Fotoğraf kredisi: NASA
Herkesin bildiği gibi, kimyasal roketler uzay araştırmaları için çok yavaştır. Belki de en verimli olanı, bir yolculuğun farklı noktalarında kullanılan farklı tahrik türleriyle hibrit sistemler olacaktır. Bu makale NASA'nın şu anda üzerinde çalıştığı teknolojilerin bir dökümünü vermektedir.
“Anne, henüz orada değil miyiz?”
Her ebeveyn bu ağlamayı arabanın arka koltuğundan duymuştur. Genellikle herhangi bir aile seyahatinin başlamasından yaklaşık 15 dakika sonra başlar. İyi bir şey nadiren evden birkaç yüz veya birkaç bin mil daha fazla seyahat.
Peki ya Mars'a seyahat ediyor olsaydınız? Her iki yılda bir Dünya'ya en yakın yaklaşımında bile, kırmızı gezegen her zaman en az 35 milyon mil uzaklıktadır. Altı ay orada ve altı ay önce - en iyi ihtimalle.
Houston, henüz orada değil miyiz?
NASA’nın Marshall Uzay Uçuş Merkezi’ndeki uzay taşımacılığı teknolojileri müdürü Les Johnson, “Kimyasal roketler çok yavaş” diyor. "Tüm itici güçlerini bir uçuşun başında yakarlar ve daha sonra uzay aracı yolun geri kalanını doldurur." Uzay aracı yerçekimi yardımı ile hızlandırılabilse de, Voyager 1'i güneş sisteminin kenarına fırlatan Satürn'ün etrafındakiler gibi gezegenlerin etrafında göksel bir çatlak - gezegenler arasındaki gidiş-dönüş seyahat süreleri hala yıl olarak ölçülüyor onlarca yıl. Ve en yakın yıldıza yolculuk binlerce yıl olmasa bile yüzyıllar sürecekti.
Daha da kötüsü, kimyasal roketler çok fazla yakıt verimsiz. Benzin istasyonu olmayan bir ülkede gaz yakıcıda sürmeyi düşünün. Tekne yükleri gaz taşımak zorunda kalacaksınız, başka bir şey değil. Uzay görevlerinde, yakıt (veya yakıt tankları) olmayan seyahatinizde taşıyabileceğiniz yüke kütle denir - örneğin insanlar, sensörler, örnekleyiciler, iletişim araçları ve yiyecek. Nasıl gaz sarfiyatı bir otomobilin yakıt verimliliği için faydalı bir değer ise, “bir yükün kütle fraksiyonu” - bir görevin yük kütlesinin toplam kütleye oranı - sevk sistemlerinin verimliliği için faydalı bir değerdir.
Günümüzün kimyasal roketleri ile yük kütlesi oranı düşüktür. Bret G. Drake, “Dünyadan Mars'a altı kişilik bir mürettebat göndermek için minimum enerjili bir yörünge kullansa bile, sadece kimyasal roketler ile toplam fırlatma kütlesi 1.000 metrik tonu aşacaktı - bunların yüzde 90'ı yakıt olurdu” dedi. Johnson Uzay Merkezi'nde uzay fırlatma analizi ve entegrasyonu müdürü. Yalnızca yakıt, tamamlanan Uluslararası Uzay İstasyonundan iki kat daha ağır olacaktır.
Bugünün kimyasal tahrik teknolojisine sahip tek bir Mars seferi, çoğu kimyasal yakıt fırlatan düzinelerce fırlatma gerektirecektir. Sanki 1 tonluk kompakt arabanız, New York'tan San Francisco'ya gitmek için 9 ton benzine ihtiyaç duyuyor çünkü galon başına ortalama bir mil.
Başka bir deyişle, düşük performanslı sevk sistemleri, insanların henüz Mars'a ayak basmamasının önemli bir nedenidir.
