До першої зірки. Найшвидші способи дістатися до Альфи Центавра

1. Постановка задачі Чому людство ще не відправило зонди до найближчих зірок? Говорячи зовсім простою...
2. термоядерний Дедал
3. Що б побудувати на МКС?
4. «Ікар»
5. «Тін-тін»
6. Breakthrough Starshot

Постановка задачі

Чому людство ще не відправило зонди до найближчих зірок? Говорячи зовсім простою мовою, відстані між зоряними системами настільки великі, що з тими швидкостями, з якими ми вже вміємо запускати безпілотні апарати, вони будуть летіти десятки тисяч років. Наприклад, якби найшвидший з запущених за межі Сонячної системи апаратів, Вояджер-1, летів до Альфі Центавра, то 4,36 світлових року до мети з поточною швидкістю в 17 км / с він би пролетів приблизно за 77 тисяч років. А якщо ми захочемо долетіти швидше, то зайдемо в обмеження використовуваних ракетних технологій. Припустимо, ми хочемо відправити зонд до Альфі Центавра масою в одну тонну (а це дуже мало) і хочемо, щоб він долетів за 100 років (а це дуже нешвидко). Для цього нам треба його розігнати до 13 000 км / с (всього 0,04 швидкості світла). Цифра не здається страшною, але, якщо ми будемо розганяти зонд за допомогою хімічних двигунів на паливної парі водень / кисень з максимальним з використовуваних зараз питомим імпульсом, то за формулою Ціолковського одного тільки палива, не враховуючи масу двигунів і баків, буде потрібно 4,5 * 101277 кілограм.

Проблема - маса видимого Всесвіту оцінюється в 1054 кг. Тобто нам доведеться приблизно двадцять разів замінювати кожен атом у Всесвіті на всю видиму Всесвіт, щоб отримати таку кількість речовини. Чому так сталося? Справа в тому, що існуючі ракетні двигуни викидають речовину занадто повільно для міжзоряних подорожей. Уявіть, що ви стоїте на скейтборді. Якщо у вас в кишенях тільки тенісні м'ячі, то, кидаючи їх назад, ви далеко не поїдете. Якщо у вас є рушниця, або, ще краще, автомат, то, викидаючи речовина з більшою швидкістю, ви зможете поїхати далі.

Тут я хотів навести приклад з YouTube

Хімічні двигуни дозволили нам вибиратися на орбіту, втрачаючи ~ 97% маси по шляху, дуже задорого злітати на Місяць і запускати невеликі безпілотні апарати до зовнішніх планет Сонячної системи, долітаючи до Плутона всього за 10 років. Але для міжзоряних подорожей нам потрібні інші двигуни, які дозволять викидати речовина більш ефективно, «халявная» тяга вітрила або ще якась хитрість.

Під таку музику, при наявності великих запасів сарказму, цей ролик можна назвати алегорією нинішнього стану космонавтики

атомний Оріон

У 1950-х в США народилася концепція імпульсного атомного взриволета Orion, який повинен був розганятися за рахунок вибуху ядерних бомб за кормою. Спеціальна бомба являла собою спрямований атомний заряд, який повинен був випаровувати вольфрамовий диск, утворюючи хмару високошвидкісний плазми:

lozga

, 2016 рік

Ця хмара повинно було бити по двоступінчастим амортизатора, який би брав на себе імпульс і розганяв би корабель:

, 2016 рік

Була успішно випробувана масштабна модель на звичайній вибухівку, але договір про заборону атомних випробувань 1963 року народження, екологічні проблеми проекту і категоричне неприйняття президентом Кеннеді військового варіанту «Оріона» привели до закриття проекту в районі 1965 року. Парадоксально, але «Оріон» є єдиним міжзоряним кораблем, який може бути побудований на вже існуючих технологіях. За різними розрахунками з різною вагою обладнання та параметрами рухової установки корабель на такий тязі може вкластися в масу менше мільйона тонн, коштувати менше, ніж річний ВВП США і долетіти до сусідньої зірки за термін від сотні до тисячі років, що переводить його з категорії зовсім нездійсненних в категорію можливих для побудови колективними зусиллями людства.

