Началось в 1957 году, когда в СССР был запущен первый спутник, «Спутник-1». С тех пор люди успели побывать на , а беспилотные космические зонды побывали на всех планетах, за исключением . Спутники, обращающиеся по орбитам вокруг Земли, вошли в нашу жизнь. Миллионы людей благодаря им имеют возможность смотреть телевизор (см. статью « «). На рисунке показано, как часть космического корабля возвращается на Землю с помощью парашута.
Ракеты
История освоения космоса начинается с ракет. Первые ракеты использовались для бомбардировок еще во время второй мировой войны. В 1957 г. была создана ракета, доставившая в космос «Спутник-1». Большую часть ракеты занимают баки с топливом. До орбиты добирается только верхняя часть ракеты, называемая полезным грузом . У ракеты «Ариан-4» три отдельных секции с топливными баками. Их называют ступенями ракеты . Каждая ступень толкает ракету на какое-то расстояние, после чего, опустев, отделяется. В итоге от ракеты остается только полезный груз. Первая ступень несёт 226 тонн жидкого топлива. Топливо и два ускорителя создают необходимую для взлета огромную масса. Вторая ступень отделяется на высоте 135 км. Третья ступень ракеты – её , работающие на жидком и азоте. Топливо здесь сгорает примерно за 12 минут. В результате, от ракеты «Ариан-4» Европейского космического агентства, остается только полезный груз.
В 1950-1960-х гг. СССР и США соревновались в освоении космоса. Первым пилотируемым космическим аппаратом был «Восток». Ракета «Сатурн-5» впервые доставила людей на луну.
Ракеты 1950-х- /960-х гг.:
1. «Спутник»
2. «Авангард»
3. «Юнона-1»
4. «Восток»
5. «Меркурий-Атлант»
6. «Джемини-Титан-2»
8. «Сатурн-1Б»
9. «Сатурн-5»
Космические скорости
Чтобы попасть в космос, ракета должна выйти за пределы . Если ее скорость будет недостаточна, она просто упадет на Землю, из-за действия силы . Скорость, необходимую для выхода в космос, называют первой космической скоростью . Она составляет 40000 км/ч. На орбите космический корабль огибает Землю с орбитальной скоростью . Орбитальная скорость корабля зависит от его расстояния до Земли. Когда космический корабль летит по орбите, он, в сущности, просто падает, но не может упасть, так как теряет высоту как раз настолько, насколько под ним уходит вниз, закругляясь, земная поверхность.
Космические зонды
Зонды - это беспилотные космические аппараты, посылаемые на дальние расстояния. Они побывали на всех планетах, кроме Плутона. Зонд может лететь до места назначения долгие Годы. Когда он подлетает к нужному небесному телу, то выходит на орбиту вокруг него и посылает на Землю добытую информацию. «Миринер-10», единственный зонд, побывавший на . «Пионер-10» стал первым космическим зондом, покинувшим пределы Солнечной системы. До ближайшей звезды он долетит больше чем через миллион лет.
Некоторые зонды предназначены для посадки на поверхность другой планеты, либо они оснащены спускаемыми аппаратами, сбрасываемыми на планету. Спускаемый аппарат может собрать образцы грунта и доставить их на Землю для исследований. В 1966 году впервые на поверхность Луны опустился космический аппарат - зонд «Луна-9». После посадки он раскрылся, как цветок, и начал съемки.
Спутники
Спутник - это беспилотный аппарат, который выводят на орбиту, как правило, земную. 
Спутник имеет конкретную задачу - например, наблюдать за , передавать телеизображение, разведывать залежи полезных ископаемых: есть даже спутники-шпионы. Спутник движется по орбите с орбитальной скоростью. На рисунке вы видите снимок устья реки Хамбер (Англия), сделанный «Лэндсетом» с околоземной орбиты. «Лэндсет» может «рассмотреть на Земле участки площадью всего в 1 кв. м.
Станция - это тот же спутник, но предназначенный для работы людей на его борту. К станции может пристыковываться космический корабль с экипажем и грузами. Пока в космосе работали только три долгосрочные станции: американский «Скайлэб» и российские «Салют» и «Мир». «Скайлэб» был выведен на орбиту в 1973 г. Ни его борту последовательно работали три экипажа. Станция прекратила свое существование в 1979 г.
Орбитальные станции играют огромную роль в изучении влияние невесомости на организм человека. Станции будущего, такие как «Фридом», которую американцы строят сейчас при участии специалистов из Европы, Японии и Канады, будут использоваться для очень долгосрочных экспериментов или для промышленного производства в космосе.
Когда космонавт выходит из станции или корабля в открытый космос, он надевает скафандр . Внутри скафандра искусственно создается , равное атмосферному. Внутренние слои скафандра охлаждаются жидкостью. Приборы следят за давлением и содержанием кислорода внутри. Стекло шлема очень прочное оно выдерживает удары мелких камешков - микрометеоритов.
Освоение космоса уже давно стало вполне обыденным делом для человечества. Но полеты на околоземную орбиту и к иным звездам немыслимы без устройств, позволяющих преодолевать земное притяжение – ракет. Многие ли из нас знают: как устроен и функционирует ракета-носитель, откуда происходит запуск и какова её скорость, позволяющая преодолеть притяжение планеты и в безвоздушном пространстве. Давайте подробнее разберемся в этих вопросах.
Устройство
Чтобы уяснить как работает ракета-носитель следует разобраться в её устройстве. Начнем описание узлов сверху к его нижней части.
САС
Аппарат, выводящий на орбиту спутник или грузовой отсек всегда отличает от носителя, который предназначен для транспортировки экипажа его конфигурация. У последнего в самом верху расположена специальная система аварийного спасения, служащая для эвакуации отсека с космонавтов при поломке ракета-носителя. Эта нестандартной формы башенка, размещенная на самом верху, является миниатюрной ракетой, позволяющей "вытянуть” капсулу с людьми вверх при экстраординарных обстоятельствах и сместить её на безопасное расстояние от точки аварии. Это актуально в начальной стадии полета, где ещё есть возможность провести парашютный спуск капсулы. В безвоздушном пространстве роль САС становиться не столь важна. В околоземном пространстве спасти космонавтов позволит функция, дающая возможность отделить от ракета-носителя спускаемый аппарат.
