Научно-популярно о космосе и астрономии

Предыдущий пост Поделиться Следующий пост
Дедал, Икар и Мильнер с Хокингом
lozga
01.jpg
Прошло уже больше месяца с объявления широкой общественности о проекте Breaktrough Starshot - идее отправки однограммовых зондов к Альфе Центавра. Сейчас уже несколько осела пыль, многие высказались, кто с поддержкой, кто с критикой. Я же хотел бы сравнить этот проект с уже существующими проектами межзвездных зондов, потому что они выглядят, увы, куда более рациональными, нежели озвученное Мильнером и Хокингом предложение.

Постановка задачи


Почему человечество еще не отправило зонды к ближайшим звездам? Говоря совсем простым языком, расстояния между звездными системами настолько велики, что с теми скоростями, с которыми мы уже умеем запускать беспилотные аппараты, они будут лететь десятки тысяч лет. Например, если бы самый быстрый из запущенных за пределы Солнечной системы аппаратов, Вояджер-1, летел к Альфе Центавра, то 4,36 световых года до цели с текущей скоростью в 17 км/с он бы пролетел примерно за 77 тысяч лет. А если мы захотим долететь быстрее, то упремся в ограничения используемых ракетных технологий. Допустим, мы хотим отправить зонд к Альфе Центавра массой в одну тонну (а это очень мало) и хотим, чтобы он долетел за 100 лет (а это очень небыстро). Для этого нам надо его разогнать до 13 000 км/с (всего 0,04 скорости света). Цифра не кажется страшной, но, если мы будем разгонять зонд при помощи химических двигателей на топливной паре водород/кислород с максимальным из используемых сейчас удельным импульсом, то по формуле Циолковского одного только топлива, не учитывая массу двигателей и баков, потребуется 4,5*101277 килограмм. Проблема - масса видимой Вселенной оценивается в 1054 кг. То есть нам придется примерно двадцать раз заменять каждый атом во Вселенной на всю видимую Вселенную, чтобы получить такое количество вещества. Почему так получилось? Дело в том, что существующие ракетные двигатели выбрасывают вещество слишком медленно для межзвездных путешествий. Представьте, что вы стоите на скейтборде. Если у вас в карманах только теннисные мячи, то, кидая их назад, вы далеко не уедете. Если у вас есть ружье, или, еще лучше, автомат, то, выбрасывая вещество с большей скоростью, вы сможете уехать дальше.

Тут я хотел привести пример с YouTube

Химические двигатели позволили нам выбираться на орбиту, теряя ~97% массы по пути, очень задорого слетать на Луну и запускать небольшие беспилотные аппараты к внешним планетам Солнечной системы, долетая до Плутона всего за 10 лет. Но для межзвездных путешествий нам нужны другие двигатели, которые позволят выбрасывать вещество более эффективно, "халявная" тяга паруса или еще какая-нибудь хитрость.


Под такую музыку, при наличии больших запасов сарказма, этот ролик можно назвать аллегорией нынешнего состояния космонавтики

Атомный Орион


В 1950-х в США родилась концепция импульсного атомного взрыволета Orion, который должен был разгоняться за счет взрыва ядерных бомб за кормой. Специальная бомба представляла собой направленный атомный заряд, который должен был испарять вольфрамовый диск, образуя облако высокоскоростной плазмы:
02.png

Это облако должно было бить по двухступенчатому амортизатору, который бы принимал на себя импульс и разгонял бы корабль:
03.png

Была успешно испытана масштабная модель на обычной взрывчатке, но договор о запрете атомных испытаний 1963 года, экологические проблемы проекта и категорическое неприятие президентом Кеннеди военного варианта "Ориона" привели к закрытию проекта в районе 1965 года. Парадоксально, но "Орион" является единственным межзвездным кораблем, который может быть построен на уже существующих технологиях. По разным расчетам с различным весом оборудования и параметрами двигательной установки корабль на такой тяге может уложиться в массу меньше миллиона тонн, стоить меньше, чем годовой ВВП США и долететь до соседней звезды за срок от сотни до тысячи лет, что переводит его из категории совсем нереализуемых в категорию возможных для постройки коллективными усилиями человечества.

Более подробно почитать о проекте и виртуально на нем полетать можно тут.

