Мигом на марс с новым двигателем без топлива: Наука: Наука и техника: Lenta.ru |

Содержание

Наука: Наука и техника: Lenta.ru

В Канаде спроектировали мощный наземный лазер, разгоняющий космические корабли до Марса

Фото: NASA / globallookpress.com

Ученые Университета Макгилла в Канаде предложили проект нового лазерно-теплового двигателя, который сократит время путешествия космического корабля на Марс до 45 дней по сравнению с шестью месяцами полета для кораблей с химическими двигателями. Концепция, описанная в журнале Acta Astronautica, предполагает, что массив лазеров, установленный на Земле, будет нагревать водородную плазму в камере в задней части межпланетного корабля и создавать тягу из выбросов газообразного водорода. Кратко о проекте рассказывается в пресс-релизе на Phys.org.

Согласно задумке инженеров, фазированная решетка инфракрасных лазеров с общим диаметром десять метров и мощностью 100 мегаватт может подавать направленный луч на космический корабль, находящийся в окололунном пространстве. Луч будет фокусироваться в камере нагрева c помощью надувного отражателя, который находится на эллиптической околоземной орбите. Нагретое до 10 тысяч кельвинов водородное топливо выбрасывается через сопло, что позволит кораблю достичь удельного импульса в 3000 секунд (столько времени проработает двигатель на одном килограмме топлива, создавая тягу в один ньютон). Для сравнения удельный импульс жидкостных ракетных двигателей достигает всего около 470 секунд.

Материалы по теме:

Ожидается, что разогнанная лазером полезная нагрузка массой в одну тонну будет лететь сверхбыстро, со скоростью 17 километров в секунду относительно Земли. Естественно, эта скорость сохранится при достижении Марса, поэтому торможение и выход на орбиту вокруг Красной планеты будет представлять сложную инженерную задачу. Если для торможения ракеты использовать химическое топливо на ее борту, то это уменьшит массу полезной нагрузки до менее чем шести процентов от первоначальной тонны. Поэтому динамическое торможение в атмосфере Марса будет единственным способом замедлить полет полезной нагрузки, пока на планете не будет построена вторая лазерная решетка.

Такое торможение будет рискованным маневром, в результате которого полезная нагрузка может быть потеряна из-за предельных нагрузок и трения об атмосферу. Однако авторы проекта отмечают, что сейчас разрабатываются новые теплозащитные материалы, которые могут выдержать экстремальный нагрев.

Одним из преимуществ лазерно-тепловой установки является не только высокий удельный импульс, но и низкое отношение массы к мощности (0,001-0,010 килограмма на киловатт), что намного ниже, чем у ядерных двигателей, благодаря тому, что источник энергии остается на Земле. Большое фокусное расстояние для передачи энергии в 50 тысяч километров обеспечивается волоконно-оптическими лазерами микронного размера с усилителями мощностью 100 ватт каждый. Усилители представляют собой петлю из оптоволокна и светодиода и могут производится в массовом порядке, а для марсианской миссии их потребуется порядка одного миллиона.

Космос: Наука и техника: Lenta.ru

Корабль у Марса (в представлении художника). Изображение: @SpaceX

Глава компании SpaceX, американский бизнесмен Илон Маск, выступая в мексиканском городе Гвадалахара на 67-м конгрессе Международной федерации астронавтики, представил проект межпланетной транспортной системы ITS (Interplanetary Transport System), предназначенной для колонизации Марса. Предполагается, что на Красной планете будет построено полностью автономное поселение. Благодаря ITS в колонию на Марсе через полвека переберется миллион человек.

Материалы по теме:

По мнению Илона Маска, человечеству, чтобы выжить, необходимо колонизировать другие миры. Марс для этого подходит лучше всего, поскольку условия на планете хоть и отдаленно, но все же похожи на земные. На соседней Венере слишком жарко, а спутники Юпитера и Сатурна, где также можно было бы создать колонию, расположены слишком далеко. Освоение этих лун, в частности, Энцелада, — уже следующий этап колонизации Солнечной системы.

