Межпланетный космический полет

Равнины Плутона , увиденные New Horizons после почти 10-летнего путешествия

Дистанционно управляемые космические зонды пролетели над всеми наблюдаемыми планетами Солнечной системы от Меркурия до Нептуна, при этом зонд New Horizons пролетел над карликовой планетой Плутон, а космический корабль Dawn в настоящее время вращается вокруг карликовой планеты Церера . Самые далекие космические корабли « Вояджер-1» и « Вояджер-2» покинули Солнечную систему 8 декабря 2018 года, а « Пионер 10» , « Пионер 11» и « Новые горизонты» собираются покинуть ее. ^[2]

В целом, планетарные орбитальные аппараты и посадочные аппараты возвращают гораздо более подробную и исчерпывающую информацию, чем пролетные миссии. Космические зонды были выведены на орбиту вокруг всех пяти планет, известных древним: первой из них была Венера ( Венера 7 , 1970), Марс ( Mariner 9 , 1971), Юпитер ( Galileo , 1995), Сатурн ( Cassini / Huygens , 2004). ), а совсем недавно - Меркурий ( MESSENGER , март 2011 г.), и вернули данные об этих телах и их естественных спутниках .

Миссия NEAR Shoemaker в 2000 году вылетела на орбиту большого околоземного астероида 433 Эрос и даже успешно приземлилась там, хотя при ее разработке не учитывался этот маневр. Японский космический корабль с ионным двигателем Hayabusa в 2005 году также совершил вращение вокруг небольшого околоземного астероида 25143 Итокава , ненадолго приземлившись на нем и вернув частицы его поверхностного материала на Землю. Другая мощная миссия с ионным двигателем, Dawn , совершила облет большого астероида Веста (июль 2011 г. - сентябрь 2012 г.), а затем переместилась к карликовой планете Церера , прибыв в марте 2015 года.

Дистанционно управляемые аппараты, такие как Viking , Pathfinder и два марсохода Mars Exploration Rover , приземлились на поверхности Марса, а несколько космических аппаратов Venera и Vega приземлились на поверхность Венеры. Гюйгенс зонд успешно приземлился на спутнике Сатурна, Титане .

Ни на одну из планет Солнечной системы не отправлялись миссии с экипажем. Однако программа НАСА « Аполлон» высадила на Луну двенадцать человек и вернула их на Землю . Американское видение исследования космоса , первоначально представленное президентом США Джорджем Бушем и реализованное на практике в рамках программы Constellation , имело долгосрочную цель - в конечном итоге отправить людей-астронавтов на Марс. Однако 1 февраля 2010 года президент Барак Обама предложил отменить программу в 2011 финансовом году. Более ранний проект, который получил серьезное планирование со стороны НАСА, включал облет Венеры с экипажем в рамках пилотируемого полета над Венерой , но был отменен, когда Программа Apollo Applications была прекращена из-за сокращения бюджета НАСА в конце 1960-х годов.

Космическая колония на цилиндре О'Нила

Стоимость и риск межпланетных путешествий широко освещаются - яркими примерами являются сбои или полный отказ зондов без участия человека, таких как Mars 96 , Deep Space 2 и Beagle 2 (статья Список зондов Солнечной системы дает Полный список).

Многие астрономы, геологи и биологи считают, что исследование Солнечной системы дает знания, которые нельзя получить с помощью наблюдений с поверхности Земли или с орбиты вокруг Земли. Но они не согласны с тем, вносят ли полеты с экипажем людей полезный научный вклад - одни считают, что роботизированные зонды дешевле и безопаснее, а другие утверждают, что либо астронавты, которых консультируют ученые с Земли, либо ученые, работающие в космосе, которых консультируют ученые с Земли, могут ответить больше. гибко и разумно к новым или неожиданным особенностям изучаемого региона. ^[3]

Те, кто платит за такие миссии (прежде всего в государственном секторе), с большей вероятностью будут заинтересованы в выгодах для себя или для человечества в целом. До сих пор единственными преимуществами этого типа были «побочные» технологии, которые были разработаны для космических миссий и затем оказались не менее полезными в других видах деятельности ( НАСА публикует побочные продукты своей деятельности).

Другие практические мотивы для межпланетных путешествий более спекулятивны, потому что наши текущие технологии еще недостаточно развиты для поддержки тестовых проектов. Но фантасты писатели имеют достаточно хороший послужной список в прогнозировании будущих технологий, например геостационарных спутников связи ( Arthur C. Clarke ) и многие аспекты компьютерных технологий ( Mack Reynolds ).

