Совершенствование движения: как мы доставим людей на Марс

Учитывая, что недавние миссии на Марс, такие как «Настойчивость» НАСА, «Надежда» ОАЭ и китайская «Тяньвэнь-1», увенчались ошеломляющим успехом, вас можно простить за то, что вы думаете, что добраться до Марса легко. Но есть большая разница между отправкой вездехода или орбитального аппарата на красную планету и отправкой той инфраструктуры и технологий, которые нам потребуются для создания там человеческого присутствия.

Химическое движение, возможно, вывело нас в Солнечную систему, но для следующего этапа человеческой исследования космоса, нам потребуются новые двигательные технологии в дополнение к тем, которые мы использовали для последние 50 лет. Чтобы узнать подробности о том, как может выглядеть двигатель для пилотируемой экспедиции на Марс, мы поговорили с Каримом Ахмедом, доцентом факультет машиностроения и аэрокосмической техники Университета Центральной Флориды и эксперт в области передовых ракетных двигателей. системы.

Эта статья является частью Жизнь на Марсе, сериал из 10 частей, в котором исследуются передовые достижения науки и техники, которые позволят людям оккупировать Марс.

Старый надежный: химические двигательные установки, которые мы используем сейчас

Чтобы отправить ракету через атмосферу Земли в открытый космос, вам понадобится большая тяга. Вам нужно противодействовать не только трению земной атмосферы, но и значительной силе гравитации, которая притягивает объекты обратно на землю.

С 1950-х годов мы использовали один и тот же базовый принцип для приведения ракет в действие, называемый химическим двигателем. По сути, вы воспламеняете топливо (смесь топлива и окислителя), которое создает тепло. Это тепло заставляет материал внутри ракеты расширяться, который затем выталкивается из задней части ракеты. Этот выброс топлива создает тягу, которая толкает ракету вверх с огромной силой. эта сила позволяет ему преодолевать эффекты гравитации и уходить в космос за пределы нашей планеты.

«Двигатели на химической основе просто добавляют тепло к топливу с очень высокой скоростью. Это ракетное топливо, когда оно нагревается до очень высокой температуры, расширяется с очень высокой скоростью», — объяснил Ахмед. «Эта скорость зависит от того, сколько тепла вы вкладываете. Так что подумайте об этом так, как будто у вас есть взрыв, у вас есть огромное количество газа, который быстро движется. И это скорость».

Это большое преимущество химической тяги по сравнению с другими рассматриваемыми типами тяги: Скорость. Химический двигатель помогает ракетам летать очень, очень быстро. Но это не всегда самый эффективный вариант.

«Подумайте об этом как о Prius против Corvette», — сказал Ахмед. «Если вы хотите очень быстро добраться из точки А в точку Б, вам будет трудно превзойти химические двигатели». Однако, если вы хотите быть более эффективным, другие силовые установки могут пригодиться. «Если вы пытаетесь добраться из точки А в точку Б с разумной скоростью, но с высокой эффективностью, то движение на основе химических веществ может оказаться неподходящим инструментом».

Улучшение химических двигательных установок

Принцип химического двигателя мог оставаться неизменным в течение последних нескольких десятилетий, но это не означает, что в технологию не вносятся усовершенствования, такие как исследования различных типов топлива.

Эффективность типов топлива зависит от плотности энергии — сколько энергии может хранить определенное количество топлива. Вот почему трудно использовать что-то вроде водорода в качестве топлива, несмотря на то, что он выделяет много тепла в химических реакциях, потому что он очень легкий и имеет низкую плотность. Трудно хранить много водорода в небольшом пространстве, поэтому это не очень эффективное топливо.

Современные ракеты чаще всего используют топливо на основе керосина — в основном то же самое, что и топливо для реактивных двигателей — но в настоящее время большой интерес представляет топливо на основе метана или природного газа. Это топливо не обязательно будет более эффективным в качестве топлива, но оно будет значительно дешевле, поскольку природный газ в изобилии, и у нас уже есть технология для его сбора.

«Если бы SpaceX могла использовать природный газ для запуска своего Falcon 9, у них была бы большая экономия и, следовательно, ускорение освоения космоса», — сказал Ахмед в качестве примера. «Если бы мы могли снизить стоимость выхода на внешнюю орбиту, это сделало бы космос более доступным для нас».