Грузовой отсек
Ниже САС расположен отсек, несущий полезную нагрузку: пилотируемый аппарат, спутник, грузовой отсек. Исходя от типа и класса ракета-носителя, масса выводимого на орбиту груза, может колебаться от 1,95 до 22,4 тонн. Весь транспортируемый кораблем груз защищен головным обтекателем, который сбрасывается после прохождения атмосферных слоёв.
Маршевый двигатель
Далекие от космоса люди думают, что если ракета оказалась в безвоздушном пространстве, на высоте ста километров, где начинается невесомость, то на этом её миссия окончена. На самом деле в зависимости от задачи, целевая орбита, выводимого в космос груза может находиться значительно дальше. Например, телекоммуникационные спутники необходимо транспортировать на орбиту, находящуюся на высоте более 35 тысяч километров. Чтобы достичь необходимого удаления и нужен маршевый двигатель, или как его по-другому называют – разгонный блок. Для выхода на запланированную межпланетную или отлетную траекторию следует не один раз менять скоростной режим полета, осуществляя определенные действия, поэтому этот двигатель должен неоднократно запускаться и выключаться, в этом его несходство с прочими аналогичными узлами ракеты.
Многоступенчатость
У ракета-носителя лишь малую долю его массы занимает транспортируемая полезная нагрузка, всё остальное – двигатели и топливные баки, которые расположены в разных ступенях аппарата. Конструктивной особенностью этих узлов является возможность их отделения после выработки топлива. После чего они сгорают в атмосфере, не достигая земли. Правда, как гласит новостной портал reactor.space , в последние годы была разработана технология, позволяющая возвращать в отведенную для этого точку отделившиеся ступеням невредимыми и вновь запускать их в космос. В ракетостроении при создании многоступенчатых кораблей используется две схемы:
- Первая – продольная, позволяет размещать вокруг корпуса несколько одинаковых двигателей с топливом, одновременно включающихся и синхронно сбрасывающихся после использования.
- Вторая – поперечная, дает возможность располагать ступени по возрастающей одну выше другой. В этом случае их включение происходит исключительно после сброса нижней, отработанной ступени.
Но часто конструкторы отдают предпочтение сочетанию поперечно-продольной схеме. Ступеней у ракеты может быть много, но увеличение их числа рационально до определенного предела. Их рост влечет за собой увеличение массы двигателей и переходников, работающих только на определенной стадии полета. Поэтому современные ракета-носители не комплектуются более чем четырьмя ступенями. В основном топливные баки ступеней состоят из резервуаров, в которых закачивается разные компоненты: окислитель (жидкий кислород, тетроксид азота) и горючее (жидкий водород, гептил). Только при их взаимодействии можно разогнать ракету до нужной скорости.
С какой скоростью летит ракета в космосе
В зависимости от задач, которые должен выполнить ракета-носитель ее скорость может разнится, подразделяясь на четыре величины:
- Первая космическая. Она позволяет подняться на орбиту где она становиться спутником Земли. Если перевести на привычные значения, она равняется 8 км/с.
- Вторая космическая. Скорость в 11,2 км/с. дает возможность преодолеть кораблю земное притяжение для исследований планет нашей солнечной системы.
- Третья космическая. Придерживаясь скорости 16,650 км/с. можно преодолеть тяготение солнечной системы и покинуть её пределы.
- Четвертая космическая. Развив скорость 550 км/с. ракета способна улететь за пределы галактики.
Но как бы ни были велики скорости космических аппаратов, для межпланетных путешествий они слишком малы. При таких значениях до ближайшей звезды придется добираться 18 000 лет.
Как называется место откуда запускают в космос ракеты
Для успешного покорения космоса необходимы специальные стартовые площадки, откуда можно запускать ракеты в космическое пространство. В повседневном обиходе их называют космодромами. Но это простое название включает в себя целый комплекс строений, занимающий огромные территории: стартовый стол, помещения для конечного испытания и сборки ракеты, здания сопутствующих служб. Всё это расположено в отдалении друг от друга, чтобы при аварии не пострадали другие сооружения космодрома.
Заключение
Чем более совершенствуются космические технологии, тем более сложным становится строение и работа ракеты. Может через несколько лет, будут созданы новые аппараты, для преодоления притяжения Земли. И следующая статья будет посвящена принципам работы более совершенной ракеты.
В борьбе за преодоление «конденсационного порога» ученым-аэродинамикам пришлось отказаться от применения расширяющегося сопла. Были созданы сверхзвуковые аэродинамические трубы принципиально нового типа. На входе в такую трубу ставится баллон высокого давления, который отделяется от нее тонкой пластинкой - диафрагмой. На выходе труба соединяется с вакуумной камерой, в результате чего в трубе создается высокое разрежение.
Если прорвать диафрагму, например резким увеличением давления в баллоне, то поток газа устремится по трубе в разреженное пространство вакуумной камеры, предшествуемый мощной ударной волной. Поэтому установки эти получили название ударных аэродинамических труб.
Как и для трубы баллонного типа, время действия ударных аэродинамических труб очень невелико и составляет всего несколько тысячных долей секунды. Для проведения необходимых измерений за столь короткое время приходится использовать сложные быстродействующие электронные приборы.
Ударная волна перемещается в трубе с очень большой скоростью и без специального сопла. В созданных за рубежом аэродинамических трубах удалось получить скорости воздушного потока до 5200 метров в секунду при температуре самого потока в 20 000 градусов. При таких высоких температурах скорость звука в газе тоже увеличивается, и намного. Поэтому, несмотря на большую скорость воздушного потока, ее превышение над скоростью звука оказывается незначительным. Газ движется с большой абсолютной скоростью и с небольшой скоростью относительно звука.