Термоядерный Дедал


Если вы помните миф о Дедале и Икаре, то знаете, что, в отличие от мечтателя Икара, Дедал руководство по летной эксплуатации крыльев не нарушал и до цели долетел вполне успешно. Отсюда растет и название проекта межзвездного зонда, который смог бы добраться до любой из ближайших звезд за срок, не превышающий сотню лет, используя при этом существующие или ожидающиеся в ближайшем будущем технологии. Проект разрабатывался Британским межпланетным обществом с 1973 по 1978 год, и в итоге получился корабль массой всего 54 000 тонн, из которых 500 тонн занимала научная полезная нагрузка, а 50 000 тонн - топливо.

04.jpg

Двигательная установка зонда должна была использовать инерциальный термоядерный синтез, одно из перспективных направлений управляемого термоядерного синтеза. Топливные пеллеты из дейтерия и гелия-3 должны были поджигаться электронными пучками, а получающаяся плазма - вылетать через магнитное сопло, создавая тягу. "Дедал" должен был лететь в общей сложности 50 лет, с крейсерской скоростью 36 000 км/с (12% скорости света). Расчет показывает, что от двигателя ожидался удельный импульс в районе 3 миллионов секунд, что в тысячу раз больше, чем у существующих двигателей. Эффективность двигателя компенсировалась небольшой тягой - две ступени зонда должны были работать в общей сложности почти четыре года, создавая среднее ускорение 29 см/с2 или 0,03 g.

05.jpg

Вторая ступень представляла собой большой и сложный космический корабль. Для защиты от микрометеоритов, столкновение с которыми было бы опасно на скорости в 12% световой, впереди располагался 50-тонный бериллиевый диск. Более крупные частицы, которые бы могли пробить диск, должны были встречаться автономными роботами, которые летели бы на расстоянии 200 км перед зондом. Робот должен был выпустить облако пыли, которое бы на такой большой скорости отклоняло или уничтожало опасный объект. За диском располагались пятиметровый оптический и двадцатиметровый радиотелескоп. Кроме того, "Дедал" должен был нести автономные зонды, которые бы сбрасывались, начиная за семь лет до цели, и расходились бы в стороны. Зонд и автономные аппараты должны были пролететь через систему-цель, не останавливаясь, и передать собранную информацию, используя главный зонд как ретранслятор, а сорокаметровое сопло двигателя - как антенну. Еще одной интересной особенностью были автономные роботы-"смотрители", которые должны были лететь на главном зонде и ремонтировать его.

Несмотря на высокую проработанность проекта, оценка доступности главной технологии - двигателя оказалась слишком оптимистичной. Управляемый термоядерный синтез до сих пор не покорен человечеством, и не факт, что двигатель на инерциальном синтезе окажется в итоге лучшим выбором.

Что бы построить на МКС?


06.jpg
В 1980-х, когда США собирались строить свою орбитальную станцию Freedom, родился концепт межзвездного зонда, который можно было бы построить на этой станции. Проект Longshot отличался меньшими размерами, нежели "Дедал", и должен был иметь начальную массу 396 тонн (для сравнения, МКС сейчас уже тяжелее). Двигательная установка походила на "Дедал", использовала то же топливо и так же исходила из необходимости создать двигатель в тысячу раз более эффективный, чем существующие. Longshot должен был лететь к Альфе Центавра B 100 лет, что позволяло снизить скорость втрое относительно "Дедала" и донести до цели примерно 30 тонн, почти в десять раз больше в относительных числах, чем "Дедал". Необходимость минимизировать разгоняемую массу привела к другому инженерному решению - вместо двух ступеней Longshot сбрасывал пустые баки.

Как и "Дедал", Longshot сейчас ждет изобретения в тысячу раз более эффективного двигателя.

"Икар"


Британское межпланетное общество не прекратило разработку межзвездных зондов. Начиная с 2009 года проект "Икар" разрабатывается как новая версия "Дедала" с возможными улучшениями на новых технологиях. В некоторых источниках пишут про закрытие в 2011 году, но это неверно - в 2015 году Icarus Interstellar успешно собрала на Kickstarter $22 000 на конференцию Starship Congress. Разработка еще не завершена, поэтому финальная конструкция еще не определилась, но, по имеющейся информации, разработчики сохраняют опору на двигатель на инерциальном термоядерном синтезе.