Другая область исследований связана с улучшением самих двигателей. Команда Ахмеда — одна из нескольких групп, работающих над системой, называемой вращающимся детонационным ракетным двигателем, которая могла бы генерировать больше энергии при меньшем количестве топлива по сравнению с традиционными двигателями.

Тщательно контролируя количество водорода и кислорода, подаваемых в двигатель, можно более эффективно создавать давление. Это может уменьшить размер ракетного двигателя за счет устранения необходимости в очень мощном компрессоре, а также более эффективно использовать топливо. Эта технология скоро будет использована: Ахмед говорит, что ВВС США планируют испытать такой двигатель к 2025 году.

Почему химическое движение никуда не денется

Для взлета с Земли необходим двигатель на химической основе. «С уровня земли химическое движение становится критическим, потому что вам нужно такое количество энергии, чтобы поднять этот вес с земли на большую высоту. Преодолеть силу гравитации, — объяснил Ахмед.

Он привел в пример SpaceX. Когда компания запускает ракету, почему она не использует электрическую систему, подобную той, что используется в Tesla? Обе компании принадлежат одному и тому же человеку, Илону Маску, поэтому они наверняка могли бы использовать общие технологии. Но электрическая двигательная установка не может создать тягу, необходимую для отрыва ракеты от земли — она просто не производит достаточной мощности.

Поэтому в обозримом будущем нам нужно будет продолжать использовать химические двигатели для запуска ракет. Но это меняется, когда ракета выходит на орбиту. Как только он преодолеет земное притяжение и окажется в космосе, это будет похоже на использование круиз-контроля. Для управления космическим кораблем в космосе требуется относительно небольшая тяга, поскольку нет трения о воздух или нисходящего гравитационного притяжения. Вы даже можете использовать гравитационные силы близлежащих планет и лун.

Таким образом, для более эффективной работы может использоваться другая двигательная установка.

Более эффективный вариант: электрическая тяга.

Как только ракета выходит на орбиту, ей часто приходится вносить изменения в траекторию — небольшие корректировки, чтобы настроить ее скорость и убедиться, что она движется в правильном направлении. Для этого нужна система тяги. «Вам нужны тысячи ньютонов только для того, чтобы управлять транспортным средством, выйти из состояния нулевой скорости, поднять его и преодолеть гравитационную силу веса, который вы несете. Вот почему вам нужна большая, большая ракетная система. Но на внешней орбите на вас больше не действуют гравитационные силы, у вас есть только предельная скорость, которую вы пытаетесь преодолеть», — объяснил Ахмед.

И есть множество способов создать силу, необходимую для корректировки курса космического корабля. — Тяга есть тяга, — сказал он. «Вы вводите массу. Вы выбрасываете массу, поэтому она двигает вас в противоположном направлении. Это количество массы и то, как быстро вы истощаете эту массу».

Технология, часто используемая в малых спутниках или малых спутниках, представляет собой электрическую тягу. Они используют электроэнергию (часто собираемую с помощью солнечных батарей) для ионизации газа-вытеснителя. Затем этот ионизированный газ вытесняется из задней части спутника с помощью электронного или магнитного поля, создавая тягу, которая перемещает космический корабль.

Это чрезвычайно эффективная система, которая может использовать до На 90% меньше топлива чем химический двигатель.

«Для электрического движения ваша масса очень мала, и вам действительно не нужна большая скорость, чтобы дать вам тягу», — сказал Ахмед. А электронные двигательные установки могут ионизировать практически любой материал, поэтому они могут работать с любым доступным материалом.

Слон в комнате: ядерный двигатель

Людям часто не нравится идея ядерной энергетики в космосе. И, безусловно, существуют проблемы безопасности, которые необходимо учитывать при использовании ядерной энергии, особенно для миссий с экипажем. Но ядерное движение может быть просто козырем, позволяющим нам посещать далекие планеты.

«Ядерная энергетика на самом деле очень эффективна, — объяснил Ахмед. Ядерная двигательная установка работает через реактор, который вырабатывает тепло, которое затем используется для нагрева топлива, выбрасываемого для создания тяги. Он использует это топливо гораздо эффективнее, чем двигатель на химической основе.

И он устойчивый, что является его большим преимуществом. «Химическая система, вы сжигаете топливо и исчерпываете его, и у вас его больше нет», — сказал Ахмед. «Вы высвободили эту энергию и потеряли ее. В отличие от ядерной системы, уран или плутоний, которые вы собираетесь использовать, уже есть, и они никуда не денутся. Это устойчиво, если вы поддерживаете свой основной реактор».