Чтобы воспроизвести большие сверхзвуковые скорости полета, необходимо было или еще больше увеличить скорость воздушного потока, или же снизить скорость звука в нем, то есть уменьшить температуру воздуха. И тут аэродинамики снова вспомнили о расширяющемся сопле: ведь с его помощью можно сделать и то и другое одновременно - оно разгоняет поток газа и в то же время охлаждает его. Расширяющееся сверхзвуковое сопло в этом случае оказалось тем ружьем, из которого аэродинамики убили сразу двух зайцев. В ударных трубах с таким соплом удалось получить скорости воздушного потока, в 16 раз превышающие скорость звука.
СО СКОРОСТЬЮ СПУТНИКА
Резко увеличить давление в баллоне ударной трубы и тем самым прорвать диафрагму можно различными способами. Например, как это делают в США, где применяется мощный электрический разряд.
В трубе на входе ставится баллон высокого давления, отделенный от остальной части диафрагмой. За баллоном располагается расширяющееся сопло. Перед началом испытаний давление в баллоне увеличилось до 35-140 атмосфер, а в вакуумной камере, на выходе из трубы, понижалось до миллионной доли атмосферного давления. Затем в баллоне производился сверхмощный разряд электрической дуги силой тока в миллион ! Искусственная молния в аэродинамической трубе резко увеличивала давление и температуру газа в баллоне, диафрагма мгновенно испарялась и поток воздуха устремлялся в вакуумную камеру.
В течение одной десятой секунды можно было воспроизвести скорость полета около 52 000 километров в час, или 14,4 километра в секунду! Таким образом, в лабораториях удалось преодолеть и первую и вторую космические скорости.
С этого момента аэродинамические трубы стали надежным подспорьем не только для авиации, но и для ракетной техники. Они позволяют решить целый ряд вопросов современного и будущего космоплавания. С их помощью можно испытать модели ракет, искусственных спутников Земли и космические корабли, воспроизводя тот участок их полета, который они проходят в пределах планетной атмосферы.
Но достигнутые скорости должны находиться лишь в самом начале шкалы воображаемого космического спидометра. Их освоение - это только первый шаг на пути создания новой отрасли науки - космической аэродинамики, которая была вызвана к жизни потребностями бурно развивающейся ракетной техники. И уже имеются новые значительные успехи в деле дальнейшего освоения космических скоростей.
Поскольку при электрическом разряде воздух в некоторой степени ионизируется, то можно попытаться в той же ударной трубе использовать электромагнитные поля для дополнительного ускорения получающейся воздушной плазмы. Эта возможность была осуществлена практически в другой, сконструированной в США ударной гидромагнитной трубе небольшого диаметра, в которой скорость движения ударной волны достигла 44,7 километра в секунду! О такой скорости движения пока что могут только мечтать конструкторы космических аппаратов.
Несомненно, что дальнейшие успехи науки и техники откроют более широкие возможности перед аэродинамикой будущего. Уже сейчас в аэродинамических лабораториях начинают использоваться современные физические установки, например установки с высокоскоростными струями плазмы. Для воспроизведения полета фотонных ракет в межзвездной разреженной среде и для изучения прохождения космических кораблей сквозь скопления межзвездного газа придется использовать достижения техники ускорения ядерных частиц.
И, очевидно, еще задолго до того, как первые звездолеты покинут пределы , их миниатюрные копии уже не один раз испытают в аэродинамических трубах все тяготы далекого пути к звездам.
P. S. О чем еще думают британские ученные: впрочем космическая скорость бывает далеко не только в научных лабораториях. Так, скажем если вас интересует создание сайтов в Саратове — http://galsweb.ru/ , то здесь вам его создадут с поистине космической скоростью.
Сегодня полеты в космос не относятся к фантастическим историям, но, к сожалению, современный космический корабль еще очень сильно отличается от тех, которые показывают в фильмах.
Данная статья предназначена для лиц старше 18 лет
А вам уже исполнилось 18?
Космические корабли России и
Космические корабли будущего
Космический корабль: какой он
На
Космический корабль, как он работает?
Масса современных космолетов напрямую связана с тем, как высоко они летают. Главная задача пилотируемых космолетов ‒ безопасность.
Спускаемый аппарат СОЮЗ стал первой космической серией Советского Союза. В этот период между СССР и США шла гонка вооружения. Если сравнивать размеры и подход к вопросу строительства, то руководство СССР делало все для скорейшего покорения космоса. Понятно, почему сегодня не строят аналогичные аппараты. Вряд ли кто-то возьмется строить по схеме, в которой отсутствует личное пространство космонавтов. Современные космолеты оборудованы и комнатами для отдыха экипажа, и спускаемой капсулой, главной задачей которой является в тот момент, как осуществляется посадка, сделать ее максимально мягкой.
Первый космический корабль: история создания
Отцом космонавтики справедливо считается Циолковский. На основе его учений Годдрадпостроил ракетный двигатель.
Ученые, которые трудились в Советском Союзе, стали первыми, кто сконструировал и смог запустить искусственный спутник. Также они стали первыми, кто изобрел возможность запуска в космос живого существа. Штаты осознают, что Союз стал первым, кто создал летательный аппарат, способный выйти в космос с человеком. Отцом ракетостроения справедливо называют Королева, который вошел в историю как тот, кто придумал, как преодолеть земное притяжение, и смог создать первый пилотируемый космический корабль. Сегодня даже малыши знают, в каком году запустили первый корабль с человеком на борту, но мало кто помнит о вкладе Королева в этот процесс.
Экипаж и его безопасность во время полета
Главная задача сегодня — безопасность экипажа, ведь он проводит много времени на высоте полета. При строении летательного устройства важно, из какого металла его делают. В ракетостроении используются следующие типы металлов:
- Алюминий ‒ позволяет значительно увеличить размеры космолета, поскольку отличается легкостью.
- Железо ‒ замечательно справляется со всеми нагрузками на корпус корабля.
- Медь ‒ обладает высокойтеплопроводимостью.
- Серебро ‒ надежно связывает медь и сталь.