Во многих научно-фантастических рассказах подробно описывается, как люди могут извлекать минералы из астероидов и получать энергию из таких источников, как орбитальные солнечные панели (не скованные облаками) и очень сильное магнитное поле Юпитера. Некоторые указывают на то, что такие методы могут быть единственным способом обеспечить повышение уровня жизни без остановки из-за загрязнения или истощения ресурсов Земли (например, пикового уровня добычи нефти ).

Наконец, колонизация других частей Солнечной системы предотвратит истребление всего человеческого вида в результате любого из ряда возможных событий (см. Вымирание человечества ). Одно из таких возможных событий - удар астероида, подобный тому, который мог привести к вымиранию мелового и палеогенового периода . Хотя различные проекты Spaceguard отслеживают Солнечную систему на предмет объектов, которые могут оказаться в опасной близости от Земли, текущие стратегии отклонения астероидов являются грубыми и непроверенными. Задача усложняется тем, что углеродистые хондриты довольно покрыты сажей и поэтому их очень трудно обнаружить. Хотя углеродистые хондриты считаются редкими, некоторые из них очень большие, и предполагаемым « убийцей динозавров » мог быть углеродистый хондрит.

Некоторые ученые, в том числе сотрудники Института космических исследований , утверждают, что подавляющее большинство человечества в конечном итоге будет жить в космосе и получит от этого выгоду. ^[4]

Одна из основных проблем при межпланетных путешествиях - это очень большие изменения скорости, необходимые для перехода от одного тела к другому в Солнечной системе.

Из-за гравитационного притяжения Солнца космический корабль, движущийся дальше от Солнца, замедлится, а приближающийся космический корабль будет ускоряться. Кроме того, поскольку любые две планеты находятся на разных расстояниях от Солнца, планета, с которой стартует космический корабль, движется вокруг Солнца с другой скоростью, чем планета, к которой движется космический корабль (в соответствии с третьим законом Кеплера ). Из-за этих фактов космический корабль, желающий перейти на планету, расположенную ближе к Солнцу, должен значительно уменьшить свою скорость по отношению к Солнцу, чтобы его перехватить, в то время как космический корабль, путешествующий к планете, находящейся дальше от Солнца, должен увеличиться. его скорость существенно. ^[5] Затем, если дополнительно космический аппарат желает выйти на орбиту вокруг планеты назначения (вместо того, чтобы просто лететь мимо нее), он должен соответствовать орбитальной скорости планеты вокруг Солнца, что обычно требует еще одного большого изменения скорости.

Простое выполнение этого грубой силы - ускорение по кратчайшему маршруту к месту назначения и затем соответствие скорости планеты - потребует чрезвычайно большого количества топлива. И топливо, необходимое для создания этих изменений скорости, должно запускаться вместе с полезной нагрузкой, и поэтому требуется еще больше топлива, чтобы вывести как космический корабль, так и топливо, необходимое для его межпланетного путешествия на орбиту. Таким образом, было разработано несколько методов снижения потребности в топливе при межпланетных путешествиях.

В качестве примера вовлеченных изменений скорости: космический корабль, движущийся с низкой околоземной орбиты на Марс по простой траектории, должен сначала претерпеть изменение скорости (также известное как дельта-v ), в данном случае увеличение примерно на 3,8 км / с. Затем, после перехвата Марса, он должен изменить свою скорость еще на 2,3 км / с, чтобы соответствовать орбитальной скорости Марса вокруг Солнца и выйти на орбиту вокруг него. ^[6] Для сравнения: запуск космического корабля на низкую околоземную орбиту требует изменения скорости примерно на 9,5 км / с.

Hohmann ТРАНСФЕРЫ

Переходная орбита Хомана: космический корабль отправляется из точки 2 на орбите Земли и прибывает в точку 3 на Марсе (не в масштабе)

В течение многих лет экономичное межпланетное путешествие означало использование переходной орбиты Хомана . Хоманн продемонстрировал, что путь с наименьшей энергией между любыми двумя орбитами - это эллиптическая «орбита», которая образует касательную к начальной и конечной орбитам. Как только космический корабль прибудет, второе приложение тяги изменит круговую орбиту на новое место. В случае планетарных перемещений это означает направление космического корабля, первоначально на орбите, почти идентичной земной, так что афелий переходной орбиты находится на обратной стороне Солнца рядом с орбитой другой планеты. Космический корабль, путешествующий с Земли на Марс с помощью этого метода, прибудет на орбиту Марса примерно через 8,5 месяцев, но поскольку орбитальная скорость больше, когда ближе к центру масс (то есть Солнцу), и медленнее, когда дальше от центра, космический корабль лететь довольно медленно, и небольшое приложение тяги - это все, что нужно, чтобы вывести его на круговую орбиту вокруг Марса. Если маневр рассчитан правильно, Марс "прибудет" под космический корабль, когда это произойдет.