Илон Маск является основателем компаний SpaceX (производит ракеты и космические корабли) и Tesla Motors (создает электромобили), а также инициировал проект Hyperloop (гибридной транспортной системы из вакуумного поезда и маглева). Он также принял участие в создании компаний PayPal (занимается электронными платежами) и SolarCity (солнечная энергетика).

Терраформирование Марса, то есть создание там максимально похожего на земной климата, по Маску, может занять несколько сотен лет. Это дело далекого будущего. Бизнесмен полагает, что в прошлом на Красной планете была более плотная атмосфера и текли водяные реки. Маск согласен с теми учеными, которые считают возможным вернуть Марс в его прежнее состояние. Тогда планета станет пригодной для земледелия без парников и жизни хотя бы примитивных микроорганизмов.

Сегодня, по оценкам, стоимость отправки человека на Марс — 10 миллиардов долларов. Маск считает, что и 10 миллионов — это слишком дорого. И предлагает программу удешевления полетов на Красную планету. Деньги на нее он намерен найти у частных партнеров и энтузиастов. Государство, судя по всему, в этом SpaceX не помогает. НАСА также, несмотря на сотрудничество со SpaceX по программе Международной космической станции, относится к проекту с осторожностью.

Маск предлагает создать пилотируемый корабль вместимостью 200 человек. На околомарсианской орбите должна накопиться тысяча таких аппаратов. Всего от Земли до Марса планируется около десяти тысяч перелетов. Путешествие займет не более 150 суток, а стоимость доставки полезного груза составит 140 тысяч долларов за одну тонну.

Концепция ITS основывается на нескольких ключевых технологиях — многоразовости, дозаправке кораблей на орбите и использовании марсианского топлива. В качестве топлива предлагается метан, который можно получать на Марсе из воды и углекислого газа. Все двигатели на ракетах останутся химическими — ионные или ядерные варианты не рассматриваются. На ракету ITS планируется поставить двигатель Raptor, у которого самое большое отношение тяги к массе. Этот агрегат недавно прошел испытания, в перспективном носителе предусмотрено 42 двигателя. Топливные баки для Raptor предполагается изготавливать из углеволокна.

Ракета для колонизации Марса будет самой крупной из когда-либо созданных человеком: диаметр — 12 метров, высота — 122 метра (вместе с головной частью). Первая ступень носителя ITS — это увеличенная первая ступень средней ракеты Falcon 9. Для ее возвращения на Землю после отправки корабля на околоземную орбиту потребуется около семи процентов всего топлива первой ступени.

С ракетой ITS, как отметил Маск, можно доставить груз в любую точку Земли максимум за 45 минут. Диаметр пилотируемого корабля, размещаемого в головной части, составит 17 метров, высота — 50 метров. Грузоподъемность — 450 тонн (вместе с топливом). Шесть двигателей работают в космосе, три — в атмосфере. После презентации ITS бизнесмен ответил на вопросы присутствующих в зале.

Из его ответов стало известно, что денег на самостоятельное финансирование проекта ITS у SpaceX нет — компания зарабатывает исключительно на заказах НАСА и коммерческих спутниках. Однако ситуация может поменяться. Если в настоящее время из пяти тысяч сотрудников SpaceX над ITS работают около 50 человек, то с течением времени, когда инвестиции в проект вырастут до 300 миллионов долларов в год, бизнесмен надеется резко увеличить их количество.

На вопрос россиянки Анастасии о привлечении иностранных граждан к проекту Маск ответил так: в программе ITS может участвовать любой желающий. Но для этого, помимо таланта, нужна еще и грин-карта. Для сравнения, в компании Tesla ситуация проще — там четверть сотрудников — иностранцы.