- Из титановых сплавов изготавливают баки для жидкого кислорода и водорода.
Современная система жизнеобеспечения позволяет создать привычную для человека атмосферу. Многие мальчишки видят, как они летают в космосе, забывая об очень большой перегрузке космонавта при старте.
Самый большой космический корабль в мире
Среди боевых кораблей большой популярностью пользуются истребители и перехватчики. Современный грузовой корабль имеет следующую классификацию:
- Зонд — это исследовательский корабль.
- Капсула — грузовой отсек для доставки или спасательных операций экипажа.
- Модуль — на орбиту выводится беспилотным носителем. Современные модули делятся на 3 категории.
- Ракета. Прототипом для создания послужили военные разработки.
- Челнок — многоразовые конструкции для доставки необходимого груза.
- Станции — самые большие космические корабли. Сегодня в открытом космосе находятся не только русские, но и французские, китайские и другие.
Буран — космический корабль, вошедший в историю
Первым космическим кораблем, вышедшим в космос, стал Восток. После федерация ракетостроения СССР начала выпуск кораблей Союз. Намного позже стали выпускать Клиперы и Русь. На все эти пилотируемые проекты федерация возлагает огромные надежды.
В 1960 году корабль Восток своим полетом доказал возможность выхода человека в космос. 12 апреля 1961 года Восток 1 совершил виток вокруг Земли. А вот вопрос, кто летал на корабле Восток 1, почему-то вызывает затруднение. Может быть дело в том, что мы просто не знаем, что свой первый полет Гагарин совершил именно на этом корабле? В том же году впервые на орбиту вышел корабль Восток 2, в котором находилось сразу два космонавта, один из которых вышел за пределы корабля в космосе. Это был прогресс. А уже в 1965 году Восход 2 смог выйти в открытый космос. История корабля восход 2 была экранизирована.
Восток 3 установил новый мировой рекорд по времени пребывания корабля в космосе. Последним кораблем серии стал Восток 6.
Американский шатл серии Аполлон открыл новые горизонты. Ведь в 1968 Аполлон 11 смог первым приземлиться на Луну. Сегодня существует несколько проектов по разработке космопланов будущего, такие как Гермес и Колумб.
Салют — серия межорбитальных космических станций Советского Союза. Салют 7 известна тем, что потерпела крушение.
Следующим космолетом, история которого вызывает интерес, стал Буран, кстати, интересно, где он сейчас находится. В 1988 году он совершил свой первый и последний полет. После многоразовых разборов и перевозок путь передвижения Бурана потерялся. Известное последнее местонахождение космического корабля Буранв Сочи, работы по нему законсервированы. Однако буря вокруг этого проекта до сих пор не утихла, и дальнейшая судьба заброшенного проекта Буран вызывает интерес у многих. А в Москве внутри макета космолета Буран на ВДНХ создан интерактивный музейный комплекс.
Джемини — серия кораблей американских конструкторов. Заменили проект Меркурий и смогли сделать спираль на орбите.
Американские корабли с названием Спейсшатл стали своеобразными челноками, совершая более 100 полетов между объектами. Вторым Спейсшатлом стал Челенджер.
Не может не заинтересовать история планеты Нибиру, которая признана кораблем-надзирателем. Нибиру уже дважды приближалась на опасное расстояние к Земле, но оба раза столкновения удалось избежать.
Драгон — космолет, который в 2018 году должен был совершить полет на планету Марс. В 2014 году федерация, ссылаясь на технические характеристики и состояние корабля Дракон, отложила запуск. Не так давно произошло еще одно событие: компания Боинг сделала заявление, что также начала разработки по созданию марсохода.
Первым в истории многоразовым кораблем универсалом должен был стать аппарат под названием Заря. Заря — это первая разработка транспортного корабля многоразового использования, на который федерация полагала очень большие надежды.
Прорывом считается возможность использования ядерных установок в космосе. Для этих целей начались работы по транспортно-энергетическому модулю. Параллельно ведутся разработки по проекту Прометей — компактному ядерному реактору для ракет и космолетов.
Китайский корабль Шэньчжоу 11 стартовал в 2016 году с двумя астронавтами, которые должны были провести в космосе 33 дня.
Скорость космического корабля (км/ч)
Минимальной скоростью, с которой можно выйти на орбиту вокруг Земли считается 8 км/с. Сегодня нет надобности разрабатывать самый быстрый в мире корабль, поскольку мы находимся в самом начале космического пространства. Ведь максимальная высота, которой мы смогли достичь в космосе, всего 500 км. Рекорд самого быстрого передвижения в космосе был установлен в 1969 году, и пока побить его не удалось. На космическом корабле Аполлон 10 трое космонавтов, побывав на орбите Луны, возвращались домой. Капсула, которая должна была доставить их из полета, сумела развить скорость 39,897 км/ч. Для сравнения давайте рассмотрим, с какой скоростью летит космическая станция. Максимально она может развиться до 27 600 км/ч.
Заброшенные космические корабли
Сегодня для космолетов, пришедших в негодность, создали кладбище втихом океане, где могут найти свой последний приют десятки заброшенных космических кораблей. Катастрофы космических кораблей
В космосе случаются катастрофы, часто забирающие жизни. Наиболее частыми, как ни странно, являются аварии, которые происходят из-за столкновения с космическим мусором. При столкновении орбита движения объекта смещается и становится причиной крушения и повреждений, часто становящихся причиной взрыва. Самой известной катастрофой является гибель пилотируемого американского корабля Челленджер.
Ядерный двигатель для космических кораблей 2017
Сегодня ученые работают над проектами по созданию атомного электродвигателя. Эти разработки подразумевают покорение космоса с помощью фотонных двигателей. Российские ученные планируют уже в скором будущем приступить к испытаниям термоядерного двигателя.
Космические корабли России и США
Стремительный интерес к космосу возник в годы Холодной войны между СССР и США. Американские ученые признали в российских коллегах достойных соперников. Советское ракетостроение продолжало развиваться, и после распада государства его приемником стала Россия. Конечно, космолеты, накоторых летают российские космонавты, значительно отличаются от первых кораблей. Более того, сегодня, благодаря успешным разработкам американских ученых, космические корабли стали многоразовыми.