Перенос Хомана применим к любым двум орбитам, а не только к орбитам с вовлеченными планетами. Например, это наиболее распространенный способ перевода спутников на геостационарную орбиту после того, как они сначала были «припаркованы» на низкой околоземной орбите . Однако переход Хомана занимает время, примерно равное половине орбитального периода внешней орбиты, поэтому в случае внешних планет это много лет - слишком долго, чтобы ждать. Он также основан на предположении, что точки на обоих концах безмассовые, как, например, в случае перехода между двумя орбитами вокруг Земли. Когда планета находится в конце передачи, вычисления становятся значительно сложнее.

Гравитационная рогатка

Упрощенный пример гравитационной рогатки: скорость космического корабля изменяется вдвое больше, чем скорость планеты.

График зависимости гелиоцентрической скорости " Вояджера-2 " от расстояния до Солнца, иллюстрирующий использование силы тяжести для ускорения космического корабля по Юпитеру, Сатурну и Урану. Чтобы наблюдать Тритон , « Вояджер-2» прошел над северным полюсом Нептуна, что привело к ускорению вне плоскости эклиптики и уменьшению скорости вдали от Солнца. ^[7]

Техника гравитационной рогатки использует гравитацию планет и лун для изменения скорости и направления космического корабля без использования топлива. В типичном примере космический корабль отправляется к далекой планете по пути, который намного быстрее, чем то, что требовалось бы при передаче Хомана. Обычно это означает, что он достигнет орбиты планеты и продолжит движение мимо нее. Однако, если между точкой отправления и целью находится планета, ее можно использовать для изменения пути к цели, и во многих случаях общее время в пути значительно сокращается. Ярким примером этого являются два аппарата программы "Вояджер" , которые использовали эффекты рогатки для изменения траектории несколько раз во внешней Солнечной системе. Этот метод трудно использовать для путешествий по внутренней части Солнечной системы, хотя можно использовать другие близлежащие планеты, такие как Венера или даже Луна, в качестве рогаток в путешествиях к внешним планетам.

Этот маневр может изменить только скорость объекта относительно третьего, не задействованного объекта, - возможно, «центра масс» или Солнца. Нет никаких изменений в скоростях двух объектов, участвующих в маневре, относительно друг друга. Солнце нельзя использовать в гравитационной рогатке, потому что оно неподвижно по сравнению с остальной частью Солнечной системы, которая вращается вокруг Солнца. Его можно использовать для отправки космического корабля или зонда в галактику, потому что Солнце вращается вокруг центра Млечного Пути.

Рогатка с приводом

Рогатка с приводом - это использование ракетного двигателя на самом близком расстоянии от тела ( перицентр ). Использование в этой точке усиливает эффект дельта-v и дает больший эффект, чем в другое время.

Нечеткие орбиты

Компьютеры не существовали, когда впервые были предложены переходные орбиты Хомана (1925 г.), и были медленными, дорогими и ненадежными, когда были разработаны гравитационные рогатки (1959 г.). Последние достижения в области вычислительной техники позволили использовать гораздо больше свойств гравитационных полей астрономических тел и, таким образом, рассчитывать траектории с меньшими затратами . ^{[8] [9]} Были рассчитаны пути, которые связывают точки Лагранжа различных планет в так называемую межпланетную транспортную сеть . Такие «нечеткие орбиты» используют значительно меньше энергии, чем передачи Хомана, но намного медленнее. Они непрактичны для миссий с экипажем человека, потому что обычно они занимают годы или десятилетия, но могут быть полезны для крупносерийных перевозок недорогих товаров, если человечество будет развивать космическую экономику.

Аэробрейкинг

Aerobraking использует атмосферу целевой планеты для замедления. Впервые он был использован в программе Apollo, где возвращающийся космический аппарат не выходил на околоземную орбиту, а вместо этого использовал S-образный профиль вертикального спуска (сначала крутой спуск, затем выравнивание, затем небольшой набор высоты и последующий подъем). вернуться к положительной скорости снижения, продолжая приводнение в океане) через атмосферу Земли, чтобы снизить его скорость до тех пор, пока не будет развернута парашютная система, обеспечивающая безопасную посадку. Для аэротормозов не требуется толстая атмосфера - например, большинство посадочных устройств на Марс используют эту технику, а атмосфера Марса составляет всего около 1% от толщины Земли.

