Tín dụng hình ảnh: NASA
Như mọi người đều biết, tên lửa hóa học quá chậm để khám phá không gian. Có lẽ hiệu quả nhất sẽ là các hệ thống hybrid, với các loại lực đẩy khác nhau được sử dụng tại các điểm khác nhau của một hành trình. Bài viết này cung cấp cho bạn bảng phân tích về các công nghệ mà NASA hiện đang làm việc.
Mẹ ơi, chúng ta đã ở đó chưa?
Mọi phụ huynh đều nghe thấy tiếng khóc từ ghế sau xe. Nó thường bắt đầu khoảng 15 phút sau khi bắt đầu bất kỳ chuyến đi nào của gia đình. điều tốt chúng tôi hiếm khi đi du lịch nhiều hơn một vài trăm hoặc vài ngàn dặm từ nhà.
Nhưng nếu bạn đang du hành tới sao Hỏa thì sao? Ngay cả ở cách tiếp cận gần gũi nhất của nó đến Trái Đất mỗi vài năm, hành tinh đỏ luôn luôn là ít nhất 35 triệu dặm. Sáu tháng ở đó và sáu tháng trở lại tốt nhất.
Cúc Houston, chúng ta đã ở đó chưa?
Tên lửa của hóa chất quá chậm, Les than thở Les Johnson, người quản lý các công nghệ vận chuyển trong không gian tại Trung tâm bay vũ trụ NASA Marshall Marshall. Họ đốt tất cả nhiên liệu của mình khi bắt đầu một chuyến bay và sau đó tàu vũ trụ chỉ dừng lại ở phần còn lại của con đường. Mặc dù tàu vũ trụ có thể được tăng tốc nhờ trọng lực hỗ trợ, một thiên thể nứt quanh thiên hà quanh các hành tinh, chẳng hạn như hành tinh xung quanh Sao Thổ bay Voyager 1 đến rìa của hệ mặt trời Thời gian di chuyển khứ hồi giữa các hành tinh vẫn được đo bằng năm đến hàng thập kỷ. Và một hành trình đến ngôi sao gần nhất sẽ mất hàng thế kỷ nếu không phải là thiên niên kỷ.
Tệ hơn nữa, tên lửa hóa học quá kém hiệu quả. Hãy nghĩ đến việc lái xe trong một người bán xăng trên khắp đất nước không có trạm xăng. Bạn phải mang theo nhiều thuyền khí và không nhiều thứ khác. Trong các nhiệm vụ không gian, những gì bạn có thể mang theo trong chuyến đi của mình đó là nhiên liệu (hoặc xe tăng để lấy nhiên liệu) được gọi là khối lượng trọng tải, ví dụ như con người, cảm biến, dụng cụ lấy mẫu, thiết bị liên lạc và thực phẩm. Giống như tiết kiệm xăng là một công đức hữu ích cho hiệu quả nhiên liệu của ô tô, tỷ lệ khối lượng tải trọng dữ liệu của tập đoàn trên phạm vi trọng lượng của một nhiệm vụ trên khối lượng tổng khối lượng của nó là một công đức hữu ích cho hiệu quả của hệ thống đẩy.
Với tên lửa hóa học ngày nay, phần khối lượng tải trọng thấp. Ngay cả khi sử dụng quỹ đạo năng lượng tối thiểu để đưa phi hành đoàn sáu người từ Trái đất lên Sao Hỏa, chỉ riêng tên lửa hóa học, tổng khối lượng phóng sẽ lên tới 1.000 tấn tấn, trong đó khoảng 90% sẽ là nhiên liệu, Bret G. Drake nói. quản lý phân tích và tích hợp phóng không gian tại Trung tâm vũ trụ Johnson. Chỉ riêng nhiên liệu sẽ nặng gấp đôi so với Trạm vũ trụ quốc tế đã hoàn thành.
Một chuyến thám hiểm sao Hỏa duy nhất với công nghệ đẩy hóa chất ngày hôm nay sẽ yêu cầu hàng chục lần phóng, hầu hết trong số đó chỉ đơn giản là phóng nhiên liệu hóa học. Nó như thể chiếc xe nhỏ gọn 1 tấn của bạn cần 9 tấn xăng để lái xe từ thành phố New York đến San Francisco bởi vì nó trung bình chỉ một dặm mỗi gallon.
Nói cách khác, hệ thống đẩy hiệu suất thấp là một lý do chính khiến con người chưa đặt chân lên Sao Hỏa.