"Тин-тин"


07.jpg
Из множества других малоизвестных проектов еще хочется выделить "Тин-Тин", в котором к звездам предлагается отправлять кубсаты. В типоразмер 3U (3 кубика 10х10х10 см) помещается межзвездный зонд, который должен суметь достичь ближайшей звезды за 25 000 лет, в три раза быстрее, чем летящие сейчас "Вояджеры" и "Пионеры". Срок в 25 000 лет сложно назвать приемлемым, но зонд базируется на уже существующих технологиях и, как минимум, может оказаться полезным для изучения окрестностей Солнечной системы. Первый кубик, по замыслу разработчика, будет содержать двигательную установку на полевом эффекте (FEEP, такая уже стоит на аппарате LISA). Очень небольшая тяга двигателя компенсируется высоким удельным импульсом. Второй кубик содержит радиоизотопный генератор и двигатель Стирлинга, которые вместе вырабатывают энергию. А третий - полезную научную нагрузку. Также зонд оснащен небольшим солнечным парусом, который добавляет "бесплатной" скорости от Солнца и служит как антенна.

Breakthrough Starshot


08.jpg
Ну и, наконец, свежий проект от Мильнера и Хокинга. Лазерная установка гигаваттного класса должна ускорять однограммовый зонд с ускорением 20 000 g десять минут, чтобы он долетел до Альфы Центавра за 20-30 лет. Физический разбор проблем проекта сделан в статье "Двойка по физике Мильнеру с Хокингом", если вы ее еще не прочитали, обязательно ознакомьтесь. Лично же мне не нравится кажущаяся чуть ли не намеренной авантюрность проекта. Зачем десять минут разгонять однограммовый зонд гигаваттным лазером с ускорением 20 000 g, если на много порядков проще разгонять килограммовый зонд с ускорением 1 g мегаваттной установкой месяцами, и, если надо, годами? От небольшого ускорения вырастет точность наведения, килограммовый зонд гораздо легче сделать, а на фоне длительности полета в 30 лет время на разгон все равно несравнимо меньше.

В целом, у меня возникает ощущение, что авантюрных космических проектов становится больше. Может быть, зря нет публичного осуждения проваленного проекта Mars One? Не удивлюсь, если через несколько лет на проект сборки межзвездного зонда в гараже будут собирать деньги краудфандингом, пока не дискредитируют и космонавтику и краудфандинг. Впрочем, есть еще вариант, что я незаметно для себя стал слишком консервативным и ошибаюсь. Но в этом случае я буду только рад ошибиться.

attentioneer.jpg

Записи из этого журнала по тегу «мысли о будущем космонавтики»


промо lozga ноябрь 4, 2014 17:00
Разместить за 20 жетонов
Привет! Добро пожаловать в блог, посвященный популяризации космонавтики, астрономии, и, шире, науки и прогресса человечества. Если вы зашли ко мне впервые, рекомендую почитать длинные серии постов по тегам: Серия "Незаметные сложности космической техники". Рассказы о том, как и почему ракеты и…

(Удалённый комментарий)
Спасибо! А разве в СССР не было похожих проектов взрыволетов? Было бы интересно узнать

Про наши подобные проекты я не слышал.

мне больше нравится проект циклера Земля-Марс)))

(Удалённый комментарий)
Человеку - наверное. А автоматам - почему бы и нет?

> В целом, у меня возникает ощущение, что авантюрных космических проектов становится больше.

Есть предположение, что у общества почти стёрлась грань между реальностью и фантазиями. Все перечисленные вами "проекты" буквально реализуют культ летающего макаронного монстра. Даже минимального анализа достаточно чтобы показать что всё это чушь без исключения, но ширнармассам нравится как это дело выглядит, потому что "Аватар", "Интерстеллар" и даже "Гравитация" уже слетали и к Альфе Центавра, и к разным звёздам, и вообще космос видится лишь аттракционом с перепрыгиванием с места на место ради удовольствия от процесса, преодолимых трудностей и длительного пребывания команд противоположных полов в стеснённых закрытых пространствах.

> Почему человечество еще не отправило зонды к ближайшим звездам?

Потому что в списке приоритетов человечества эта задача заслуженно занимает место между вечной иглой для примуса и лекарством от телевизора -- никому на самом деле не нужно, хотя некоторые могут пытаться что-то получить от процесса изображения детельности. Меньше всего это нужно науке.

Ну почему не нужно? Любопытство двигает и науку.

