Während des gesamten 20. Jahrhunderts schrieben Science-Fiction-Autoren viel und talentiert über die Erforschung des Weltraums. Die Helden von "Chius" gaben der Menschheit den Reichtum von Uranium Golconda, der Pilot Pirx arbeitete als Kapitän von Weltraum-Trockenfrachtschiffen, die Führer-Container-Träger und Massengutfrachter gingen um das Sonnensystem herum, und ich spreche nicht über die ganze Mystik des Reisens zu mysteriösen Monolithen.
Das 21. Jahrhundert hat jedoch die Erwartungen nicht erfüllt. Die Menschheit steht schüchtern im Flur des Kosmos und kommt nicht dauerhaft über die Erdumlaufbahn hinaus. Warum ist es passiert und was kann man für diejenigen hoffen, die in den Nachrichten über die Steigerung des Ertrags von Marsapfelbäumen lesen möchten?
Kein Geiger nötig
Das erste Paradoxon, dem wir begegnet sind, ist, dass Menschen nicht das am besten geeignete Thema für die Weltraumforschung sind. Science-Fiction-Autoren, die Weltraumexpeditionen entwickelten, konnten sich nur auf die historischen Erfahrungen der Pioniere der Erde verlassen - Seeleute, Polarforscher, die ersten Flieger. Wie würde sich die Eroberung des Mars von der Eroberung des Südpols unterscheiden?
Und hier und da ist die Umgebung für das Leben ohne vorbereitende Vorbereitung ungeeignet, Sie müssen Vorräte mitbringen, und Sie können nicht ohne spezielle Ausrüstung außerhalb des Schiffes oder nach Hause gehen. Aber Science-Fiction-Autoren und Futuristen konnten die Entwicklung von Elektronik und Robotik nicht vorhersagen, und Roboterforscher wurden normalerweise anekdotisch beschrieben:
„Ich musste eine halbe Stunde vom Brief wegsehen und auf die Beschwerden meines Nachbarn, des Kybernetisten Shcherbakov, hören. Sie wissen wahrscheinlich, dass sich nördlich des Raketenwerfers eine große unterirdische Uran- und Transuranid-Aufbereitungsanlage im Bau befindet. Die Leute arbeiten in sechs Schichten. Roboter - rund um die Uhr; wunderbare Maschinen, das letzte Wort in der praktischen Kybernetik. Aber wie die Japaner sagen, fällt der Affe auch vom Baum. Jetzt kam Schtscherbakow wütend wie der Teufel zu mir und sagte, eine Bande dieser mechanischen Idioten (seine eigenen Worte) habe heute Abend eines der großen Erzdepots gestohlen und es offensichtlich für eine ungewöhnlich reiche Lagerstätte gehalten. Die Roboter hatten unterschiedliche Programme, so dass am Morgen ein Teil des Lagers in den Lagern des Raketenwerfers landete, ein Teil am Eingang zur geologischen Abteilung, und ein Teil davon war im Allgemeinen unbekannt, wo. Die Suche geht weiter."
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Keiner der bekannten Autoren vermutete jedoch, dass ein Roboter in der Weltraumforschung gegenüber einer Person viele Vorteile hat:
Im Gegensatz zu einem Menschen benötigt ein Roboter nur Kraft und Wärmebilanz. Sie müssen nicht mehrere zehn Tonnen Gewächshäuser, Lebensmittel, Wasser, Sauerstoff, Kleidung und Hygieneprodukte, Medikamente und andere Dinge mit sich führen.
Der Roboter kann in eine Richtung gesendet werden, ohne zurückzukehren.
Der Roboter ist jahrelang arbeitsfähig. Die Erfahrung von Voyagern, Marsrovern oder Cassini legt nahe, dass es jetzt richtiger ist, nicht über Jahre, sondern über Jahrzehnte zu sprechen.
Der Roboter kann jahrelang unter Bedingungen arbeiten, die für den Menschen tödlich sind. Die Galileo-Sonde erhielt eine 25-mal höhere Dosis als die tödliche Dosis für Menschen und arbeitete danach 8 Jahre lang im Orbit.