Các hệ thống động lực hiệu quả hơn làm tăng phần khối lượng tải trọng bằng cách cung cấp số dặm khí tốt hơn trong không gian. Vì bạn không cần nhiều chất đẩy, bạn có thể mang nhiều đồ đạc hơn, đi trong một chiếc xe nhỏ hơn và / hoặc đến đó nhanh hơn và rẻ hơn. Thông điệp chính là: chúng ta cần các công nghệ đẩy tiên tiến để cho phép thực hiện một nhiệm vụ chi phí thấp đến sao Hỏa, Drake Drake tuyên bố.
Do đó, NASA hiện đang phát triển các ổ đĩa ion, cánh buồm mặt trời và các công nghệ đẩy kỳ lạ khác mà trong nhiều thập kỷ đã đưa con người đến các hành tinh khác và các ngôi sao, nhưng chỉ trong các trang của khoa học viễn tưởng.
Từ rùa đến thỏ rừng
Các lựa chọn khoa học thực tế là gì?
NASA đang làm việc chăm chỉ trên hai phương pháp cơ bản. Đầu tiên là phát triển các tên lửa hoàn toàn mới có mức tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn so với lực đẩy hóa học. Thứ hai là phát triển các hệ thống không có động cơ đẩy không có động cơ, được cung cấp bởi nguồn tài nguyên dồi dào trong không gian sâu.
Tất cả các công nghệ này đều có chung một đặc điểm chính: chúng bắt đầu chậm chạp, giống như con rùa hoạt ngôn, nhưng theo thời gian biến thành một con thỏ thực sự chiến thắng một cuộc đua đến Sao Hỏa hay bất cứ nơi nào. Họ dựa vào thực tế là một gia tốc nhỏ liên tục trong nhiều tháng cuối cùng có thể đẩy tàu vũ trụ nhanh hơn nhiều so với một cú đá ban đầu khổng lồ sau đó là một khoảng thời gian dài.
Hình trên: Tàu vũ trụ lực đẩy thấp này (một khái niệm nghệ sĩ) được đẩy bằng động cơ ion và chạy bằng năng lượng mặt trời. Cuối cùng nghề sẽ nhận tốc độ là kết quả của không ngừng tăng tốc và đua cùng lúc nhiều dặm mỗi giây. Tín dụng hình ảnh: John Frassanito & Associates, Inc.
Về mặt kỹ thuật, chúng có thể tạo ra tất cả các hệ thống có lực đẩy thấp (có nghĩa là bạn sẽ hầu như không cảm thấy gia tốc quá nhẹ, tương đương với trọng lượng của một mảnh giấy nằm trên lòng bàn tay của bạn) nhưng thời gian hoạt động lâu. Sau nhiều tháng liên tục tăng tốc nhỏ, bạn muốn được cắt cùng lúc nhiều dặm mỗi giây! Ngược lại, hệ thống đẩy hóa chất có lực đẩy cao và thời gian hoạt động ngắn. Bạn đã bị nghiền nát trở lại đệm ghế trong khi động cơ đang bắn, nhưng chỉ trong một thời gian ngắn. Sau đó bể trống rỗng.
Tên lửa tiết kiệm nhiên liệu
Một tên lửa là bất cứ thứ gì ném một cái gì đó quá mức để tự đẩy về phía trước, chỉ ra. (Don Tiết tin vào định nghĩa đó? Ngồi trên ván trượt có vòi áp lực cao chỉ một chiều, và bạn sẽ bị đẩy theo cách ngược lại).
Ứng cử viên hàng đầu cho tên lửa tiên tiến là các biến thể của động cơ ion. Trong các động cơ ion hiện nay, chất đẩy là một loại khí trơ không màu, không vị, không mùi, như xenon. Khí lấp đầy một buồng có vòng nam châm thông qua đó chạy một chùm electron. Các electron tấn công các nguyên tử khí, đánh bật một electron bên ngoài và biến các nguyên tử trung tính thành các ion tích điện dương. Các lưới điện có nhiều lỗ (15.000 trong các phiên bản ngày nay) tập trung các ion về phía ống xả tàu vũ trụ. Các ion bắn quá khứ lưới với tốc độ lên đến hơn 100.000 dặm một giờ (so sánh với phiên Indianapolis 500 xe đua tại 225 mph) -accelerating ra động cơ vào không gian, vì vậy sản xuất đẩy.