Однако, несмотря на то, что эта реакция является устойчивой, выделяемое ею тепло по-прежнему необходимо направлять в массу. Вы бы не хотели исчерпать уран или плутоний, используемые в реакции. Полезно то, что нагреваемый материал может быть практически любым газом или твердым телом, хотя газ предпочтительнее, так как он лучше реагирует на тепло.

В космосе нет газов, поэтому вам все равно придется брать их с собой. Но на планете с атмосферой, такой как Марс, вы теоретически можете использовать легкодоступные газы, такие как углекислый газ, в качестве топлива.

НАСА в настоящее время изучает ядерные двигательные установки специально для миссий на Марс. «Цель НАСА — свести к минимуму время, в течение которого экипаж путешествует между Землей и Марсом, до двух лет, насколько это практически возможно. Космические ядерные двигательные установки могут сократить общее время миссии и обеспечить повышенную гибкость и эффективность для разработчиков миссии», — говорится в сообщении агентства. писал о ядерных системах. Но никаких твердых решений пока не принято. «Слишком рано говорить, какая двигательная установка доставит первых астронавтов на Марс, поскольку для каждого подхода еще требуется значительная доработка».

Это не то и не другое; это все вышеперечисленное

Мы все еще находимся на ранних стадиях планирования пилотируемой миссии на Марс. Мы должны учитывать практические требования, а также такие факторы, как стоимость, когда дело доходит до планирования наших следующих шагов.

Ахмед не думает, что одна силовая установка докажет, что она значительно превосходит другие. Вместо этого он предполагает комбинацию различных систем, используемых в соответствии с конкретными потребностями миссии.

«Я бы сказал, что потребуются все три системы», — пояснил он. «У вас нет идеальной двигательной установки, которая подходит для всех ваших миссий». Хотя можно использовать химическую двигательную установку для любой миссии, не всегда уместно — он сравнил это с тем, чтобы добраться до соседнего здания на «Феррари» и потратить кучу топлива, когда можно было просто ходить.

Для миссий с экипажем на Марс «вам придется использовать ядерное оружие, вам придется использовать электричество и химическое оборудование, без которого вы не сможете обойтись», — сказал он. Например, вы можете использовать электрическую двигательную установку для доставки таких грузов, как жилища, использовать ядерную двигательную установку. установить надежную систему ретрансляции между Землей и Марсом, а затем отправить своих астронавтов с помощью химического двигателя система. Это потому, что люди, по сути, представляют собой здоровенные аппаратные средства. «Наша масса не легкая!» он сказал. «Мы являемся значительной массой, даже для небольшого количества сотрудников. Поэтому вам нужна эта химическая движущая сила».

Готовы ли мы к Марсу?

Есть много сложностей, связанных с организацией пилотируемой миссии на Марс. Но когда дело доходит до двигательных установок, у нас есть технология, чтобы завтра отправить туда миссию.

«Там вас доставят традиционные ракетные двигатели 50-х годов», — сказал Ахмед. Ограничивающий фактор оказывается чем-то более прозаичным. «Вопрос в том, сколько это будет стоить вам».

Отправка ракет на Марс с использованием реактивных двигателей на химическом топливе просто очень и очень дорога. И хотя у общественности и академических кругов есть стремление к дальнейшему исследованию Марса, количество денег, доступных для такой миссии, не бесконечно. Поэтому нам нужно будет разрабатывать и использовать такие технологии, как электрические или ядерные силовые установки, чтобы сделать разведку более доступной.

Даже в области химических реактивных двигателей развитие технологий, таких как вращательно-детонационные двигатели или новые виды топлива, может помочь снизить затраты, что будет способствовать дальнейшим исследованиям. «Задача заключается в разработке инженерных систем, которые более экономичны, чем современные ракетные системы», — сказал он. «Технологии 50-х годов без проблем доставят вас на Марс. Это просто супер, супер дорого. И никто не захочет за это платить. Но технологии есть».

Рекомендации редакции

• Космологическое путешествие: сложная логистика доставки людей на Марс
• Астропсихология: как оставаться в здравом уме на Марсе
• Электростанции на других планетах: как мы будем генерировать электричество на Марсе
• Сбор гидратации: как будущие поселенцы будут создавать и собирать воду на Марсе
• Астроземледелие: как мы будем выращивать урожай на Марсе