Infolgedessen stellte sich heraus, dass nur mehrere Tonnen schwere Roboter in die technischen Fähigkeiten der Menschheit passen, um sie für angemessenes Geld auf andere Planeten zu schicken, und der einzige Weg war, wissenschaftliche Neugier zu befriedigen und schöne Fotos zu erhalten.
Wir leben in einer logistischen Kurve
Der zweite Fehler von Science-Fiction-Autoren war, dass sie eine lineare oder sogar exponentielle Entwicklung der Astronautik vorhersagten. Obwohl bereits 1838 ein Phänomen wie die logistische Kurve entdeckt wurde. Was ist das für ein schreckliches Tier? Nehmen Sie als Beispiel die Luftfahrtgeschichte:
1900er Jahre. Die ersten ungeschickten Bücherregale, die ersten Rekorde - Flüge über mehrere Kilometer mit einem Passagier.
1910.. Die ersten Späher, Jäger, Bomber, Post- und Passagierflugzeuge.
1920-1930er Jahre. Nachts Flüge meistern, die ersten transkontinentalen Flüge.
1940er Jahre. Die Luftfahrt ist eine ernsthafte Militär- und Transportkraft.
1950er Jahre. Düsentriebwerke geben der Entwicklung der Luftfahrt neue Impulse - neue Geschwindigkeiten, Reichweiten und Höhen und noch mehr Passagiere.
1960-70er Jahre. Die Luftfahrt ist das erste Überschall- und Großraum-Passagierflugzeug und erschwinglicher.
1980-90er Jahre. Bremsen. Entwicklung wird immer teurer, Entwicklungsfirmen schließen sich zu riesigen Unternehmen zusammen. Und die Flugzeuge ähneln sich immer mehr.
2000er Jahre. Grenze. Die beiden Giganten Boeing und Airbus stellen äußerlich identische Maschinen her, und Überschall-Passagierflugzeuge sind vollständig ausgestorben.
Wenn Sie diese Erfolge in Zahlen übersetzen, erhalten Sie das folgende Bild:
In der Astronautik ist die Situation genau die gleiche:
Aus Gründen der Übersichtlichkeit kann das S-Kurven-Diagramm mit einem Kostendiagramm überlagert werden, um dieses Niveau zu erreichen:
Und die Traurigkeit unseres "Heute" ist, dass wir in der Astronautik mit vorhandenen Technologien nahe am Sättigungsniveau sind. Technisch gesehen kann man in einer bemannten Version zum Mond und sogar zum Mars fliegen, aber irgendwie ist es schade für Geld.
Setzen Sie KC - Sie werden Schwerkraft bekommen
Der nächste traurige Aspekt, der den Sprung in den Weltraum verlangsamt, ist, dass noch nichts sehr Wertvolles entdeckt wurde, für das es sich lohnt, Geld für die Erforschung des Weltraums außerhalb der Erdumlaufbahn auszugeben. Bitte beachten Sie, dass sich im erdnahen Orbit viele kommerzielle Satelliten befinden - Kommunikation, Fernsehen und Internet, meteorologische, kartografische. Und alle haben greifbare finanzielle Vorteile. Und was nützt eine bemannte Mission zum Mond? Hier ist die offizielle Liste der Ergebnisse des US-Mondprogramms im Wert von ca. 170 Milliarden US-Dollar (zu Preisen von 2005):
Der Mond ist kein primäres Objekt, sondern ein terrestrischer Planet mit seiner Entwicklung und inneren Struktur, ähnlich der Erde.
Der Mond ist uralt und bewahrt die Geschichte der ersten Milliarden Jahre der Evolution der Erdplaneten.
Die jüngsten Mondfelsen sind ungefähr so alt wie die ältesten irdischen Felsen. Spuren der frühesten Prozesse und Ereignisse, die den Mond und die Erde beeinflusst haben könnten, sind nur noch auf dem Mond zu finden.
Der Mond und die Erde sind genetisch verwandt und bestehen aus unterschiedlichen Anteilen eines gemeinsamen Satzes von Materialien.
Der Mond ist leblos und enthält keine lebenden Organismen oder lokale organische Stoffe.