ИМХО, все эти посылки зондов и прочих межпланетных станций, как впрочем, и изучение чёрных дыр и сверхновых с помощью тех средств исследований, что имеются на настоящий день - это просто удовлетворение собственного любопытства за гос.счёт.
Какой смысл в посылке зонда, если ему лететь в один конец 100 лет? За то время, что он будет лететь в один конец, возможно уже будут открыты новые способы перемещения в пространстве и люди смогут оказаться в точке назначения раньше, чем этот зонд долетит туда.
И то же самое с астрономией. Астрономы с придыханием рассказывают. как они наблюдали в прямом эфире рождение сверхновой. Какой нахрен прямой эфир, если свет от этой звезды шел к нам миллионы лет! Она давно погасла, а они всё рассказывают и защищают на эту тему диссертации. Предлагаю всем таким "открывателям" зарплату выплачивать исключительно по результатам работы. Погасла твоя сверхновая - получи оплату!

Из фундаментальной науки потом вырастает то, что мы намазываем на хлеб, заливаем в бензобак или храним рубежи Отечества. Из фундаментальных работ по устройству атома выросло электричество от АЭС в розетке и 70 лет без мировых войн.

Полёт длительностью тысячи лет не имеет смысла. См. "Возвращение со звёзд" Лема. Оно вполне может долететь и прислать на Землю собранные данные - а эти данные давно уже никому не будут нужны, или их не сумеют прочитать, потому что утеряна кодировка, или просто забудут, что нужно ждать сигнала, и пропустят его. Максимум 1-2-3 поколения, пока ещё не забыли, что к чему. Увы.

Длительность в сотню лет вполне нормально смотрится. Просто мы привыкли к быстрому прогрессу, а это не факт что будут дальше.

Очено интересно, спасибо. :)

Дедал шикарен. Остальные тоже суперские.
Но все это мечты, потому что большинство заботит лишь о потребление да развлечение, айфончики да инстарграммчики, и еще - самое жуткое - годовой оборонный бюджет кое-какой страны хватит на запуск кажись 100 Curiosity (расчет зеленого кота вроде бы). Если бы это все вложить в космическую науку - то мы б уже точно подошли к Центавру. А пока только хнык (((

Если космос станет очень выгодным, все побегут туда.

Самое главное отличие проекта Мильнера-Хокинга в том, что Мильнер дает свои деньги.

Ну а то что предполагаются фантастические параметры, это его право, за СВОИ деньги делать как он считает правильным.

Меня сложат сомнения, что он даёт деньги на постройку Лазера Миллиардера Мильнера.

С теми технологиями которые имеет человечество - о межзвездных полетах можно и не мечтать. Даже когда наука подарит нам карманные термоядерные реакторы - эти полеты будут так-же фантастичны.
Прежде чем думать о межзвездных прыжках, необходимо совершить колосальнейший технологический прыжок.

вы немного не поняли... тот же "Орион" был вполне реальным проектом в середине прошлого века. Ничего такого, что требовало бы несуществующих технологий, в нём нет. Разве что вывод в космос страшных тыщ груза, но если не слишком торопиться - это реально.

Бредовая какая-то идея. Современные технологии не позволяют разместить ничего полезного в этих однограммовых зондах. Даже если их удастся запустить...

Не удастся.Пусковой лазер достаточно обсосан в научной фантастике и футурологии 70-х. Тогда люди ещё не были доведены айфонами до тёмной материи и умели как-то кумекать. Требуется как минимум гигаватник на орбите.
Плюс ещё куча вопросов по расходимости луча и конструкции отражателя.

Затея Мильнера с Хокингом - фокусы аферистов от бизнеса и науки.

"Как и "Дедал", Longshot сейчас ждет изобретения в тысячу раз более эффективного двигателя" Полагаю,что не дождется. За основу взят противоречащий реальной физике принцип.

Современная наука и технология выбирает для себя всё более удаленные задачи с заведомо не очевидным результатом. Это показатель глубокого системного кризиса.

В теории противоречий термоядерному синтезу нет. Вопрос в том как сделать реактор компактнее Солнца :)

(Удалённый комментарий)
Я думаю, ждут высадку на Луне, чтобы лазер поставить там. Это оптимальное место-можно использовать как ядерные реакторы, так и солнечные панели для питания, и нет риска испарить атмосферу.

Высадка уже была, толку-то? Базу тогда уж надо ждать.

?

Log in

No account? Create an account