Маск подтвердил свое намерение отправить в 2018 году к Марсу при помощи тяжелой ракеты Falcon Heavy, испытания которой намечены на осень 2016 года, беспилотную миссию на корабле Dragon V2 (расчетной вместимостью до семи человек). После этого он планирует отправлять на Красную планету аппараты каждые 26 месяцев: две миссии в 2020 году, как минимум одну в 2022-м и, вероятно, пилотируемую миссию через два года с высадкой на планету в 2025 году. Пуски планируется осуществлять на разрабатываемой ракете-носителе Falcon Heavy, а старт 2020 или 2022 годов — уже на ракете ITS.

Первый марсианский корабль в SpaceX собираются назвать Heart of Gold. Маск признал: к сожалению, нет никаких гарантий того, что первые колонизаторы смогут вернуться на Землю. Путешествие на Марс он традиционно сравнил с открытием и заселением Америки. От себя добавим, что в Европе такие переселения, как и предшествующее им открытие Америки, многими считались безумием. Станет ли Илон Маск новым Христофором Колумбом или окажется расчетливым бизнесменом с богатой фантазией — покажет время и его дела.

Новая технология двигателя, которая может доставить нас на Марс быстрее

Опубликовано
25 декабря 2019 г. Планета Lockheed Martin
Мэри-Энн Рассон
Научный обозреватель
Если мы когда-нибудь будем совершать регулярные путешествия с Земли на Марс и в другие отдаленные места, нам могут понадобиться новые виды двигателей. Инженеры изучают революционные новые технологии, которые могут помочь нам пересечь Солнечную систему за гораздо меньшее время.
Из-за того, что Марс и Земля вращаются вокруг Солнца, расстояние между ними колеблется от 54,6 млн км до 401 млн км.
Миссии на Марс начинаются, когда две планеты приближаются друг к другу. Во время одного из этих подходов требуется девять месяцев, чтобы добраться до Марса с помощью химических ракет — широко распространенной формы движения.
Это много времени, которое можно потратить на путешествие. Но инженеры, в том числе из космического агентства США (НАСА), работают с промышленными партнерами над разработкой более быстрых методов доставки нас туда.
Итак, какие технологии самые многообещающие?
Солнечная электрическая двигательная установка
Солнечная электрическая двигательная установка может использоваться для отправки грузов на Марс перед миссией человека. По словам доктора Джеффа Шихи, главного инженера Управления космических технологий НАСА, это обеспечит готовность оборудования и материалов и ожидание астронавтов, когда они прибудут на химических ракетах.
С помощью солнечной электрической тяги большие солнечные батареи разворачиваются для захвата солнечной энергии, которая затем преобразуется в электричество. Это приводит в действие то, что называется двигателем Холла.
Есть плюсы и минусы. С другой стороны, вам нужно гораздо меньше топлива, поэтому космический корабль становится легче. Но транспортному средству также требуется больше времени, чтобы добраться туда.
«Для того, чтобы нести полезную нагрузку, которая нам нужна, нам, вероятно, потребуется от двух до 2,5 лет, чтобы добраться туда», — говорит доктор Шихи BBC.
Источник изображения, НАСА
Подпись к изображению,
Aerojet Rocketdyne работает над двигателем Холла для лунных ворот транспортных средств, вам понадобится много груза».
Aerojet Rocketdyne работает над двигателем Холла для Gateway, предполагаемой космической станции на лунной орбите.
«Солнечная — лучшая, потому что мы знаем, что можем масштабировать ее», — объясняет Джо Кэссиди, исполнительный директор космического подразделения Aerojet Rocketdyne.
«Сегодня они уже летают на спутниках связи. Уровень мощности, на котором мы летаем сегодня, составляет 10-15 кВт (киловатт), и то, что мы собираемся сделать со шлюзом, — это увеличить его до чего-то большего, чем 50кВт.»
Мистер Кэссиди сказал, что двигатель Aerojet Rocketdyne Hall будет гораздо более экономичным, чем ракетный двигатель на жидком водороде и кислороде.