Mondgesteine entstanden aus Hochtemperaturprozessen ohne Beteiligung von Wasser. Sie werden in drei Typen eingeteilt: Basalte, Anorthosite und Brekzien.
Vor langer Zeit war der Mond bis zu einer großen Tiefe geschmolzen und bildete einen Ozean aus Magma. Das Mondgebirge enthält Überreste früher Gesteine geringer Dichte, die auf der Oberfläche dieses Ozeans schwebten.
Der Ozean aus Magma wurde durch eine Reihe riesiger Asteroideneinschläge gebildet, die mit Lavaströmen gefüllte Teiche bildeten.
Der Mond ist etwas asymmetrisch, möglicherweise aufgrund des Einflusses der Erde.
Die Oberfläche des Mondes ist mit Felsbrocken und Staub bedeckt. Dies wird als Mondregolith bezeichnet und enthält die einzigartige Strahlungsgeschichte der Sonne, die für das Verständnis des Klimawandels auf der Erde wichtig ist.
Das ist alles sehr interessant (keine Witze), aber all dieses Wissen hat einen irreparablen Nachteil - man kann es nicht auf Brot verteilen, in einen Gastank gießen oder daraus ein Haus bauen. Wenn ein bestimmtes "Elerium", "Tiberium" oder ein anderes Shishdostanium in der Weite des Weltraums entdeckt würde, könnte dies verwendet werden als:
Kostengünstige Energiequelle.
Ein wesentlicher Bestandteil der Produktion von etwas Wertvollem und Nützlichem.
Lebensmittel / Medizin / Vitamin von grundlegend neuer Qualität.
Ein Luxusartikel oder eine Quelle des Vergnügens.
Wenn es auch nur auf dem Mars oder im Asteroidengürtel wachsen würde (und nicht auf der Erde reproduziert würde) und nur von Menschen abgebaut werden könnte (damit die listige Menschheit keine billigeren und unprätentiöseren Roboter schicken würde), wäre es eine bemannte Weltraumforschung, die einen unschätzbaren Anreiz erhalten würde. Und in Abwesenheit von ihm könnte die Menschheit in einem pessimistischen Szenario in den 2020er Jahren sogar im erdnahen Orbit eine dauerhafte Präsenz verlieren - vor dem Hintergrund der von Politikern zerbrochenen Töpfe der internationalen Zusammenarbeit könnten die Steuerzahler fragen: "Warum brauchen wir nach der ISS eine neue Station?"
Der Fluch der Tsiolkovsky-Formel
Hier ist es, die Nemesis der Kosmonautik:
Hier:
V ist die Endgeschwindigkeit der Rakete.
I - spezifischer Impuls des Motors (wie viele Sekunden der Motor mit 1 Kilogramm Kraftstoff einen Schub von 1 Newton erzeugen kann)
M1 ist die Anfangsmasse der Rakete.
M2 ist die Endmasse der Rakete.
V für den Fall voller Tanks ist der charakteristische Geschwindigkeitsabstand, d. H. Der Geschwindigkeitsabstand, mit dem wir bei Bedarf beschleunigen / verzögern können. Dies wird auch als Delta-V-Spielraum bezeichnet (Delta steht für Änderung, d. H. Es ist der Spielraum für die Geschwindigkeitsänderung).
Was ist das Problem hier? Nehmen wir eine Karte der erforderlichen Geschwindigkeitsänderungen für das Sonnensystem:
Stellen wir uns jetzt vor, wir wollen zum Mars und zurück fliegen. Dies beträgt:
9400 m / s - Start von der Erde.
3210 m / s - Verlassen der Erdumlaufbahn.
1060 m / s - Abfangen des Mars.
0 m / s - Eintritt in die niedrige Umlaufbahn des Mars (weißes Dreieck bedeutet die Möglichkeit, gegen die Atmosphäre zu bremsen).
0 m / s - Landung auf dem Mars (wir verlangsamen die Atmosphäre).
3800 m / s - Start vom Mars.
1440 m / s - Beschleunigung aus der Marsumlaufbahn.
1060 m / s - Abfangen der Erde.
0 m / s - Eintritt in eine niedrige Erdumlaufbahn (wir verlangsamen uns gegen die Atmosphäre).