Космические корабли будущего
Сегодня все больший интерес вызывают проекты, в результате которых человечество сможет совершать более длительные путешествия. Современные разработки уже готовят корабли к межзвездным экспедициям.
Место, откуда запускают космические корабли
Увидеть своими глазами запуск космического корабля на старте — мечта многих. Возможно, это связано с тем, что первый запуск не всегда приводит к желаемому результату. Но благодаря Интернету мы можем увидеть, как взлетает корабль. Учитывая тот факт, что наблюдающим за запуском пилотируемого корабля следует находиться достаточно далеко, мы можем представить, что находимся на взлетной площадке.
Космический корабль: какой он внутри?
Сегодня, благодаря музейным экспонатам, мы воочию можем увидеть устройство таких кораблей, как Союз. Конечно, изнутри первые корабли были очень простыми. Интерьер более современных вариантов выдержан в спокойных тонах. Устройство любого космического корабля обязательно пугает нас множеством рычажков и кнопочек. И это добавляет гордости за тех, кто смог запомнить, как устроен корабль, и, тем более, научился управлять им.
На каких космических кораблях летают сейчас?
Новые космические корабли своим внешним видом подтверждают, что фантастика стала действительностью. Сегодня никого уже не удивишь тем, что стыковка космических кораблей — реальность. И мало кто помнит о том, что первая в мире такая стыковка произошла еще в далеком 1967 году...
Современные технологии и открытия выводят освоение космоса на совершенно иной уровень, однако межзвездные перелеты пока еще остаются мечтой. Но так ли она нереальна и недостижима? Что мы можем уже сейчас и чего ждать в ближайшем будущем?
Изучая данные полученные с телескопа «Кеплер» астрономы обнаружили 54 потенциально обитаемые экзопланеты. Эти далекие миры находятся в обитаемой зоне, т.е. на определенном расстоянии от центральной звезды, позволяющем поддерживать на поверхности планеты воду в жидком виде.
Однако ответ на главный вопрос, одиноки ли мы во Вселенной, получить затруднительно - из-за огромной дистанции, разделяющей Солнечную систему и наших ближайших соседей. Например, «перспективная» планета Gliese 581g находится на расстоянии в 20 световых лет – это достаточно близко по космическим меркам, но пока слишком далеко для земных инструментов.
Обилие экзопланет в радиусе 100 и менее световых лет от Земли и огромный научный и даже цивилизационный интерес, которые они представляют для человечества, заставляют по-новому взглянуть на доселе фантастическую идею межзвездных перелетов.
Полет к другим звездам - это, разумеется, вопрос технологий. Более того, существуют несколько возможностей для достижения столь далекой цели, и выбор в пользу того или иного способа еще не сделан.
Человечество уже отправляло в космос межзвездные аппараты: зонды Pioneer и Voyager. В настоящее время они покинули пределы Солнечной системы, однако их скорость не позволяет говорить о сколь-нибудь быстром достижении цели. Так, Voyager 1, движущийся со скоростью около 17 км/с, даже к ближайшей к нам звезде Проксима Центавра (4,2 световых года) будет лететь невероятно долгий срок - 17 тысяч лет.
Очевидно, что с современными ракетными двигателями мы никуда дальше Солнечной системы не выберемся: для транспортировки 1 кг груза даже к недалекой Проксиме Центавра нужны десятки тысяч тонн топлива. При этом с ростом массы корабля увеличивается количество необходимого топлива, и для его транспортировки нужно дополнительное горючее. Замкнутый круг, ставящий крест на баках с химическим топливом - постройка космического судна весом в миллиарды тонн представляется совершенно невероятной затеей. Простые вычисления по формуле Циолковского демонстрируют, что для ускорения космических аппаратов с ракетным двигателем на химическом топливе до скорости примерно в 10% скорости света потребуется больше горючего, чем доступно в известной вселенной.
Реакция термоядерного синтеза производит энергии на единицу массы в среднем в миллион раз больше, чем химические процессы сгорания. Именно поэтому в 1970-х годах в НАСА обратили внимание на возможность применения термоядерных ракетных двигателей. Проект беспилотного космического корабля Дедал предполагал создание двигателя, в котором небольшие гранулы термоядерного топлива будут подаваться в камеру сгорания и поджигаться пучками электронов. Продукты термоядерной реакции вылетают из сопла двигателя и придают кораблю ускорение.
Космический корабль Дедал в сравнении с небоскребом Эмпайр стейт Билдинг
Дедал должен был взять на борт 50 тыс. тонн топливных гранул диаметром 4 и 2 мм. Гранулы состоят из ядра с дейтерием и тритием и оболочки из гелия-3. Последний составляет лишь 10-15 % от массы топливной гранулы, но, собственно, и является топливом. Гелия-3 в избытке на Луне, а дейтерий широко используется в атомной промышленности. Дейтериевое ядро служит детонатором для зажигания реакции синтеза и провоцирует мощную реакцию с выбросом реактивной плазменной струи, которая управляется мощным магнитным полем. Основная молибденовая камера сгорания двигателя Дедала должна была иметь вес более 218 тонн, камера второй ступени – 25 тонн. Магнитные сверхпроводящие катушки тоже под стать огромному реактору: первая весом 124,7 т, а вторая - 43,6 т. Для сравнения: сухая масса шаттла менее 100 т.
Полет Дедала планировался двухэтапным: двигатель первой ступени должен был проработать более 2 лет и сжечь 16 млн топливных гранул. После отделения первой ступени почти два года работал двигатель второй ступени. Таким образом, за 3,81 года непрерывного ускорения Дедал достиг бы максимальной скорости в 12,2% скорости света. Расстояние до звезды Барнарда (5,96 световых лет) такой корабль преодолеет за 50 лет и сможет, пролетая сквозь далекую звездную систему, передать по радиосвязи на Землю результаты своих наблюдений. Таким образом, вся миссия займет около 56 лет.