Trường hợp điện đến từ đâu để ion hóa khí và sạc động cơ? Hoặc từ các tấm pin mặt trời (được gọi là động cơ điện mặt trời) hoặc từ phản ứng phân hạch hoặc hợp hạch (còn gọi là động cơ điện hạt nhân). Động cơ đẩy bằng năng lượng mặt trời sẽ có hiệu quả nhất cho các nhiệm vụ robot giữa mặt trời và sao Hỏa, và động cơ điện hạt nhân cho các nhiệm vụ robot ngoài Sao Hỏa nơi ánh sáng mặt trời yếu hoặc cho các nhiệm vụ của con người, nơi tốc độ là điều cốt yếu.
Ổ đĩa ion hoạt động. Họ đã chứng minh khí phách của mình không chỉ trong các thử nghiệm trên Trái đất, mà trong các tàu vũ trụ đang hoạt động, nổi tiếng nhất là Deep Space 1, một nhiệm vụ thử nghiệm công nghệ nhỏ được cung cấp bởi động cơ điện mặt trời bay qua và chụp ảnh Comet Borrelly vào tháng 9, 2001. Các ổ ion giống như động cơ đẩy Deep Space 1 có hiệu suất gấp 10 lần so với tên lửa hóa học.
Hệ thống không có propellant
Tuy nhiên, các hệ thống đẩy có khối lượng thấp nhất có thể là những hệ thống không mang theo nhiên liệu trên tàu. Trên thực tế, họ không phải là tên lửa. Thay vào đó, theo phong cách tiên phong thực sự, họ đã sống ngoài vùng đất. Thay vào đó, họ lấy năng lượng từ nguồn tài nguyên thiên nhiên dồi dào trong không gian, giống như những người tiên phong của xứ sở sương mù đã kiếm thức ăn trên bẫy động vật và tìm rễ và quả ở biên giới.
Hai ứng cử viên hàng đầu là cánh buồm mặt trời và cánh buồm plasma. Mặc dù hiệu quả tương tự, các cơ chế hoạt động rất khác nhau.
Một cánh buồm mặt trời bao gồm một khu vực khổng lồ của rêu, vật liệu phản xạ cao được kéo ra trong không gian sâu để thu ánh sáng từ mặt trời (hoặc từ lò vi sóng hoặc tia laser từ Trái đất). Đối với các nhiệm vụ rất tham vọng, các cánh buồm có thể có diện tích lên tới nhiều km2.
Các cánh buồm mặt trời lợi dụng thực tế là các photon mặt trời, mặc dù không có khối lượng, nhưng lại có động lượng vài micronewton (khoảng trọng lượng của một đồng xu) trên một mét vuông ở khoảng cách Trái đất. áp suất bức xạ nhẹ nhàng này sẽ từ từ nhưng chắc chắn thúc đẩy buồm và tải trọng của nó đi từ mặt trời, đạt tốc độ lên đến 150.000 dặm một giờ, hoặc hơn 40 dặm mỗi giây.
Một quan niệm sai lầm phổ biến là các cánh buồm mặt trời bắt được gió mặt trời, một luồng các electron và proton năng lượng sôi lên từ bầu khí quyển bên ngoài của Sun. Không phải vậy. Cánh buồm mặt trời lấy đà từ chính ánh sáng mặt trời. Tuy nhiên, có thể khai thác động lượng của gió mặt trời bằng cách sử dụng cái gọi là cánh buồm plasma.
Cánh buồm plasma được mô hình hóa trên từ trường riêng của Earth. Nam châm điện mạnh mẽ trên tàu sẽ bao quanh một tàu vũ trụ với bong bóng từ tính dài 15 hoặc 20 km. Các hạt tích điện tốc độ cao trong gió mặt trời sẽ đẩy bong bóng từ tính, giống như chúng làm từ trường Trái đất. Trái đất không di chuyển khi nó đẩy theo cách này, hành tinh của chúng ta quá lớn. Nhưng một con tàu vũ trụ sẽ dần dần bị đẩy ra khỏi Mặt trời. (Một phần thưởng bổ sung: giống như từ trường Trái đất che chắn hành tinh của chúng ta khỏi các vụ nổ mặt trời và bão bức xạ, do đó, một cánh buồm plasma từ tính sẽ bảo vệ những người chiếm giữ tàu vũ trụ.)
