Перейти к содержимому


Пять с половиной дней до Плутона

Already Yet Космос Технологии

  • Вы не можете ответить в тему
В этой теме нет ответов

#1 Abalkin

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 5 461 сообщений

Отправлено 09 Июль 2015 - 07:01

Posted Image

Пять с половиной дней до Плутона


alex_anpilogov(Already Yet)

8 июля 2015


Posted Image

Наверное, я бы хотел жить в мире, в котором такой вот диалог не казался бы разговором двух пациентов в доме для сумасшедших:

«Однажды я сказал отцу:
— Папа, я хочу на Луну.
— Пожалуйста, — ответил он и снова уткнулся в книгу.»


Это — начало замечательной повести Роберта Хайнлайна «Имею скафандр — готов путешествовать».

Однако, как оказалось впоследствии, одного лишь скафандра и жгучего желания путешествовать по космосу категорически недостаточно, чтобы начать реальное путешествие.


Сегодня весь мир (зачёркнуто)....
Сегодня учёные, мечтатели, романтики и гики всей Земли с напряжением следят за миссией зонда «Новые Горизонты» (New Horizons) к Плутону.
Пройдёт всего лишь ещё одна неделя — и «Новые горизонты» пролетят ближе, чем в 20 000 километров от Плутона, собрав за время своего пролёта более 1,5 гигабайта научных данных, включая и цветные снимки поверхности Плутона и его спутников.
За миссией «Новых Горизонтов» можно следить здесь, где появляются и все новые снимки Плутона и новости о самом аппарате.
На сегодняшний день самая удалённая планета Солнечной системы, недавно «разжалованая» до статуса «малой планеты» из настоящей, представляется в виде мутноватой картинки:

Posted Image

Posted Image

Это лучшее из того, что есть у человечества на сегодняшний момент — всё-таки «Новые Горизонты» на момент этих снимков находились ещё в более, чем 12 миллионах километров от Плутона, стремительно к нему приближаясь.
Лучших снимков пока нет, так как станция заставила поволноваться своих создателей, внезапно перейдя в «спящий» режим в прошлую субботу.
Если верить информации НАСА, то к утру среды ситуацию с «Новыми Горизонтами» удалось взять под контроль и, если эксцессы с ними не повторятся, пролёт мимо Плутона пройдёт в штатном режиме.

Ситуацию с обузданием непокорной станции, которая продлилась с субботы по вечер вторника осложняло ещё и то обстоятельство, что Плутон — отнюдь не Луна и даже не Марс. Даже радиосигналу с Земли, который летит к станции со скоростью света, надо почти что 9 часов, чтобы достичь адресата и доставить от него ответ: «нормально Хьюстон, Новые Горизонты тебя слышат». В итоге, общение со станцией «Новые Горизонты» выглядит скорее, как обмен письмами по обычной почте или посылку древних телеграмм с центрального почтампта, нежели общение в Скайпе или по электронной почте.

Сам же полёт «Новых Горизонтов», который стартовал с рекордной скоростью в 16,26 км/с относительно Земли и сейчас по-прежнему движется со скоростью в 14,5 км/c (или более 40 км/c относительно Солнца) продолжается вот уже девять лет, начиная с 2006 года.

Posted Image
Пока что это всего лишь рисунок. Но вскорости мы увидим, как Плутон выглядит вблизи. Через девять лет полёта.

Но — насколько велика наша Сол-система, задумайся мы о ней в параметрах мира, описанного в «Имею скафандр — готов путешествовать»?

Дам слово самому Хайнлайну. Тем более, что герой его романа тоже попал на Плутон и собирался вернуться на родную ему Землю.

«... Это напомнило мне, что я так и не озаботился вычислением, сколько времени уйдёт на возвращение домой на Землю с Плутона на одном g, если я вдруг не смогу настроить автоматическое пилотирование на восьми. Конечно, куда больше меня волновал побег из камеры, я даже не задумывался о том, что я буду делать если (поправка - когда!) выберусь, но мог подумать о баллистике уже сейчас.

