimici, come dimostra perfettamente la pratica, normalmente si possono lanciare piccole sonde, ma anche volare sulla luna con un equipaggio è già piuttosto difficile.
Facciamo alleviare le nostre condizioni. Per prima cosa, supponiamo di partire dall'orbita terrestre, e invece di 20 km / s abbiamo bisogno di 10. Secondo, tagliamo la "coda" dei motori chimici inefficienti, impostando il valore minimo di I a 4400 m / s (AI del motore a idrogeno dello Space Shuttle RS-25):
[m2 I] = meshgrid (10: 50: 1000,4400: 5000: 200000);
m1 = log (exp (10000 * I. ^ - 1). * m2);
surf (m2, I, m1)
Scala logaritmica:
Scala lineare:
Rinunciamo completamente ai motori chimici. Il motore nucleare NERVA aveva un'IA di 9000 secondi. Ricalcoliamo:
[m2 I] = meshgrid (10: 50: 1000.9000: 5000: 200000);
m1 = exp (10000 * I. ^ - 1). * m2;
surf (m2, I, m1)
Scala lineare:
Perché sto ripetendo questi grafici monotoni? Il fatto è che l'area pianeggiante designata come "motivo di ottimismo" mostra che quando compaiono motori con un'IA superiore a 50.000 m / s, sarà possibile volare più o meno tollerabilmente senza navi con una massa iniziale di milioni di tonnellate all'interno del sistema solare. E i motori a propulsione elettrica, già esistenti, hanno un ID di 25000-30000 m / s (ad esempio, SPD 2300).
Tuttavia, è necessario capire che la ragione dell'ottimismo è molto contenuta. Innanzitutto, queste migliaia di tonnellate devono essere consegnate nell'orbita terrestre (il che è estremamente difficile). In secondo luogo, i motori a propulsione elettrica esistenti hanno una piccola spinta e per accelerare con un'accelerazione adeguata è necessario installare reattori multi-megawatt.
Costruiamo un altro grafico interessante. Facci sapere la massa finale: 1000 tonnellate. Costruiamo la dipendenza della massa iniziale dall'impulso specifico e dalla velocità finale:
[VI] = meshgrid (10000: 2000: 100000.50000: 5000: 200000);
m1 = exp (V. * (I. ^ - 1)) * 1000;
surf (V, I, m1)
Questo grafico è interessante in quanto è, in un certo senso, uno sguardo al futuro più lontano dell'umanità. Se vogliamo un volo comodo e veloce attraverso il sistema solare, dovremo salire di un ordine di grandezza più in alto per padroneggiare l'impulso specifico: abbiamo bisogno di motori con un ID di diverse centinaia di migliaia di metri al secondo.
Non ci sono pesci qui
L'umanità si distingue per l'astuzia e l'ingegno. Pertanto, molte idee sono state inventate per facilitare l'accesso allo spazio. Uno dei parametri più importanti che caratterizzano la barriera che vogliamo scavalcare è il costo per mettere in orbita un chilogrammo. Ora, secondo varie stime (questa colonna è stata rimossa dal Wiki, qui, ad esempio, un'altra fonte) per vari veicoli di lancio, questo prezzo è compreso tra $ 4000 e $ 13000 per chilogrammo per l'orbita terrestre bassa. Cosa hai cercato di inventare per rendere più facile, più facile ed economico entrare almeno nell'orbita terrestre?
Sistemi riutilizzabili. Storicamente, questa idea è già fallita una volta nel programma Space Shuttle. Ora Elon Musk sta facendo questo, progettando di piantare il primo stadio. Vorrei augurargli ogni successo, ma sulla base del fallimento passato, non credo che questo sarà un passo avanti qualitativo. Nel migliore dei casi, il costo scenderà di una piccola percentuale.
Fase singola in orbita. Non è andata oltre i progetti, nonostante i ripetuti tentativi.
Inizio dell'aria. Esiste un progetto di successo per un piccolo carico utile, ma non è scalabile per carichi pesanti.
Lancio spaziale senza razzi. Sono stati inventati molti progetti, ma tutti hanno un difetto fatale: sono necessari investimenti astronomici, che non possono essere "ripresi" senza il completo completamento del progetto. Fino a quando l'ascensore spaziale, la fontana o l'autista di massa non saranno completamente costruiti e lanciati, non vi sarà alcun profitto.
Allora il cuore si calmerà
Come puoi rallegrarti dopo queste tristi riflessioni? Ho due argomenti: uno astratto e fondamentale, l'altro più specifico.
In primo luogo, il progresso nel suo insieme non è una curva a S, ma molte di esse, che formano proprio un'immagine così ottimistica:
Nella storia dell'aviazione si possono distinguere, ad esempio:
E, di sicuro, ci troviamo in un punto simile nello sviluppo della cosmonautica. Sì, ora c'è un po 'di stagnazione e persino un rollback è possibile, ma l'umanità, con le teste dei suoi migliori rappresentanti, sfonda il muro della conoscenza e da qualche parte, non ancora notato, stanno irrompendo i germogli di un nuovo futuro.
Il secondo argomento è la notizia sullo sviluppo di un reattore nucleare per il modulo trasporto-energia, che sta procedendo senza troppe storie:
L'ultima notizia su questo progetto è stata in estate: è stato assemblato il primo TVEL. Il lavoro, anche se senza pubblicità regolare, è ovviamente in corso, e si può sperare nella comparsa nei prossimi anni di un apparato fondamentalmente nuovo: un rimorchiatore nucleare con un motore a propulsione elettrica.
P. S
Questi sono pensieri un po 'trasandati, chiamiamoli la prima iterazione. Vorrei avere un feedback - forse mi sono perso qualcosa o ho definito in modo errato il significato del fenomeno. Chissà, forse dopo aver elaborato il feedback, otterrai un concetto più coerente o ti verrà in mente qualcosa di interessante?
Avor: lozga