Но хороший способ удешевить доступ к космосу — сократить количество запусков, объясняет он.
«Я думаю, что электрическая солнечная двигательная установка — это очень хорошая технология, использующая ксенон в качестве топлива. Но два основных недостатка — это время, необходимое для того, чтобы добраться туда, и размер солнечных батарей», — говорит Тим Сичан, архитектор пилотируемых космических полетов в аэрокосмическом гиганте Lockheed Martin.
Дейл Томас, профессор и видный ученый в области системной инженерии Университета Алабамы в Хантсвилле (UAH), согласен с этим.
«Солнечная электроэнергия хорошо работает для небольших полезных нагрузок, но у нас все еще есть проблемы с ее масштабированием», — говорит он Би-би-си.
Он считает, что это может стать важной альтернативной технологией, если удастся решить технические проблемы. Но на данный момент, по его словам, есть и другие варианты получше, например, ядерная тепловая электрическая двигательная установка.
Ядерная тепловая электрическая двигательная установка
Другая идея состоит в том, чтобы использовать химические ракеты для взлета с Земли и посадки на Марс. Но для средней части пути некоторые инженеры предлагают использовать нечто, называемое ядерным термоэлектрическим двигателем.
Источник изображения, НАСА
Подпись к изображению,
Стыковка модуля экипажа «Орион» с «Ворота» на лунной орбите
Астронавты могут быть отправлены к «Вратам» в капсуле «Орион» НАСА. Затем капсула экипажа «Орион» состыкуется с транспортным средством.
После того, как «Орион» будет подключен к транспортному средству, ядерная электрическая ракета будет использоваться для доставки капсулы экипажа и транспортного модуля на Марс, где они соединятся с марсианским орбитальным аппаратом и посадочным модулем, ожидающими на орбите Марса.
В ядерной тепловой электроракете небольшой ядерный реактор нагревает жидкий водород. Газообразная форма элемента расширяется и выбрасывается из двигателя.
«Если мы сможем сократить время перехода [на Марс] на 30-60 дней, это уменьшит воздействие радиации на экипаж», — говорит г-н Кэссиди. «Мы рассматриваем ядерную тепловую энергию как ключевую технологию, потому что она может обеспечить более быстрое время транзита».
Дейл Томас вместе с UAH заключил контракт с НАСА на разработку космической ракеты с ядерным тепловым двигателем. Он считает, что ядерная термоэлектрическая технология является наиболее близкой к готовой к использованию новой технологией двигателей.
«По некоторым траекториям, которые мы проходим в моей лаборатории, мы можем сократить время перехода до трех месяцев, что все еще очень долго, но это примерно треть времени, которое требуется химическому двигателю, чтобы добраться туда» он говорит.
Источник изображения, НАСА
Image caption,
Находясь в космосе, астронавты подвергаются воздействию радиации. Некоторые представители космической отрасли опасаются, что ядерная тепловая тяга повысит этот риск.
Компания Boeing не очень заинтересована в ядерной тепловой тяге, потому что беспокоится о последствиях, которые ядерный реактор может оказать на астронавтов.
Мистер Томас не согласен: «Это распространенное заблуждение. Водородное топливо — отличный экран от радиации.
«Экипаж будет на одном конце корабля, а двигатель — на другом. Таким образом, предварительные расчеты показывают, что экипаж получит большую дозу облучения от космических лучей, чем от ядерного теплового двигателя».0005
Тем не менее, он признает один недостаток технологии — невозможность легко протестировать ее на Земле.
Но НАСА разрабатывает аппарат для наземных испытаний, очищающий выхлопные газы от радиоактивных частиц, что делает возможным наземные испытания.
Электрический ионный двигатель
Еще одна идея — электрический ионный двигатель. Они генерируют тягу, ускоряя ионы — заряженные атомы или молекулы — с помощью электричества.
Ионный двигатель уже используется для питания спутников в космосе. Но они производят лишь малую тягу — больше похожую на мощность фена — и поэтому имеют низкое ускорение. Но со временем они могут достигать высоких скоростей.