Daha verimli tahrik sistemleri, uzayda daha iyi “gaz sarfiyatı” sağlayarak yük kütlesi oranını arttırır. Çok fazla itici güç gerekmediği için daha fazla malzeme taşıyabilir, daha küçük bir araca gidebilir ve / veya daha hızlı ve daha ucuza gidebilirsiniz. Drake, “Kilit mesaj şudur: Mars'a düşük maliyetli bir görev sağlamak için gelişmiş tahrik teknolojilerine ihtiyacımız var” dedi.
Bu nedenle NASA, onlarca yıldır insanları diğer gezegenlere ve yıldızlara boğmuş olan iyon sürücüleri, güneş yelkenleri ve diğer egzotik tahrik teknolojilerini geliştiriyor - ancak sadece bilim kurgu sayfalarında.
Kaplumbağadan tavşana
Bilim olgusu seçenekleri nelerdir?
NASA iki temel yaklaşım üzerinde çalışıyor. Birincisi, kimyasal itişten çok daha büyük bir yakıt ekonomisine sahip radikal yeni roketler geliştirmektir. İkincisi, derin alan boşluğunda bol miktarda kaynakla çalışan “itici gaz içermeyen” sistemler geliştirmektir.
Tüm bu teknolojiler bir anahtar özelliği paylaşırlar: meşhur kaplumbağa gibi yavaş başlarlar, ancak zamanla Mars'a ya da herhangi bir yere gerçekten bir yarış kazanan bir tavşana dönüşürler. Aylar boyunca küçük bir sürekli ivmenin sonuçta bir uzay aracını büyük bir ilk vuruştan çok daha hızlı itebileceğine ve ardından uzun bir coasting süresine güveniyorlar.
Yukarıda: Bu düşük itişli uzay gemisi (bir sanatçının konsepti) bir iyon motoru tarafından tahrik edilir ve güneş enerjisi ile çalışır. Sonunda zanaat, amansız hızlanmanın bir sonucu olarak hızı toplayacak ve saniyede kilometrelerce hızla yarışacak. Fotoğraf kredisi: John Frassanito & Associates, Inc.
Teknik olarak konuşursak, hepsi düşük itme gücüne sahip sistemlerdir (yani avucunuzda yatan bir kağıdın ağırlığına eşdeğer o kadar yumuşak ivmeyi hissedemezsiniz) ama uzun çalışma süreleri. Aylarca süren küçük ivmelenmeden sonra saniyede kilometrelerce hızla ilerliyorsunuz! Aksine, kimyasal sevk sistemleri yüksek itme ve kısa çalışma süreleridir. Motorlar ateşlenirken koltuk minderlerine geri ezildiniz, ama sadece kısa bir süre. Bundan sonra tank boştur.
Yakıt tasarruflu roketler
Johnson, “Roket kendini ileri itmek için bir şeyi denize atan bir şey” dedi. (Bu tanıma inanmıyor musunuz? Yüksek basınçlı hortumu olan bir kaykay üzerinde tek yöne işaret ettiğinizde oturun ve ters yönde ilerleyeceksiniz).
Gelişmiş roket için önde gelen adaylar iyon motorlarının varyantlarıdır. Mevcut iyon motorlarında, itici gaz, ksenon gibi renksiz, tatsız, kokusuz atıl bir gazdır. Gaz, içinden elektron demeti geçen mıknatıs halkalı bir odayı doldurur. Elektronlar, gaz halindeki atomlara çarpar, bir dış elektronu nakavt eder ve nötr atomları pozitif yüklü iyonlara dönüştürür. Çok delikli elektrikli ızgaralar (bugünün versiyonlarında 15.000) iyonları uzay gemisinin egzozuna odaklıyor. İyonlar, ızgaraları saatte 100.000 milden fazla hızlarda vurur (bunu 225 mil / saatte bir Indianapolis 500 yarış arabasına kıyasla) - motoru uzaya doğru hızlandırarak itme üretir.