Несмотря на большие сложности с обеспечением надежности многочисленных систем Дедала и его огромной стоимостью, этот проект реализуем на современном уровне технологий. Более того, в 2009 году команда энтузиастов возродила работу над проектом термоядерного корабля. В настоящее время проект Икар включает 20 научных тем по теоретической разработке систем и материалов межзвездного корабля.
Таким образом, уже сегодня возможны беспилотные межзвездные полеты на расстояние до 10 световых лет, которые займут около 100 лет полета плюс время на путешествие радиосигнала обратно на Землю. В этот радиус укладываются звездные системы Альфа Центавра, Звезда Барнарда, Сириус, Эпсилон Эридана, UV Кита, Росс 154 и 248, CN Льва, WISE 1541-2250. Как видим, рядом с Землей достаточно объектов для изучения с помощью беспилотных миссий. Но если роботы найдут что-то действительно необычное и уникальное, например, сложную биосферу? Сможет ли отправиться к далеким планетам экспедиция с участием людей?
Полет длинною в жизнь
Если беспилотный корабль мы можем начинать строить уже сегодня, то с пилотируемым дело обстоит сложнее. Прежде всего остро стоит вопрос времени полета. Возьмем ту же звезду Барнарда. К пилотируемому полету космонавтов придется готовить со школьной скамьи, поскольку даже если старт с Земли состоится в их 20-летие, то цели полета корабль достигнет к 70-летию или даже 100-летию (учитывая необходимость торможения, в котором нет нужды в беспилотном полете). Подбор экипажа в юношеском возрасте чреват психологической несовместимостью и межличностными конфликтами, а возраст в 100 не дает надежду на плодотворную работу на поверхности планеты и на возвращение домой.
Однако есть ли смысл возвращаться? Многочисленные исследования НАСА приводят к неутешительному выводу: длительное пребывание в невесомости необратимо разрушит здоровье космонавтов. Так, работа профессора биологии Роберта Фиттса с космонавтами МКС показывает, что даже несмотря на активные физические упражнения на борту космического корабля, после трехлетней миссии на Марс крупные мышцы, например икроножные, станут на 50% слабее. Аналогично снижается и минеральная плотность костной ткани. В результате трудоспособность и выживаемость в экстремальных ситуациях уменьшается в разы, а период адаптации к нормальной силе тяжести составит не менее года. Полет же в невесомости на протяжении десятков лет поставит под вопрос сами жизни космонавтов. Возможно, человеческий организм сможет восстановиться, например, в процессе торможения с постепенно нарастающей гравитацией. Однако риск гибели все равно слишком высок и требует радикального решения.
Тор Стенфорда – колоссальное сооружение с целыми городами внутри вращающегося обода.
К сожалению, решить проблему невесомости на межзвездном корабле не так просто. Доступная нам возможность создания искусственной силы тяжести при помощи вращения жилого модуля имеет ряд сложностей. Чтобы создать земную гравитацию, даже колесо диаметром 200 м придется вращать со скоростью 3 оборота в минуту. При таком быстром вращении сила Кариолиса будет создавать совершенно непереносимые для вестибулярного аппарата человека нагрузки, вызывая тошноту и острые приступы морской болезни. Единственное решение этой проблемы - Тор Стенфорда, разработанный учеными Стенфордского университета в 1975 году. Это - огромное кольцо диаметром 1,8 км, в котором могли бы жить 10 тыс. космонавтов. Благодаря своим размерам оно обеспечивает силу тяжести на уровне 0.9-1,0 g и вполне комфортное проживание людей. Однако даже на скорости вращения ниже, чем один оборот в минуту, люди все равно будут испытывать легкий, но ощутимый дискомфорт. При этом если подобный гигантский жилой отсек будет построен, даже небольшие сдвиги в развесовке тора повлияют на скорость вращения и вызовут колебания всей конструкции.
Сложной остается и проблема радиации. Даже вблизи Земли (на борту МКС) космонавты находятся не более полугода из-за опасности радиационного облучения. Межпланетный корабль придется оснастить тяжелой защитой, но и при этом остается вопрос влияния радиации на организм человека. В частности, на риск онкологических заболеваний, развитие которых в невесомости практически не изучено. В начале этого года ученый Красимир Иванов из Германского аэрокосмического центра в Кельне опубликовал результаты интересного исследования поведения клеток меланомы (самой опасной формы рака кожи) в невесомости. По сравнению с раковыми клетками, выращенными при нормальной силе тяжести, клетки, проведшие в невесомости 6 и 24 часа, менее склонны к метастазам. Это вроде бы хорошая новость, но только на первый взгляд. Дело в том, что такой «космический» рак способен находиться в состоянии покоя десятилетия, и неожиданно масштабно распространяться при нарушении работы иммунной системы. Кроме этого, исследование дает понять, что мы еще мало знаем о реакции человеческого организма на длительное пребывание в космосе. Сегодня космонавты, здоровые сильные люди, проводят там слишком мало времени, чтобы переносить их опыт на длительный межзвездный перелет.
В любом случае корабль на 10 тыс. человек – сомнительная затея. Для создания надежной экосистемы для такого числа людей нужно огромное количество растений, 60 тыс. кур, 30 тыс. кроликов и стадо крупного рогатого скота. Только это может обеспечить диету на уровне 2400 калорий в день. Однако все эксперименты по созданию таких замкнутых экосистем неизменно заканчиваются провалом. Так, в ходе крупнейшего эксперимента «Биосфера-2» компании Space Biosphere Ventures была построена сеть герметичных зданий общей площадью 1,5 га с 3 тыс. видами растений и животных. Вся экосистема должна была стать самоподдерживающейся маленькой «планетой», в которой жили 8 человек. Эксперимент длился 2 года, но уже после нескольких недель начались серьезные проблемы: микроорганизмы и насекомые стали неконтролируемо размножаться, потребляя кислород и растения в слишком больших количествах, также оказалось, что без ветра растения стали слишком хрупкими. В результате локальной экологической катастрофы люди начали терять вес, количество кислорода снизилось с 21% до 15%, и ученым пришлось нарушить условия эксперимента и поставлять восьмерым «космонавтам» кислород и продукты.