Аэротормоз преобразует кинетическую энергию космического корабля в тепло, поэтому для предотвращения возгорания космического корабля требуется теплозащитный экран . В результате воздушное торможение полезно только в тех случаях, когда топлива, необходимого для транспортировки теплозащитного экрана на планету, меньше количества топлива, которое потребовалось бы для торможения неэкранированного корабля за счет запуска его двигателей. Эту проблему можно решить, создав теплозащитные экраны из материала, доступного рядом с целью ^[10].

Было предложено несколько технологий, которые позволяют экономить топливо и обеспечивать значительно более быстрое перемещение по сравнению с традиционной методологией использования трансферов Hohmann . Некоторые из них все еще являются чисто теоретическими, но со временем некоторые из теоретических подходов были проверены в космических полетах. Например, миссия Deep Space 1 стала успешным испытанием ионного двигателя . ^[11] Эти улучшенные технологии обычно ориентированы на одно или несколько из:

• Космические двигательные установки с гораздо большей экономией топлива. Такие системы позволят путешествовать намного быстрее, сохраняя при этом стоимость топлива в приемлемых пределах.
• Использование солнечной энергии и использование ресурсов на месте, чтобы избежать или свести к минимуму дорогостоящую задачу доставки компонентов и топлива с поверхности Земли против земного притяжения (см. «Использование внеземных ресурсов» ниже).
• Новые методологии использования энергии в разных местах или разными способами, которые могут сократить время транспортировки или снизить затраты на единицу массы космического транспорта.

Помимо ускорения или уменьшения затрат на путешествия, такие улучшения могут также позволить увеличить «запас прочности» конструкции за счет уменьшения необходимости делать космический корабль легче.

Улучшенные концепции ракет

Все концепции ракеты ограничены уравнением ракеты , которое устанавливает характеристическую скорость, доступную как функцию скорости истечения и отношения масс, от начальной ( M ₀ , включая топливо) к конечной ( M ₁ , топливо без топлива). Основным следствием этого является то, что скорости полета, превышающие скорость выхлопа ракетного двигателя (по отношению к транспортному средству) более чем в несколько раз, быстро становятся непрактичными.

Ядерные тепловые и солнечные тепловые ракеты

Эскиз ядерной тепловой ракеты

В ядерной тепловой ракете или солнечной тепловой ракете рабочая жидкость, обычно водород , нагревается до высокой температуры, а затем расширяется через сопло ракеты, создавая тягу . Эта энергия заменяет химическую энергию реактивных химикатов в традиционном ракетном двигателе . Благодаря низкой молекулярной массе и, следовательно, высокой тепловой скорости водорода эти двигатели, по крайней мере, вдвое более экономичны, чем химические двигатели, даже с учетом веса реактора. ^{[ необходима цитата ]}

Комиссия по атомной энергии США и НАСА испытали несколько конструкций с 1959 по 1968 год. Конструкции НАСА были задуманы как замена верхних ступеней ракеты-носителя Сатурн V , но испытания выявили проблемы с надежностью, в основном вызванные вибрацией и нагревом, связанными с ней. запуск двигателей на таких высоких уровнях тяги. Политические и экологические соображения делают маловероятным использование такого двигателя в обозримом будущем, поскольку ядерные тепловые ракеты будут наиболее полезны на поверхности Земли или вблизи нее, а последствия неисправности могут быть катастрофическими. Концепции тепловых ракет на основе деления обеспечивают более низкие скорости истечения, чем электрические и плазменные концепции, описанные ниже, и поэтому являются менее привлекательными решениями. Для приложений, требующих высокого отношения тяги к массе, таких как уход от планет, ядерная тепловая энергия потенциально более привлекательна. ^{[ необходима цитата ]}

Электродвигатель

Электрические двигательные установки используют внешний источник, такой как ядерный реактор или солнечные элементы, для выработки электричества , которое затем используется для ускорения химически инертного топлива до скоростей, намного превышающих скорость, достигаемую в химической ракете. Такие двигатели создают слабую тягу и поэтому не подходят для быстрых маневров или для запуска с поверхности планеты. Но они настолько экономны в использовании реакционной массы , что могут продолжать стрелять непрерывно в течение нескольких дней или недель, в то время как химические ракеты так быстро расходуют реакционную массу, что могут стрелять только секунды или минуты. Даже путешествие на Луну достаточно долгое, чтобы электрическая силовая установка обогнала химическую ракету - миссии « Аполлон» заняли по 3 дня в каждом направлении.