В Ad Astra говорят, что они работают над типом двигателя под названием Vasimr, который использует радиоволны для ионизации и нагрева топлива, а затем магнитное поле для ускорения получающегося супа частиц — плазмы. Vasimr спроектирован так, чтобы производить гораздо большую тягу, чем стандартный ионный двигатель.
Необходимое электричество можно получить разными способами. Но для отправки людей на Марс команда хочет использовать ядерный реактор. Vasimr будет использовать солнечную энергию для небольших полезных нагрузок.
Президент и главный исполнительный директор Ad Astra Франклин Чанг Диас, бывший астронавт НАСА, говорит, что в идеале миссии с экипажем должны добраться до Марса менее чем за девять месяцев.
Источник изображения, Ad Astra
Image caption,
Бывший астронавт НАСА Франклин Чанг-Диас
Полет на Красную планету намного сложнее, чем на Луну, говорит он.
«Решение состоит в том, чтобы действовать быстро», — говорит г-н Чанг Диаз Би-би-си. «Для космического корабля весом 400–600 метрических тонн с уровнем мощности 200 МВт (мегаватт) вы можете добраться до Марса за 39
Дейл Томас считает, что масштабирование Vasimr будет трудным, как переход от мощности газонокосилки к космической ракете. Но технология действительно многообещающая.
может решить технические проблемы Vasimr, он кажется лучшим выбором для электрического двигателя в масштабе космического корабля, перевозящего людей», — говорит мистер Томас.
«Физика говорит, что он должен работать. Однако я должен отметить, что Vasimr все еще находится в стадии разработки в лаборатории; он далек от того, чтобы быть готовым к полету в любом масштабе».
Г-н Чанг Диас не видит проблемы в расширении масштабов, просто в настоящее время нет рынка для двигателя мощностью 10 МВт, поэтому Ad Astra придерживается 200 кВт.
«У нас есть рынок для двигателя мощностью 200 кВт, на низкой околоземной орбите и вблизи Луны ведется активная работа по перемещению околоземных спутников», — говорит г-н Чанг Диаз.
Lockheed Martin также считает, что Vasimr является многообещающей технологией, но она сосредоточена на солнечной электрической силовой установке.
Чемодан для химических ракет
Хотя новые технологии интересны, опытные космические игроки Lockheed Martin и Boeing считают, что ракеты на жидком химическом топливе должны стать основой любой миссии человека на Марс.
Локхид Мартин говорит, что у нас уже есть технология, необходимая для полета на Марс, а химические ракеты — проверенная технология, которая работала во всех миссиях Аполлона.
«У нас уже есть технология, которая позволит нам сегодня добраться до Марса, — говорит г-н Сичан, бывший системный архитектор Orion.
Источник изображения, НАСА. системы и получение опыта полетов в дальнем космосе, а также разработка технологий, которые станут новаторскими в будущем».
Ракеты-носители на водороде используются с 1960-х годов, и они имеют высокий уровень успеха, подчеркивает он.
«Система космического запуска НАСА (SLS) оснащена четырьмя ракетными двигателями RS-25 на жидком водороде и кислороде», — сообщил Би-би-си специалист по ракетным двигателям Boeing Роб Брурен.
«Это традиционные двигатели для шаттлов, и преимущество RS-25 в том, что они хорошо зарекомендовали себя и являются высоконадежными двигателями. определенно работает. С новыми технологиями они звучат хорошо на бумаге, но когда дело доходит до их реализации, вы столкнетесь с проблемами, которые задержат вас» 9.0005
Когда мы доберемся до Марса?
Недавнее исследование, проведенное Институтом политики науки и технологий (STPI), показало, что пилотируемые миссии на Марс вряд ли будут следовать расписанию НАСА и начинаться в 2033 году.
Источник изображения, НАСА
Подпись к изображению,
астронавты вернутся на Луну в рамках программы «Артемида» к 2024 году
Учитывая ограниченность бюджета НАСА, STPI считает гораздо более вероятным, что мы отправимся на Марс в 2039 году, хотя Белый дом хочет, чтобы космическое агентство США первым исследовало Луну к 2024 году в рамках программы Artemis.