Таким образом, создание сложных экосистем представляется ошибочным и опасным путем обеспечения экипажа межзвездного корабля кислородом и питанием. Для решения этой проблемы понадобятся специально сконструированные организмы с измененными генами, способные питаться светом, отходами и простыми веществами. Например, большие современные цеха по производству пищевой водоросли хлореллы могут производить до 40 т суспензии в сутки. Один полностью автономный биореактор весом несколько тонн может производить до 300 л суспензии хлореллы в сутки, чего достаточно для питания экипажа в несколько десятков человек. Генетически модифицированная хлорелла могла бы не только удовлетворять потребности экипажа в питательных веществах, но и перерабатывать отходы, включая углекислый газ. Сегодня процесс генетического инжиниринга микроводорослей стал обычным делом, и существуют многочисленные образцы, разработанные для очистки сточных вод, выработки биотоплива и т.д.
Замороженный сон
Практически все вышеперечисленные проблемы пилотируемого межзвездного полета могла бы решить одна очень перспективная технология – анабиоз или как его еще называют криостазис. Анабиоз - это замедление процессов жизнедеятельности человека как минимум в несколько раз. Если удастся погрузить человека в такую искусственную летаргию, замедляющую обмен веществ в 10 раз, то за 100-летний полет он постареет во сне всего на 10 лет. При этом облегчается решение проблем питания, снабжения кислородом, психических расстройств, разрушения организма в результате воздействия невесомости. Кроме того, защитить отсек с анабиозными камерами от микрометеоритов и радиации проще, чем обитаемую зону большого объема.
К сожалению, замедление процессов жизнедеятельности человека – это чрезвычайно сложная задача. Но в природе существуют организмы, способные впадать в спячку и увеличивать продолжительность своей жизни в сотни раз. Например, небольшая ящерица под названием сибирский углозуб способна впадать в спячку в тяжелые времена и десятилетиями оставаться в живых, даже будучи вмороженной в глыбу льда с температурой минус 35-40°С. Известны случаи, когда углозубы проводили в спячке около 100 лет и, как ни в чем не бывало, оттаивали и убегали от удивленных исследователей. При этом обычная «непрерывная» продолжительность жизни ящерицы не превышает 13 лет. Удивительная способность углозуба объясняется тем, что его печень синтезирует большое количество глицерина, почти 40 % от веса тела, что защищает клетки от низких температур.
Главное препятствие для погружения человека в криостазис – вода, из которой на 70% состоит наше тело. При замерзании она превращается в кристаллики льда, увеличиваясь в объеме на 10%, из-за чего разрывается клеточная мембрана. Кроме того, по мере замерзания растворенные внутри клетки вещества мигрируют в оставшуюся воду, нарушая внутриклеточные ионообменные процессы, а также организацию белков и других межклеточных структур. В общем, разрушение клеток во время замерзания делают невозможным возвращение человека к жизни.
Однако существует перспективный путь решения этой проблемы - клатратные гидраты. Они были обнаружены в далеком 1810 году, когда британский ученый сэр Хэмфри Дэви подал в воду хлор под высоким давлением и стал свидетелем образования твердых структур. Это и были клатратные гидраты – одна из форм водяного льда, в который включен посторонний газ. В отличие от кристаллов льда, клатратные решетки менее твердые, не имеют острых граней, зато имеют полости, в которые могут «спрятаться» внутриклеточные вещества. Технология клатратного анабиоза была бы проста: инертный газ, например, ксенон или аргон, температура чуть ниже нуля, и клеточный метаболизм начинает постепенно замедляться, пока человек не впадает в криостазис. К сожалению, для образования клатратных гидратов требуется высокое давление (около 8 атмосфер) и весьма высокая концентрация газа, растворенного в воде. Как создать такие условия в живом организме, пока неизвестно, хотя некоторые успехи в этой области есть. Так, клатраты способны защитить ткани сердечной мышцы от разрушения митохондрий даже при криогенных температурах (ниже 100 градусов Цельсия), а также предотвратить повреждение клеточных мембран. Об экспериментах по клатратному анабиозу на людях речь пока не идет, поскольку коммерческий спрос на технологии криостазиса невелик и исследования на эту тему проводятся в основном небольшими компаниями, предлагающими услуги по заморозке тел умерших.
Полет на водороде
В 1960 году физик Роберт Бассард предложил оригинальную концепцию прямоточного термоядерного двигателя, который решает многие проблемы межзвездного перелета. Суть заключается в использовании водорода и межзвездной пыли, присутствующих в космическом пространстве. Космический корабль с таким двигателем сначала разгоняется на собственном горючем, а затем разворачивает огромную, диаметром тысячи километров воронку магнитного поля, которое захватывает водород из космического пространства. Этот водород используется в качестве неисчерпаемого источника топлива для термоядерного ракетного двигателя.
Применение двигателя Бассарда сулит огромные преимущества. Прежде всего за счет «дармового» топлива есть возможность двигаться с постоянным ускорением в 1 g, а значит - отпадают все проблемы, связанные с невесомостью. Кроме того двигатель позволяет разогнаться до огромной скорости - в 50% от скорости света и даже больше. Теоретически, двигаясь с ускорением в 1 g, расстояние в 10 световых лет корабль с двигателем Бассарда может преодолеть примерно за 12 земных лет, причем для экипажа из-за релятивистских эффектов прошло бы всего 5 лет корабельного времени.
К сожалению, на пути создания корабля с двигателем Бассарда стоит ряд серьезных проблем, которые нельзя решить на современном уровне технологий. Прежде всего необходимо создать гигантскую и надежную ловушку для водорода, генерирующую магнитные поля гигантской силы. При этом она должна обеспечивать минимальные потери и эффективную транспортировку водорода в термоядерный реактор. Сам процесс термоядерной реакции превращения четырех атомов водорода в атом гелия, предложенный Бассардом, вызывает немало вопросов. Дело в том, что эта простейшая реакция трудноосуществима в прямоточном реакторе, поскольку она слишком медленно идет и, в принципе, возможна только внутри звезд.