Hình trên: Một khái niệm nghệ sĩ của một người thăm dò không gian bên trong một bong bóng từ tính (hay còn gọi là cánh buồm plasma plasma). Các hạt tích điện trong gió mặt trời đập vào bong bóng, tạo áp lực và đẩy tàu vũ trụ. [hơn]
Tất nhiên, công nghệ ban đầu, thử và không có thật là hỗ trợ trọng lực. Khi một con tàu vũ trụ xoay quanh một hành tinh, nó có thể đánh cắp một số động lượng quỹ đạo của hành tinh. Điều này hầu như không tạo ra sự khác biệt cho một hành tinh lớn, nhưng nó có thể tăng tốc độ ấn tượng của một con tàu vũ trụ. Chẳng hạn, khi Galileo vung lên Trái đất vào năm 1990, tốc độ của tàu vũ trụ tăng thêm 11.620 dặm / giờ; trong khi đó Trái đất chậm lại trong quỹ đạo của nó một lượng nhỏ hơn 5 phần tỷ inch mỗi năm. Hỗ trợ trọng lực như vậy có giá trị trong việc bổ sung bất kỳ hình thức hệ thống đẩy.
Được rồi, bây giờ bạn đã nhảy qua không gian liên hành tinh, làm thế nào để bạn giảm tốc độ tại điểm đến đủ để đi vào quỹ đạo đỗ xe và chuẩn bị hạ cánh? Với lực đẩy hóa học, kỹ thuật thông thường là bắn lại retrorockets, một lần nữa, đòi hỏi một lượng lớn nhiên liệu trên tàu.
Một lựa chọn kinh tế hơn nhiều được hứa hẹn bằng aerocapture, hãm phanh tàu vũ trụ bằng ma sát với bầu khí quyển riêng của hành tinh đích. Thủ thuật, tất nhiên, là không để cho một tàu vũ trụ liên hành tinh tốc độ cao bị đốt cháy. Nhưng các nhà khoa học của NASA cảm thấy rằng, với một lá chắn nhiệt được thiết kế phù hợp, nhiều nhiệm vụ có thể bị bắt vào quỹ đạo quanh một hành tinh đích chỉ với một lần đi qua bầu khí quyển phía trên của nó.
Trở đi
Không có công nghệ đẩy đơn lẻ nào sẽ làm mọi thứ cho mọi người, ED Johnson cảnh báo. Thật vậy, cánh buồm mặt trời và cánh buồm plasma có thể sẽ hữu ích chủ yếu cho việc đẩy hàng hóa hơn là con người từ Trái đất lên Sao Hỏa, bởi vì phải mất quá nhiều thời gian để những công nghệ đó có thể thoát ra khỏi vận tốc, Drake Drake nói thêm.
Tuy nhiên, sự kết hợp của một số công nghệ có thể chứng minh là rất kinh tế trong việc đưa một nhiệm vụ có người lái lên sao Hỏa. Trên thực tế, sự kết hợp giữa lực đẩy hóa học, lực đẩy ion và khí dung có thể làm giảm khối lượng phóng của sứ mệnh sao Hỏa 6 người xuống dưới 450 tấn (chỉ cần sáu lần phóng), chỉ hơn một nửa có thể đạt được bằng lực đẩy hóa học.
Một nhiệm vụ lai như vậy có thể diễn ra như thế này: Tên lửa hóa học, như thường lệ, sẽ đưa tàu vũ trụ lên khỏi mặt đất. Khi ở trên quỹ đạo Trái đất thấp, các mô-đun ổ ion sẽ bốc cháy hoặc bộ điều khiển mặt đất có thể triển khai một cánh buồm mặt trời hoặc plasma. Trong 6 đến 12 tháng, tàu vũ trụ tạm thời không có người lái để tránh cho phi hành đoàn tiếp xúc với lượng phóng xạ lớn trong vành đai bức xạ Trái đất Van Allen, sẽ quay vòng đi, dần dần tăng lên quỹ đạo khởi hành cuối cùng của Trái đất. Phi hành đoàn sau đó sẽ được đưa lên xe Mars trên một chiếc taxi tốc độ cao; một giai đoạn hóa học nhỏ sau đó sẽ đẩy chiếc xe lên để thoát khỏi vận tốc, và nó sẽ hướng lên sao Hỏa.
Khi Trái đất và Sao Hỏa quay quanh quỹ đạo tương ứng của chúng, hình học tương đối giữa hai hành tinh luôn thay đổi. Mặc dù cơ hội khởi động lên Sao Hỏa xảy ra cứ sau 26 tháng, nhưng sự sắp xếp tối ưu cho các chuyến đi rẻ nhất, nhanh nhất có thể xảy ra cứ sau 15 năm, một lần tiếp theo vào năm 2018.
Có lẽ đến lúc đó chúng ta sẽ có một câu trả lời khác cho câu hỏi, Houston Houston, chúng ta đã ở đó chưa?
Nguồn gốc: Câu chuyện khoa học của NASA