Книги мне не требовались. Я встречал людей, которые не способны отличить звезду от планеты и думают, что астрономические дистанции достаточно охарактеризовать как "большие". Ну, что-то вроде дикарского исчисления "один, два, три, много". Но хороший скаут знает основные факты, а такой помешанный на космосе как я - и кое-что ещё.

"Мама Варит Земляничный Морс А Юный Сын Уже Не Плачет". Не забудете, если повторите несколько раз? Тогда распишем подробно:


Posted Image

(в оригинале "Mother very thoughtfully made a jelly sandwich under no protest.")

"Цены" - расстояние от Солнца в астрономических единицах. Одна астрономическая единица или А.Е. - это расстояние от Земли до Солнца, 93,000,000 миль. Эти маленькие цифры куда проще запомнить, чем безумные миллионы и миллиарды. А долларовые значки я использую потому, что шуршащие бумажки мне по вкусу. Папа считает это прискорбным, но надо же как-то запоминать, что у вас под носом.

Теперь к сути. По таблице от Плутона до Земли тридцать девять с половиной расстояний от Земли до Солнца. Однако, у Плутона и Меркурия орбиты сильно вытянуты. У Плутона расстояние до Солнца изменяется на два миллиарда миль, чокнуться можно. Больше, чем от Солнца до Урана. Плутон даже забирается внутрь орбиты Нептуна, а потом откатывается вдаль и маячит там пару столетий, совершая всего четыре оборота за тысячу лет.

Но в той статье говорилось, что на Плутоне начинается "лето". Значит, сейчас он находится вблизи орбиты Нептуна и будет находиться там до конца моей жизни - если бы я оставался в Кентервилле. Здесь же предсказать, сколько я проживу, трудновато. В общем, получилась круглая сумма - 30 Астрономических Единиц.

Задачки на ускорение проще пареной репы. s=1/2 at2; дистанция равна половине ускорения на квадрат времени. Если бы астрогация этим ограничивалась, любой новичок мог бы пилотировать корабль. Трудности происходят от гравитационных возмущений и всего, что движется одновременно в четырнадцати разных направлениях. Однако я мог пренебречь гравитационными полями и движением планет. При скоростях, доступных кораблям сколопендеров, эти факторы не имеют значения, если не подлетать слишком близко к планетам. Мне всего-то был нужен порядок величины.

Жаль, что нет логарифмической линейки. Папа говорил, что тот, кто не умеет ей пользоваться, не должен допускаться до выборов, как неграмотный. У меня прелесть, а не линейка - K&E 20" Log-log Duplex Decitrig. Двадцатидюймовая, дуплексная, с тригонометрией от углов в радианах. Папа осчастливил меня ей после того, как я освоил десятидюймовую, где все углы в градусах. Целую неделю пришлось сидеть на одной картошке, но папа заявил, что предметы роскоши должны стоять в бюджете на первом месте. Я знал, где сейчас эта линейка. Дома, на моём столе.

Ничего страшного. У меня есть цифры, формула, карандаш и бумага.


Posted Image

Прикинем. Жирный сказал "Плутон", "пять дней" и "восемь g".

Задача из двух частей. Половина времени (и половина дистанции) на разгон, потом разворот и вторую часть полёта - торможение. Полное расстояние использовать нельзя, потому что время возводится в квадрат - функция параболическая. В какой же конфигурации Плутон? В противостоянии? В соединении? В стоянии? Плутон в телескоп не видно, кто помнит, в каком он месте эклиптики? Ну, ладно, среднее расстояние 30 А. Е. - будем танцевать от него. Половина этого расстояния в футах 1/2 x 30 x 93,000,000 x 5280. Восемь g: 8 x 32.2 фута./сек./за секунду. - скорость увеличивается на 258 футов в секунду каждую секунду до момента разворота и с такой же скоростью снижается.

Итак, - 1/2 x 30 x 93,000,000 x 5280 = 1/2 x 8 x 32.2 x t2 - и у вас время половины полёта в секундах. Удваиваем. Делим на 2600 чтобы получить часы, на 24, чтобы получить дни. На линейке задачка решается секунд за сорок, проще, чем налоги подсчитать.