Программа НАСА Deep Space One стала очень успешным испытанием прототипа ионного двигателя , который проработал в общей сложности 678 дней и позволил зонду сбить комету Боррелли, что было бы невозможным для химической ракеты. Dawn , первая оперативная миссия НАСА (то есть не технологическая демонстрация), в которой использовался ионный двигатель в качестве основного двигателя, успешно облетела на орбиту большие астероиды главного пояса 1 Церера и 4 Веста . Более амбициозная версия с ядерной установкой была предназначена для полета на Юпитер без участия человека - орбитальный аппарат Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO), запуск которого изначально планировался в следующем десятилетии. Из-за сдвига приоритетов в НАСА, которое отдавало предпочтение космическим миссиям с пилотом, проект лишился финансирования в 2005 году. Аналогичная миссия в настоящее время обсуждается в качестве американского компонента совместной программы НАСА / ЕКА по исследованию Европы и Ганимеда .

Многоцентровая группа по оценке технологических приложений НАСА, возглавляемая Центром космических полетов Джонсона , по состоянию на январь 2011 года описала «Наутилус-X», концептуальное исследование многоцелевого космического корабля, полезного для миссий за пределами низкой околоземной орбиты (НОО). продолжительностью до 24 месяцев для экипажа до шести человек. ^{[12] [13]} Хотя Nautilus-X может быть адаптирован к различным силовым установкам, предназначенным для конкретных задач, с различными конструкциями с малой тягой и высоким удельным импульсом (I _sp ), ядерно-ионно-электрический привод показан в иллюстративных целях. Он предназначен для интеграции и проверки на Международной космической станции (МКС) и подходит для полетов в дальний космос от МКС до Луны и за ее пределами, включая Землю / Луну L1 , Солнце / Землю L2 , астероид , сближающийся с Землей , и орбитальные пункты назначения на Марс. Он включает в себя центрифугу с уменьшенным g, обеспечивающую искусственную гравитацию для здоровья экипажа, чтобы смягчить последствия длительного воздействия 0g, а также способность смягчать космическую радиационную среду. ^[14]

Ракеты, работающие на делении

В уже выполненных или запланированных в настоящее время полетах на электрических силовых установках использовалась солнечная электроэнергия , что ограничивало их способность работать вдали от Солнца, а также ограничивало их пиковое ускорение из-за массы источника электроэнергии. Ядерно-электрические или плазменные двигатели, длительное время работающие на малой тяге и приводимые в действие реакторами деления, могут развивать скорость, намного превышающую скорость транспортных средств с химическим приводом.

Термоядерные ракеты

Термоядерные ракеты , работающие на реакциях ядерного синтеза , будут «сжигать» такие виды топлива из легких элементов, как дейтерий, тритий или ³ He. Поскольку в результате синтеза выделяется около 1% массы ядерного топлива в виде высвобождаемой энергии, он энергетически более выгоден, чем деление, при котором выделяется только около 0,1% массы-энергии топлива. Однако технологии деления или синтеза могут в принципе достигать скоростей, намного превышающих необходимые для исследования Солнечной системы, и энергия синтеза все еще ожидает практической демонстрации на Земле.

Одним из предложений по использованию термоядерной ракеты был проект «Дедал» . Еще одна довольно подробная система транспортного средства, разработанная и оптимизированная для исследования Солнечной системы с экипажем, «Дискавери II» ^[15], основанная на реакции D ³ He, но использующая водород в качестве реакционной массы, была описана командой из Исследовательского центра Гленна НАСА . Он достигает характеристических скоростей> 300 км / с с ускорением ~ 1,7 • 10 ^-3 g , с начальной массой корабля ~ 1700 метрических тонн и долей полезной нагрузки более 10%.

Экзотическая тяга

См. Статью о силовых установках космического корабля для обсуждения ряда других технологий, которые в среднесрочной и долгосрочной перспективе могут стать основой межпланетных миссий. В отличие от ситуации с межзвездными путешествиями , препятствия на пути к быстрым межпланетным путешествиям связаны с инженерией и экономикой, а не с какой-либо фундаментальной физикой.