Однако прогресс в изучении термоядерного синтеза позволяет надеяться, что проблема может быть решена, например, использованием «экзотических» изотопов и антиматерии в качестве катализатора реакции.
Пока изыскания на тему двигателя Бассарда лежат исключительно в теоретической плоскости. Необходимы расчеты, базирующиеся на реальных технологиях. Прежде всего, нужно разработать двигатель, способный произвести энергию, достаточную для питания магнитной ловушки и поддержания термоядерной реакции, производства антиматерии и преодоления сопротивления межзвездной среды, которая будет тормозить огромный электромагнитный «парус».
Антиматерия в помощь
Возможно, это звучит странно, но сегодня человечество ближе к созданию двигателя, работающего на антиматерии, чем к интуитивно понятному и простому на первый взгляд прямоточному двигателю Бассарда.
Зонд разработки Hbar Technologies будет иметь тонкий парус из углеродного волокна, покрытого ураном 238. Врезаясь в парус, антиводород будет аннигилировать и создавать реактивную тягу.
В результате аннигиляции водорода и антиводорода образуется мощный поток фотонов, скорость истечения которого достигает максимума для ракетного двигателя, т.е. скорости света. Это идеальный показатель, который позволяет добиться очень высоких околосветовых скоростей полета космического корабля с фотонным двигателем. К сожалению, применить антиматерию в качестве ракетного топлива очень непросто, поскольку во время аннигиляции происходят вспышки мощнейшего гамма-излучения, которое убьет космонавтов. Также пока не существует технологий хранения большого количества антивещества, да и сам факт накопления тонн антиматерии, даже в космосе далеко от Земли, является серьезной угрозой, поскольку аннигиляция даже одного килограмма антиматерии эквивалентна ядерному взрыву мощностью 43 мегатонны (взрыв такой силы способен превратить в пустыню треть территории США). Стоимость антивещества является еще одним фактором, осложняющим межзвездный полет на фотонной тяге. Современные технологии производства антивещества позволяют изготовить один грамм антиводорода по цене в десяток триллионов долларов.
Однако большие проекты по исследованию антиматерии приносят свои плоды. В настоящее время созданы специальные хранилища позитронов, «магнитные бутылки», представляющие собой охлажденные жидким гелием емкости со стенками из магнитных полей. В июне этого года ученым ЦЕРНа удалось сохранить атомы антиводорода в течение 2000 секунд. В Университете Калифорнии (США) строится крупнейшее в мире хранилище антивещества, в котором можно будет накапливать более триллиона позитронов. Одной из целей ученых Калифорнийского университета является создание переносных емкостей для антивещества, которые можно использовать в научных целях вдали от больших ускорителей. Этот проект пользуется поддержкой Пентагона, который заинтересован в военном применении антиматерии, так что крупнейший в мире массив магнитных бутылок вряд ли будет ощущать недостаток финансирования.
Современные ускорители смогут произвести один грамм антиводорода за несколько сотен лет. Это очень долго, поэтому единственный выход: разработать новую технологию производства антиматерии или объединить усилия всех стран нашей планеты. Но даже в этом случае при современных технологиях нечего и мечтать о производстве десятков тонн антиматерии для межзвездного пилотируемого полета.
Однако все не так уж печально. Специалисты НАСА разработали несколько проектов космических аппаратов, которые могли бы отправиться в глубокий космос, имея всего один микрограмм антивещества. В НАСА полагают, что совершенствование оборудования позволит производить антипротоны по цене примерно 5 млрд долл. за 1 грамм.
Американская компания Hbar Technologies при поддержке НАСА разрабатывает концепцию беспилотных зондов, приводимых в движение двигателем, работающем на антиводороде. Первой целью этого проекта является создание беспилотного космического аппарата, который смог бы менее чем за 10 лет долететь к поясу Койпера на окраине Солнечной системы. Сегодня долететь в такие удаленные точки за 5-7 лет невозможно, в частности, зонд НАСА New Horizons пролетит сквозь пояс Койпера через 15 лет после запуска.
Зонд, преодолевающий расстояние в 250 а.е. за 10 лет, будет очень маленьким, с полезной нагрузкой всего 10 мг, но ему и антиводорода потребуется немного – 30 мг. Теватрон выработает такое количество за несколько десятилетий, и ученые смогли бы протестировать концепцию нового двигателя в ходе реальной космической миссии.
Предварительные расчеты также показывают, что подобным образом можно отправить небольшой зонд к Альфе Центавра. На одном грамме антиводорода он долетит к далекой звезде за 40 лет.
Может показаться, что все вышеописанное - фантастика и не имеет отношения к ближайшему будущему. К счастью, это не так. Пока внимание общественности приковано к мировым кризисам, провалам поп-звезд и прочим актуальным событиям, остаются в тени эпохальные инициативы. Космическое агентство НАСА запустило грандиозный проект 100 Year Starship, который предполагает поэтапное и многолетнее создание научного и технологического фундамента для межпланетных и межзвездных полетов. Эта программа не имеет аналогов в истории человечества и должна привлечь ученых, инженеров и энтузиастов других профессий со всего мира. С 30 сентября по 2 октября 2011 года в Орландо (штат Флорида) состоится симпозиум, на котором будут обсуждаться различные технологии космических полетов. На основании результатов таких мероприятий специалисты НАСА будут разрабатывать бизнес-план по оказанию помощи определенным отраслям и компаниям, которые разрабатывают пока отсутствующие, но необходимые для будущего межзвездного перелета технологии. Если амбициозная программа НАСА увенчается успехом, уже через 100 лет человечество будет способно построить межзвездный корабль, а по Солнечной системе мы будем перемещаться с такой же легкостью, как сегодня перелетаем с материка на материк.