У меня ушёл час на вычисления и столько же на проверку. Потом пришлось считать ещё раз, потому что я забыл умножить на 5280, и на одной стороне оказались футы, а на другой - мили. Арифметика такого не любит. Потом я пересчитал ещё раз, потому что уже ни в чём не был уверен. Всё же, логарифмическая линейка - лучшая штука в мире после девушек.

Наконец получился проверенный ответ. Пять с половиной дней. Я на Плутоне.»


Да, ситуация именно такова. Если у вас есть достаточно мощный и высокоимпульсный двигатель, для того, чтобы постоянно ускоряться, а потом и тормозить с ускорением в 8g, то вы можете быть на Плутоне за срок, меньший недели.
А не ждать девять лет во время долгого полёта вашего автоматического зонда, а потом трястись от того, что в последний момент времени вы потеряли связь со сверхдорогим летательным аппаратом.

Если вам интересно, то та самая «космическая логарифмическая линейка» героя романа «Имею скафандр — готов путешествовать» расположена вот по этой ссылке. Называется она номограммой транзитного времени для Солнечной системы.
Конечно, к звёздам по ней не полетаешь (шкала расстояний заканчивается там на цифре в 10 000 А.Е., что составляет чуть меньше 4% расстояния от Солнца до Альфа Центавра), но представление о масштабах Солнечной системы и о возможностях современных, перспективных и будущих двигателей для космоса эта номограмма вполне себе даёт.

Насколько же мы близки сейчас к заветной мечте «пять с половиной дней — и я на Плутоне»?
Как я уже писал, пока что самым близким приближением к идее космического двигателя является плазменный двигатель VASIMR.
Сочетание высокой удельной тяги и столь же высокого удельного импульса позволяет надеяться на то, что инженерная реализация конструкции VASIMR-а позволит добраться до Марса за срок от 40 до 250 дней, даже опираясь на существующие технологии:

Posted Image
Всё определяется, как и во многих других проектах, мощностью.
Сможем поставить на 100-тонный космический корабль реактор мощностью в 2 мегаватта — и будем лететь на Марс 250 дней.
Запихнём в корабль весом те же 100 тонн реактор с мощностью в 50 мегаватт — и поездка на Марс сократится до 40 дней, за счёт спрямления начальной гомановской траектории до практически прямого пути того самого «факельного корабля», о котором мечтал Хайнлайн и его герой в темнице на Плутоне.
В принципе, даже в существующих моделях, испытанных на Земле, двигатель VASIMR уже делает такие полёты возможными.
Ну а «сорок дней до Марса» на равноускоренном движении на том же VASIMRе — это год до Плутона. С разгоном и с торможением, а не девять лет для пролёта «Новых Горизонтов» до самого удалённого почти-планетного мира Сол-системы. Ведь в космосе нет ограничения скорости и полицейских с радарами: если ты можешь лететь со скоростью в 1000 км/c, то ты будешь лететь с этой скоростью, пока не начнёшь тормозить.

Пока что нас, если честно, останавливает лишь отсутствие в космосе действующих реакторов достаточной мощности и отсутсвие у них необходимого весового совершенства.
Что такое весовое совершенство? А это то самое пресловутое соотношение кВт, которое можно получать от каждого килограмма веса реактора, включая всю его обязательную навеску.

Хорошо ситуация массы инженерных проблем с существующими космическими ядерными реакторами рассмотрена вот в этом обзоре, я же приведу вам ещё одну диаграмму из другого обзора, которая показывает, насколько мы пока ещё далеки от «пяти с половиной дней — и я на Плутоне». И даже от года путешествия до далёкого Плутона.

Posted Image
В космосе не будет «стелс-кораблей». Любой мало-мальски серьзный корабль будет светиться своими пассивными радиаторами и системами капельного охлаждения.

Вот к чему будет устремлены все усилия будущих разработчиков и конструкторов космических кораблей — это обеспечение всё более внушительного КПД космических ядерных реакторов, совершенствование их конструкции и, как следствие, повышение массово-габаритного совершенства этих реакторов.
Все эти задачи неразрывно связаны между собой — нынешние наземные ядерные реакторы, обеспечивая всего около 25% для коэффициента полезного действия, категорически непригодны для будущих задач в космосе. Шутка ли — для создания 50 МВт полезной электрической энергии современный водо-водяной реактор должен рассеять не меньше 75 МВт низкопотенциального, абсолютно паразитного для реактора и космического корабля, теплового потока.