0 m / s - Landung auf der Erde (wir verlangsamen die Atmosphäre).
Das Ergebnis ist eine schöne Zahl von 19970 m / s, die wir auf 20.000 m / s aufrunden. Lassen Sie unsere Rakete ideal sein, und das Kraftstoffvolumen beeinflusst ihre Masse in keiner Weise (Tanks, Rohrleitungen wiegen nichts). Versuchen wir, die Abhängigkeit der Anfangsmasse der Rakete von der Endmasse und dem spezifischen Impuls zu berechnen. Wenn wir die Tsiolkovsky-Formel transformieren, erhalten wir:
M1 = eV / I * M2
Verwenden wir das kostenlose mathematische Paket Scilab. Wir nehmen die Endmasse im Bereich von 10-1000 Tonnen, der spezifische Impuls wird von 2000 m / s (chemische Motoren auf Hydrazin) bis 200.000 m / s (theoretische Schätzung des maximalen Impulses des elektrischen Antriebsmotors für heute) variieren. Ich muss sofort sagen, dass es für die maximale Masse und den minimalen Impuls einen sehr großen Wert gibt (22 Millionen Tonnen), so dass die Anzeigeskala logarithmisch ist.
[m 2 I] = Maschengitter (10: 50: 1000, 2000: 5000: 200000);
m1 = log (exp (20000 * I. ^ - 1). * m2);
Brandung (m2, I, m1)
Diese schöne Grafik ist in der Tat ein visuelles Urteil für chemische Motoren. Dies ist keine Neuigkeit - bei chemischen Motoren kann man, wie die Praxis perfekt zeigt, normalerweise kleine Sonden starten, aber selbst das Fliegen mit einer Besatzung zum Mond ist bereits etwas schwierig.
Lassen Sie uns unsere Bedingungen lockern. Nehmen wir zunächst an, wir starten von der Erdumlaufbahn und anstatt 20 km / s benötigen wir 10. Zweitens schneiden wir den „Schwanz“ineffizienter chemischer Motoren ab und setzen den Mindestwert von I auf 4400 m / s (AI des Wasserstoff-Motors des Space Shuttles) RS-25):
[m 2 I] = Maschengitter (10: 50: 1000, 4400: 5000: 200000);
m1 = log (exp (10000 * I. ^ - 1). * m2);
Brandung (m2, I, m1)
Logarithmische Darstellung:
Lineare Skalierung:
Wir werden ganz auf chemische Motoren verzichten. Der NERVA-Kernmotor hatte eine KI von 9000 Sekunden. Berechnen wir neu:
[m 2 I] = Maschengitter (10: 50: 1000,9000: 5000: 200000);
m1 = exp (10000 * I. ^ - 1). * m2;
Brandung (m2, I, m1)
Lineare Skalierung:
Warum wiederhole ich diese monotonen Graphen? Tatsache ist, dass die als "Grund für Optimismus" bezeichnete flache Fläche zeigt, dass Motoren mit einer KI von mehr als 50.000 m / s mehr oder weniger erträglich ohne Schiffe mit einer Startmasse von Millionen Tonnen im Sonnensystem fliegen können. Und die bereits vorhandenen elektrischen Antriebsmotoren haben eine ID von 25000-30000 m / s (z. B. SPD 2300).
Es ist jedoch zu verstehen, dass der Grund für Optimismus sehr zurückhaltend ist. Erstens müssen diese Tausenden Tonnen in die Erdumlaufbahn gebracht werden (was äußerst schwierig ist). Zweitens haben die vorhandenen elektrischen Antriebsmotoren einen geringen Schub, und um mit einer geeigneten Beschleunigung zu beschleunigen, müssen Multi-Megawatt-Reaktoren installiert werden.
Lassen Sie uns ein weiteres interessantes Diagramm erstellen. Teilen Sie uns die endgültige Masse mit - 1000 Tonnen. Konstruieren wir die Abhängigkeit der Anfangsmasse vom spezifischen Impuls und der Endgeschwindigkeit:
[VI] = Meshgrid (10000: 2000: 100000.50000: 5000: 200000);
m1 = exp (V. * (I. ^ - 1)) * 1000;
Brandung (V, I, m1)
Diese Grafik ist insofern interessant, als sie gewissermaßen einen Blick in die fernere Zukunft der Menschheit wirft. Wenn wir einen komfortablen und schnellen Flug durch das Sonnensystem wollen, müssen wir den spezifischen Impuls um eine Größenordnung höher beherrschen - wir brauchen Motoren mit einer KI von mehreren hunderttausend Metern pro Sekunde.