Солнечные паруса

Солнечные паруса основаны на том факте, что свет, отраженный от поверхности, оказывает давление на поверхность. Давление излучения мала и уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца, но в отличие от ракет, солнечные паруса не требуют никакого топлива. Хотя тяга небольшая, она продолжается до тех пор, пока светит Солнце и парус развернут. ^[16]

Первоначальная концепция основывалась только на солнечном излучении - например, в рассказе Артура Кларка 1965 года « Санджаммер ». В более поздних конструкциях легких парусов предлагается увеличить тягу за счет наведения на парус наземных лазеров или мазеров . Наземные лазеры или мазеры также могут помочь космическому кораблю с легким парусом замедлить скорость : парус разделяется на внешнюю и внутреннюю части, внешняя часть выдвигается вперед, и ее форма изменяется механически, чтобы сфокусировать отраженное излучение на внутренней части, и излучение, сфокусированное на внутренней части, действует как тормоз.

Хотя большинство статей о легких парусах посвящено межзвездным путешествиям , было несколько предложений по их использованию в Солнечной системе.

В настоящее время единственным космическим кораблем, использующим солнечный парус в качестве основного метода движения, является IKAROS, который был запущен JAXA 21 мая 2010 года. С тех пор он был успешно развернут и, как было показано, обеспечивает ускорение, как и ожидалось. Многие обычные космические корабли и спутники также используют солнечные коллекторы, панели контроля температуры и солнцезащитные козырьки в качестве световых парусов, чтобы вносить незначительные поправки в свое положение и орбиту без использования топлива. Некоторые из них даже имели для этого небольшие специально построенные солнечные паруса (например, геостационарные спутники связи Eurostar E3000, созданные EADS Astrium ).

Велосипеды

Можно вывести станции или космические корабли на орбиты, которые циклически перемещаются между разными планетами, например, циклический двигатель Марса будет синхронно перемещаться между Марсом и Землей, с очень небольшим использованием топлива для поддержания траектории. Циклеры концептуально являются хорошей идеей, потому что массивные радиационные экраны, системы жизнеобеспечения и другое оборудование нужно только один раз поставить на траекторию велосипедистов. Велосипедист может сочетать в себе несколько ролей: среду обитания (например, он может вращаться для создания эффекта «искусственной гравитации»); материнский корабль (обеспечивающий жизнеобеспечение экипажей небольших космических кораблей, которые на нем летят). ^[17] Велосипедисты также могли бы стать отличными грузовыми кораблями для пополнения запасов колонии.

Космический лифт

Космический лифт - это теоретическая конструкция, которая будет транспортировать материал с поверхности планеты на орбиту. ^[18] Идея состоит в том, что как только дорогостоящая работа по строительству лифта будет завершена, неопределенное количество грузов может быть доставлено на орбиту с минимальными затратами. Даже самые простые конструкции позволяют избежать замкнутого круга запусков ракет с поверхности, когда топливо, необходимое для выхода на орбиту последних 10% расстояния, должно быть полностью поднято с поверхности, что требует еще большего количества топлива и т. Д. Более сложные конструкции космических лифтов снижают затраты энергии на поездку за счет использования противовесов , а самые амбициозные схемы направлены на уравновешивание поднимающихся и опускающихся нагрузок и, таким образом, сближения затрат на энергию. Космические лифты также иногда называют « бобовыми стеблями », «космическими мостами», «космическими лифтами», «космическими лестницами» и «орбитальными башнями». ^[19]

Наземный космический лифт выходит за рамки наших нынешних технологий, хотя лунный космический лифт теоретически можно построить с использованием существующих материалов.

Skyhook

Невращающийся скайхук первый предложенный Е. Сармонт в 1990 году.

Небесный крюк - это теоретический класс силовой установки на орбитальном тросе, предназначенный для подъема грузов на большие высоты и скорости. ^{[20] [21] [22] [23] [24]} Предложения для небесных крюков включают конструкции, в которых используются тросы, вращающиеся с гиперзвуковой скоростью, для захвата высокоскоростных грузов или высотных самолетов и вывода их на орбиту. ^[25] Кроме того, было высказано предположение, что вращающийся небесный крюк «технически неосуществим с использованием имеющихся в настоящее время материалов». ^{[26] [27] [28] [29] [30]}

Многоразовость ракеты-носителя и космического корабля

SpaceX Starship , с девичьем запуском не планируется не ранее 2020 года, разработан , чтобы быть полностью и быстро многоразовыми, что делает использование многоразовой технологии SpaceX , которая была разработана в течение 2011-2018 гг для Falcon 9 и Falcon Heavy ракет - носителей. ^{[31] [32]}

По оценке генерального директора SpaceX Илона Маска , одна только возможность повторного использования как на ракете-носителе, так и на космическом корабле, связанном со звездолетом, снизит общие системные затраты на тонну, доставленную на Марс, по крайней мере, на два порядка по сравнению с тем, что НАСА ранее достигло. ^{[33] [34]}