А «успехи» реальных космических реакторов и того скромнее — вершина советского реакторостроения, реактор «Топаз-1» (называемый ещё ТЭУ-5 «Тополь»), который был испытан в конце 1980-х годов на спутниках «Космос-1818» и «Космос-1867» имел следующие параметры:

Posted Image
«Топаз-1», при весе почти что в тонну, обеспечивал генерацию от 5 до 6,6 кВт электрической энергии, при рассеивании до 145 киловатт энергии тепловой. Нетрудно посчитать, что реальный КПД такой ЯЭУ составлял всего 3.3%, а так называемое массовое совершенство реактора, обозначаемое греческой буквой α (альфа) и измеряемое в кг/кВт мощности, составляло всего лишь 980 кг / 5 кВт = 196. О, господи, как же это убого...

Это значение α, равное 196, и является на сегодняшний день лучшим результатом для космических ядерных энергетических установок. Но, к сожалению, этого категорически недостаточно для осуществления мечты о «пяти с половиной дней до Плутона».

Вот график того, что требуется для полёта на Марс с использованием уже существующего VASIMR и перспективных реакторов, которые позволят космонавтам не бояться губительной солнечной радиации:


Posted Image
Как видите, время полёта на Марс зависит не только от мощности будущего реактора, но и от его массово-габаритного совершенства.
Даже α=10, и соответствующее лучшим существующим «земным» реакторам, обеспечит нам только 275 дней до Марса и обратно, если мы сможем собрать с помощью таких технологий реактор мощностью в 10 МВт и запитать им уже существующие VASIMRы.

Ну а амбициозная задача создания реактора с α=2, когда на каждый киловатт электрической мощности реактора он будет «затрачивать» не более 2 килограмм своего собственного веса и которая позволит обеспечивать те самые «сорок дней до Марса и обратно» и избавит космонавтов от опасностей солнечной радиации, является пока что лишь красивой, обоснованной, но не реализованной мечтой.
Скажу лишь, что подобным весовым совершенством обладает активная зона «Топаза-1» весом в 11 кг высокообогащённого урана, которая в реальности обвешана ещё массой вспомогательного оборудования, которое и доводит общую массу реактора до 980 килограмм, снижая одновременно α до 196, что совершенно не подходит для мира «Имею скафандр — готов путешествовать»...

Ну а если вы хотите услышать последние новости о российской «ядерной энергетической установке мегаваттного класса», то у меня нет для вас ничего, кроме вот этого короткого интервью и двух эскизных картинок:

Posted Image
Разрабатываемая ЯЭУ в сборе с радиаторами и системой капельного охлаждения.

Posted Image
Собственно сама «ядерной энергетической установке мегаваттного класса», которая расположена на носу космического буксира на первой схеме. Остальное — система теплоотвода и двигателя.

Конечно, в приведенным интервью меня напрягает многое. И «энергоустановка на замкнутом газовом цикле Брайтона», и «газоохлаждаемый высокотемпературный ядерный реактор» и упоминания о «монокристаллических трубках из жаропрочных сплавов».
Скажу так: ничего из этого в виде доведенной технологии, насколько мне известно, нет и в помине.

Но мечта о «пяти с половиной днях до Плутона» или хотя бы о «сорока днях до Марса» всё-таки обязывает меня верить в то, что всё это будет в железе.
Хотя уважаемый Posted Imagetnenergy, с которым мы пересеклись на моей презентации книги
«Мир на Пике» говорит, что уже не мегаватт, а пока что только 250 кВт.
Всё-таки чертовски сложно быть на переднем крае человечества. Сложно США с их «Новыми Горизонтами», сложно России с ЯЭУ мегаваттного класса, сложно Чангу Диазу с его VASIMRу...
Пять с половиной дней до Плутона. Сегодня у нас в первый раз, у всего человечества те самые «пять с половиной дней до Плутона»...



Источник
Делай что должен - и будь что будет!
ФРС должна быть разрушена!





Количество пользователей, читающих эту тему: 1

0 пользователей, 1 гостей, 0 анонимных