Доктор Пол Димотакис, профессор аэронавтики Джона К. Нортропа и профессор прикладной физики Калифорнийского технологического института (Калифорнийский технологический институт), скептически относится к новым технологиям и даже к химическим двигателям.
«Лично я не видел ответов на технические вопросы о том, как иметь достаточное количество химического двигателя, чтобы выдержать долгий полет. Неизвестно, чтобы водородно-кислородная ракета продержалась дольше шести месяцев», — говорит он.
«У нас нет технического решения, которое решает все проблемы. К тому же, кто-то должен продемонстрировать это, прежде чем мы отправим людей на Марс, и все это не соответствует расписанию НАСА.»
- Боинг
- Марс
- НАСА
- Луна
- Система космического запуска (SLS)
НАСА передало новый проект ядерного двигателя, который может сократить время полета до Марса более чем вдвое
Аристос Георгиу
26. 10.20 в 12:10 по восточноевропейскому времени
Технологии и наука
Исследование космоса
НАСА
Атомная энергия
Mars
Компания из Вашингтона разработала концепцию двигателя с ядерным двигателем, который может сократить время полета на Марс до трех месяцев в будущих космических миссиях.
Ultra Safe Nuclear Technologies (USNC-Tech) заявила, что представила свою концепцию дизайна НАСА в рамках исследования ядерных тепловых двигательных установок (NTP) для космических полетов.
Системы NTP питаются от процесса, известного как ядерное деление — расщепление атомов. Эти системы, как правило, работают, прокачивая жидкое топливо через активную зону ядерного реактора, где атомы расщепляются, выделяя тепло.
Этот процесс нагревает топливо, превращая его в газ, который создает тягу. Системы NTP обеспечивают большую мощность и более эффективны, чем стандартные химические ракеты. Инженеры используют показатель, известный как «удельный импульс», для оценки производительности различных силовых установок.
Удельный импульс — это величина тяги, которую конструкция может создать за счет определенного количества топлива. Чем выше этот рейтинг, тем лучше.
Главный инженер USNC-Tech Майкл Идес заявил в своем заявлении, что новая концепция компании более надежна, чем предыдущие разработки NTP, и имеет «удельный импульс, более чем в два раза больший, чем у химических систем».
«Мы хотим возглавить усилия по открытию новых границ в космосе, и сделать это быстро и безопасно», — сказал Идес.
Системы NTP обещают значительно сократить время полета в космосе и нести более тяжелые полезные нагрузки, чем современные химические ракеты, хотя они не предназначены для отправки ракет на орбиту и будут использоваться только после запуска.
Эти устройства могут, например, сократить время полета до Марса вдвое меньше обычного, которое в настоящее время составляет около семи месяцев. Это было бы выгодно НАСА, поскольку оно планирует отправлять миссии с экипажем на Луну и Красную планету.
USNC-Tech заявила, что ее новая концепция включает в себя аспекты конструкции ядерных реакторов, которые используются для выработки энергии на суше.
«Ключом к дизайну USNC-Tech является сознательное совпадение технологий наземных и космических реакторов», — говорится в заявлении генерального директора USNC-Tech Паоло Веннери. «Это позволяет нам использовать достижения ядерных технологий и инфраструктуры наземных систем и применять их к нашим космическим реакторам».
Одним из примеров этого является ядерное топливо, которое концепция использует для питания своего реактора, которое называется полностью керамическим микрокапсулированием (FCM). Это топливо на самом деле основано на переработанном материале гражданских ядерных реакторов.
Компания заявила, что это топливо более «прочное» и может работать при более высоких температурах, чем обычное ядерное топливо, что обеспечивает более безопасную концептуальную конструкцию.
Стоковое изображение: 3D-рендеринг Марса, Земли и Луны в космосе.