Ступенчатые порохи

При запуске межпланетных зондов с поверхности Земли, несущих всю энергию, необходимую для длительной миссии, количество полезной нагрузки обязательно чрезвычайно ограничено из-за ограничений базовой массы, теоретически описываемых уравнением ракеты . Одна альтернатива транспортировке большей массы по межпланетным траекториям - израсходовать почти все топливо верхней ступени при запуске, а затем пополнить запас топлива на околоземной орбите перед запуском ракеты для достижения космической скорости по гелиоцентрической траектории. Это топливо может храниться на орбите в хранилище топлива или доставлено на орбиту в топливозаправщиках для непосредственной передачи на межпланетный космический корабль. Для возврата массы на Землю связанный вариант состоит в том, чтобы добывать сырье с небесного объекта Солнечной системы, очищать, обрабатывать и хранить продукты реакции (топливо) на теле Солнечной системы до тех пор, пока транспортное средство не будет загружено для запуска. .

Трансферы танкеров на орбите

По состоянию на 2019 год SpaceX разрабатывает систему, в которой многоразовый корабль первой ступени будет транспортировать межпланетный космический корабль с экипажем на околоземную орбиту, отсоединяться, возвращаться на свою стартовую площадку, где на нем будет установлен космический корабль-танкер, затем оба будут заправлены топливом, а затем запущены снова на встречу с ожидающим экипажем космического корабля. Затем танкер будет передавать свое топливо космическому кораблю с людьми для использования в межпланетном путешествии. SpaceX Звездолет является нержавеющей сталью -структуры космического аппарата в движение с помощью шести двигателей Raptor , работающих на уплотненном ракетном топливе метана / кислороде. Его длина - 55 м (180 футов), диаметр - 9 м (30 футов) в самом широком месте, и он способен перевозить до 100 тонн (220 000 фунтов) грузов и пассажиров за один рейс на Марс с выходом на орбиту. дозаправка топливом перед межпланетной частью путешествия. ^{[34] [31] [35]}

Топливная установка на небесном теле

В качестве примера финансируемого в настоящее время проекта ^{[ когда? ]} , ключевой частью системы , разработанной SpaceX для Марса с целью радикального снижения стоимости космических полетов к межпланетным пунктам назначения, является размещение и эксплуатация физического завода на Марсе для производства и хранения компонентов ракетного топлива, необходимых для запуска. и отправить Звездные корабли обратно на Землю или, возможно, увеличить массу, которую можно будет транспортировать дальше к пунктам назначения во внешней Солнечной системе . ^[34]

Первый звездолет на Марс будет нести небольшую топливную установку как часть груза. Завод будет расширен за счет нескольких синодов по мере поступления, установки и ввода большего количества оборудования в автономное производство . ^[34]

Завод по производству топлива SpaceX будет использовать большие запасы углекислого газа и водных ресурсов на Марсе, добывая воду (H ₂ O) из подземного льда и собирая CO ₂ из атмосферы . Химический завод будет перерабатывать сырье с помощью электролиза и процесса Сабатье для получения кислорода (O ₂ ) и метан (СН ₄ ), а затем Liquefy это для облегчения длительного хранения и конечного использования. ^[34]

Использование внеземных ресурсов

Современные космические аппараты пытаются запускать со всем своим топливом (ракетным топливом и запасами энергии) на борту, которое им понадобится на протяжении всего путешествия, а существующие космические конструкции поднимаются с поверхности Земли. Неземные источники энергии и материалов в основном находятся намного дальше, но для большинства из них не требуется подъема из сильного гравитационного поля, и поэтому их использование в космосе в долгосрочной перспективе должно быть намного дешевле.

Самым важным не наземным ресурсом является энергия, потому что ее можно использовать для преобразования внеземных материалов в полезные формы (некоторые из которых также могут производить энергию). Было предложено, по крайней мере, два основных неземных источника энергии: выработка энергии на солнечной энергии (без препятствий для облаков) либо напрямую с помощью солнечных батарей, либо косвенно путем фокусирования солнечного излучения на котлах, которые производят пар для привода генераторов; и электродинамические тросы, которые генерируют электричество из мощных магнитных полей некоторых планет (Юпитер имеет очень мощное магнитное поле).