Gazı iyonize etmek ve motoru şarj etmek için elektrik nereden geliyor? Güneş panellerinden (güneş elektrikli tahriki) veya fizyon veya füzyondan (nükleer elektrik tahriki). Güneş elektrikli itiş motorları, güneş ve Mars arasındaki robotik görevler için ve güneş ışığının zayıf olduğu Mars'ın ötesindeki robotik görevler için veya hızın önemli olduğu insan misyonları için en etkili olacaktır.
İyon tahrikleri çalışır. Sadece Dünya'daki testlerde değil, çalışma uzay aracında da en iyi bilinenleri - Eylül ayında Comet Borrelly'den geçen ve fotoğraf çeken güneş enerjisi tahrikiyle çalışan küçük bir teknoloji test görevi olan Deep Space 1 olarak kanıtladılar. 2001. Deep Space 1'i tahrik eden iyon sürücüler kimyasal roketlerden yaklaşık 10 kat daha verimlidir.
İtici içermeyen sistemler
Bununla birlikte, en düşük kütle sevk sistemleri, gemide hiç itici taşımayan sistemler olabilir. Aslında, roket bile değiller. Bunun yerine, gerçek öncü üslupla, uzayda bol doğal kaynaklara enerji sağlamak için, yore öncülerinin hayvanları yakalamak ve sınırda kök ve çilek bulmak için güvendikleri gibi, “topraktan yaşıyorlar”.
İki lider aday güneş yelkenleri ve plazma yelkenleri. Etki benzer olsa da, çalışma mekanizmaları çok farklıdır.
Bir güneş yelkeni, güneşten (veya Dünya'dan bir mikrodalga veya lazer ışığından) ışığı yakalamak için derin uzayda açılmış muazzam bir gossamer alanından, oldukça yansıtıcı bir malzemeden oluşur. Çok iddialı görevler için, yelkenler bölgede kilometrekareye kadar değişebilir.
Güneş yelkenleri, güneş fotonlarının kütlesiz olmalarına rağmen, Dünya mesafesindeki metrekare başına momentum-birkaç mikronewtona (madalyonun ağırlığı hakkında) sahip olmasından yararlanır. Bu hafif radyasyon basıncı, yelken ve yükünü güneşten uzaklaştırarak yavaş ama emin adımlarla hızlandırarak saatte 150.000 mil veya saniyede 40 milden daha yüksek hızlara ulaşacaktır.
Yaygın bir yanlış anlama, güneş yelkenlerinin Güneş'in dış atmosferinden uzaklaşan enerjik elektronlar ve protonlar akışı olan güneş rüzgârını yakalamasıdır. Öyle değil. Güneş yelkenleri momentumlarını güneş ışığından alır. Bununla birlikte, “rüzgar yelkenleri” denilen güneş rüzgârının momentumuna dokunmak mümkündür.
Plazma yelkenleri Dünya'nın kendi manyetik alanında modellenmiştir. Güçlü yerleşik elektromıknatıslar, 15 veya 20 kilometre boyunca manyetik bir baloncuğu olan bir uzay aracını çevreleyecektir. Güneş rüzgârındaki yüksek hızlı yüklü parçacıklar, tıpkı Dünya'nın manyetik alanını yaptığı gibi manyetik kabarcığı iter. Dünya bu şekilde itildiğinde hareket etmiyor - gezegenimiz çok büyük. Ancak bir uzay aracı yavaş yavaş Güneş'ten uzaklaştırılacaktı. (Ek bir bonus: Dünya'nın manyetik alanı gezegenimizi güneş patlamaları ve radyasyon fırtınalarından korurken, manyetik plazma yelkeni bir uzay aracının yolcularını koruyacaktır.)