Hier gibt es keine Fische
Die Menschheit zeichnet sich durch List und Einfallsreichtum aus. Daher wurden viele Ideen erfunden, um den Zugang zum Weltraum zu erleichtern. Einer der wichtigsten Parameter für die Barriere, über die wir springen möchten, sind die Kosten für die Umlaufbahn eines Kilogramms. Nach verschiedenen Schätzungen (diese Spalte wurde aus dem Wiki entfernt, hier beispielsweise aus einer anderen Quelle) für verschiedene Trägerraketen liegt dieser Preis für eine Erdumlaufbahn im Bereich von 4000 bis 13000 USD pro Kilogramm. Was haben Sie sich ausgedacht, um es einfacher, einfacher und billiger zu machen, zumindest in die erdnahe Umlaufbahn zu gelangen?
Wiederverwendbare Systeme. Historisch gesehen ist diese Idee bereits einmal im Space-Shuttle-Programm gescheitert. Jetzt tut Elon Musk dies und plant, die erste Stufe zu pflanzen. Ich möchte ihm viel Erfolg wünschen, aber aufgrund des bisherigen Scheiterns denke ich nicht, dass dies ein qualitativer Durchbruch sein wird. Im besten Fall sinken die Kosten um einige Prozent.
Einstufig zum Orbit. Trotz wiederholter Versuche ging sie nicht über die Projekte hinaus.
Luftstart. Es gibt ein erfolgreiches Projekt für eine kleine Nutzlast, das jedoch nicht für schwere Lasten skaliert.
Raketenloser Weltraumstart. Viele Projekte wurden erfunden, aber alle haben einen fatalen Nachteil - es sind astronomische Investitionen erforderlich, die ohne den vollständigen Abschluss des Projekts nicht "zurückerobert" werden können. Bis der Weltraumaufzug, der Brunnen oder der Massenfahrer vollständig gebaut und gestartet ist, gibt es keinen Gewinn daraus.
Dann wird sich das Herz beruhigen
Wie können Sie nach diesen traurigen Überlegungen aufmuntern? Ich habe zwei Argumente - eines abstrakt und grundlegend, das andere spezifischer.
Erstens ist der Fortschritt insgesamt nicht eine S-Kurve, sondern viele davon, was ein so optimistisches Bild ergibt:
In der Geschichte der Luftfahrt kann man zum Beispiel unterscheiden:
Und natürlich befinden Sie und ich uns an einem ähnlichen Punkt in der Entwicklung der Astronautik. Ja, jetzt gibt es eine gewisse Stagnation, und sogar ein Rollback ist möglich, aber die Menschheit mit den Köpfen ihrer besten Vertreter durchbricht die Mauer des Wissens, und irgendwo, noch nicht bemerkt, brechen die Triebe einer neuen Zukunft durch.
Das zweite Argument sind die Nachrichten über die Entwicklung eines Kernreaktors für das Transportenergiemodul, die ohne viel Aufhebens verlaufen:
Die neuesten Nachrichten zu diesem Projekt waren im Sommer - der erste TVEL wurde zusammengestellt. Die Arbeit, wenn auch ohne regelmäßige Werbung, ist offensichtlich im Gange, und man kann auf das Erscheinen eines grundlegend neuen Apparats in den kommenden Jahren hoffen - eines Atomschleppers mit einem elektrischen Antriebsmotor.
P. S
Dies sind etwas ungepflegte Gedanken, nennen wir sie die erste Iteration. Ich möchte Feedback erhalten - vielleicht habe ich etwas verpasst oder die Bedeutung des Phänomens falsch definiert. Wer weiß, vielleicht erhalten Sie nach der Bearbeitung des Feedbacks ein kohärenteres Konzept oder kommen auf etwas Interessantes?
Avor: lozga