Водяной лед был бы очень полезен и широко распространен на спутниках Юпитера и Сатурна:

• Низкая гравитация этих лун сделает их более дешевым источником воды для космических станций и планетных баз, чем подъем воды с поверхности Земли.
• Источники питания из других источников могут быть использованы для электролиза водяного льда на кислород и водород для использования в двухкомпонентных ракетных двигателях.
• Ядерные тепловые ракеты или солнечные тепловые ракеты могут использовать его в качестве реакционной массы . Для использования в этих двигателях также предлагался водород, который обеспечивал бы гораздо больший удельный импульс (тяга на килограмм реакционной массы), но было заявлено, что вода превосходит водород по соотношению цена / производительность, несмотря на гораздо более низкий удельный импульс на порядок величина. ^{[36] [37]}

Кислород является обычным компонентом лунной коры и, вероятно, присутствует в изобилии в большинстве других тел Солнечной системы. Неземной кислород будет ценным источником водяного льда только в том случае, если будет найден соответствующий источник водорода . ^{[ требуется разъяснение ]} Возможные варианты использования включают:

• В системах жизнеобеспечения космических кораблей, космических станций и планетных баз.
• В ракетных двигателях. Даже если другое топливо придется поднять с Земли, использование кислорода из других источников может снизить затраты на запуск топлива на 2/3 для углеводородного топлива или на 85% для водорода. Экономия настолько велика, потому что кислород составляет большую часть массы в большинстве комбинаций ракетного топлива .

К сожалению, водород, наряду с другими летучими веществами, такими как углерод и азот, гораздо менее распространен, чем кислород во внутренней Солнечной системе.

Ученые ожидают найти широкий спектр органических соединений на некоторых планетах, лунах и кометах внешней Солнечной системы , а диапазон возможных применений еще шире. Например, метан можно использовать в качестве топлива (сжигаемый с кислородом из других источников) или в качестве сырья для нефтехимических процессов, таких как производство пластмасс . А аммиак может быть ценным сырьем для производства удобрений, которые будут использоваться в огородах орбитальных и планетарных баз, уменьшая необходимость доставлять им пищу с Земли.

Даже необработанная порода может быть полезна в качестве ракетного топлива, если используются массовые двигатели .

Жизненная поддержка

Системы жизнеобеспечения должны быть способны поддерживать человеческую жизнь в течение недель, месяцев или даже лет. Необходимо поддерживать пригодную для дыхания атмосферу с давлением не менее 35 кПа (5,1 фунт / кв. Дюйм) с достаточным количеством кислорода, азота и контролируемыми уровнями углекислого газа, следовых газов и водяного пара.

В октябре 2015 года Управление генерального инспектора НАСА опубликовало отчет об опасностях для здоровья, связанных с полетами человека в космос , включая полет человека на Марс . ^{[38] [39]}

Радиация

Как только аппарат покидает низкую околоземную орбиту и защищает магнитосферу Земли, он попадает в радиационный пояс Ван Аллена , область высокой радиации . Пройдя через это расстояние, уровень радиации падает до более низкого уровня, ^{[ цитата необходима ]} с постоянным фоном космических лучей высокой энергии, которые представляют угрозу для здоровья . Они опасны в течение периодов от лет до десятилетий. ^{[ необходима цитата ]}

Ученые Российской академии наук ищут методы снижения риска радиационно-индуцированного рака в рамках подготовки к миссии на Марс. В качестве одного из вариантов они рассматривают систему жизнеобеспечения, производящую питьевую воду с низким содержанием дейтерия (стабильного изотопа водорода ) для потребления членами экипажа. Предварительные исследования показали, что вода, обедненная дейтерием, обладает определенным противораковым действием. Следовательно, считается, что питьевая вода без дейтерия может снизить риск рака, вызванного чрезмерным радиационным воздействием на марсианский экипаж. ^{[40] [41]}

Кроме того, выбросы корональной массы от Солнца очень опасны и в очень короткие сроки фатальны для людей, если они не защищены массивной защитой. ^{[42] [43] [44] [45] [46] [47] [48]}

Надежность

Любая серьезная неисправность космического корабля на пути к цели может быть фатальной, и даже незначительная неисправность может иметь опасные последствия, если не будет быстро устранена, что трудно осуществить в открытом космосе. Экипаж миссии « Аполлон-13 » выжил, несмотря на взрыв, вызванный неисправным кислородным баллоном (1970 г.).

Запустить окна

По соображениям астродинамики , путешествия экономичного космического корабля к другим планетам практичны только в определенных временных окнах . За пределами этих окон планеты практически недоступны с Земли с помощью современных технологий. Это ограничивает полеты и ограничивает возможности спасения в случае возникновения чрезвычайной ситуации.

• Сидхаус, Эрик (2012). Межпланетный форпост: человеческие и технологические проблемы исследования внешних планет . Нью-Йорк: Спрингер. п. 288. ISBN 978-1441997470.