Yukarıda: Bir sanatçının manyetik baloncuğun içindeki uzay sondası kavramı (veya “plazma yelkeni”). Güneş rüzgarındaki yüklü parçacıklar baloncuğa çarptı, baskı uyguladı ve uzay aracını itti. [Daha]
Tabii ki, orijinal, denenmiş ve gerçek itici içermeyen teknoloji yerçekimi yardımcısıdır. Bir uzay aracı bir gezegen tarafından sallandığında, gezegenin yörünge momentumunun bir kısmını çalabilir. Bu, devasa bir gezegen için neredeyse hiç fark etmez, ancak bir uzay aracının hızını etkileyici bir şekilde artırabilir. Örneğin, Galileo 1990 yılında Dünya tarafından sallandığında, uzay aracının hızı 11.620 mph arttı; Bu arada Dünya yörüngesinde yılda 5 milyarın altında bir miktar yavaşladı. Bu tür yerçekimi yardımcıları, herhangi bir tahrik sistemini desteklemede değerlidir.
Tamam, şimdi gezegenler arası alandan geçtiğinize göre, bir park yörüngesine girip inişe hazırlanmak için hedefinizde nasıl yavaşlıyorsunuz? Kimyasal itiş ile, olağan teknik, bir kez daha, büyük miktarda yerleşik yakıt gerektiren retroroketleri ateşlemektir.
Çok daha ekonomik bir seçenek, aerocapture-uzay gemisinin hedef gezegenin kendi atmosferi ile sürtünerek frenlenmesi ile vaat ediliyor. Hile, elbette, yüksek hızlı bir gezegenler arası uzay aracının yanmasına izin vermemek. Ancak NASA bilim adamları, uygun şekilde tasarlanmış bir ısı kalkanı ile, birçok görevin üst atmosferinden sadece bir geçişle bir hedef gezegen etrafında yörüngeye alınmasının mümkün olacağını düşünüyorlar.
İleri!
Johnson, “Hiçbir tahrik teknolojisi herkes için her şeyi yapmayacak,” diye uyardı. Gerçekten de, güneş yelkenleri ve plazma yelkenleri, insanlardan ziyade Dünya'dan Mars'a yük taşımak için muhtemelen yararlı olacaktır, çünkü Drake, “bu teknolojilerin hızdan kaçması çok uzun sürüyor” diye ekledi Drake.
Bununla birlikte, birkaç teknolojiden oluşan bir melez, Mars'a insanlı bir görev almada gerçekten çok ekonomik olabilir. Aslında, kimyasal itiş, iyon itici ve aerocapture kombinasyonu, 6 kişilik bir Mars misyonunun fırlatma kütlesini, sadece kimyasal itiş ile elde edilebilecek yarısından daha az olmak üzere 450 metrik tonun (sadece altı fırlatma gerektiren) altına düşürebilir.
Böyle melez bir görev şöyle olabilir: Her zamanki gibi kimyasal roketler uzay aracını yerden kaldıracaktır. Düşük Dünya yörüngesine girdikten sonra, iyon tahrik modülleri ateşlenir veya toprak kontrolörleri bir güneş veya plazma yelkeni yerleştirebilir. 6 ila 12 ay boyunca, mürettebatı Dünya'nın Van Allen radyasyon kayışlarında büyük dozlarda radyasyona maruz bırakmaktan kaçınmak için geçici olarak insansız olan uzay gemisi, giderek yüksek bir Dünya kalkış yörüngesine kadar hızlanarak hızla uzaklaşacaktı. Mürettebat daha sonra hızlı bir taksi ile Mars aracına götürülecekti; daha sonra küçük bir kimyasal aşama, hızdan kaçmak için aracı tekmeleyecek ve Mars'a doğru ilerleyecekti.
Dünya ve Mars kendi yörüngelerinde dönerken, iki gezegen arasındaki göreceli geometri sürekli değişiyor. Mars'a fırlatma fırsatları her 26 ayda bir gerçekleşse de, en ucuz, en hızlı yolculuklar için en uygun hizalamalar her 15 yılda bir gerçekleşiyor - bir sonraki 2018'de geliyor.
Belki o zamana kadar, “Houston, henüz orada mıyız?” Sorusuna farklı bir cevap vereceğiz.
Orijinal Kaynak: NASA Bilim Hikayesi