Більш детально почитати про проект і віртуально на ньому політати можна тут .

термоядерний Дедал

Якщо ви пам'ятаєте міф про Дедала та Ікара, то знаєте, що, на відміну від мрійника Ікара, Дедал керівництво з льотної експлуатації крил не порушував і до мети долетів цілком успішно. Звідси зростає і назва проекту міжзоряного зонда, який зміг би дістатися до будь-якої з найближчих зірок за термін, що не перевищує сотню років, використовуючи при цьому існуючі або очікувані в найближчому майбутньому технології. Проект розроблявся Британським міжпланетним товариством з 1973 по 1978 рік, і в результаті вийшов корабель масою всього 54 000 тонн, з яких 500 тонн займала наукова корисне навантаження, а 50 000 тонн - паливо.

lozga

, 2016 рік

Рухова установка зонда повинна була використовувати інерційних термоядерний синтез, один з перспективних напрямків керованого термоядерного синтезу. Паливні пелети з дейтерію і гелію-3 повинні були спалахувати електронними пучками, а що виходить плазма - вилітати через магнітне сопло, створюючи тягу. «Дедал» повинен був летіти в цілому 50 років, з крейсерською швидкістю 36 000 км / с (12% швидкості світла). Розрахунок показує, що від двигуна очікувався питомий імпульс в районі 3 мільйонів секунд, що в тисячу разів більше, ніж у існуючих двигунів. Ефективність двигуна компенсувалася невеликою тягою - два ступені зонда повинні були працювати в загальній складності майже чотири роки, створюючи середнє прискорення 29 см / с або 0,03 g.

, 2016 рік

Другий ступінь представляла собою великий і складний космічний корабель. Для захисту від мікрометеоритів, зіткнення з якими було б небезпечно на швидкості в 12% світловий, попереду розташовувався 50-тонний берилієвий диск. Більші частинки, які б могли пробити диск, повинні були зустрічатися автономними роботами, які летіли б на відстані 200 км перед зондом. Робот повинен був випустити хмару пилу, яке б на такий великій швидкості відхиляла або знищувало небезпечний об'єкт. За диском розташовувалися п'ятиметровий оптичний і двадцятиметровий радіотелескоп. Крім того, «Дедал» повинен був нести автономні зонди, які б скидалися, починаючи за сім років до мети, і розходилися б в сторони. Зонд і автономні апарати повинні були пролетіти через систему-мета, не зупиняючись, і передати зібрану інформацію, використовуючи головний зонд як ретранслятор, а сорокаметрові сопло двигуна - як антену. Ще однією цікавою особливістю були автономні роботи- «доглядачі», які повинні були летіти на головному зонді і ремонтувати його.

Незважаючи на високу рівень опрацювання проекту, оцінка доступності головною технології - двигуна виявилася занадто оптимістичною. Керований термоядерний синтез до сих пір не підкорений людством, і не факт, що двигун на инерциальном синтезі виявиться в підсумку найкращим вибором.

Що б побудувати на МКС?

, 2016 рік

У 1980-х, коли США збиралися будувати свою орбітальну станцію Freedom, народився концепт міжзоряного зонда, який можна було б побудувати на цій станції. Проект Longshot відрізнявся меншими розмірами, ніж «Дедал», і повинен був мати початкову масу 396 тонн (для порівняння, МКС зараз вже важче). Рухова установка була схожа на «Дедал», використовувала той же паливо і так само виходила з необхідності створити двигун в тисячу разів ефективніший, ніж існуючі. Longshot повинен був летіти до Альфі Центавра B 100 років, що дозволяло знизити швидкість втричі щодо «Дедала» і донести до мети приблизно 30 тонн, майже в десять разів більше в відносних числах, ніж «Дедал». Необхідність мінімізувати разгоняемую масу привела до іншого інженерному рішенню - замість двох ступенів Longshot скидав порожні баки.

Як і «Дедал», Longshot зараз чекає винаходи в тисячу разів більш ефективного двигуна.

«Ікар»

Британське міжпланетне суспільство не припинило розробку міжзоряних зондів. Починаючи з 2009 року проект «Ікар» розробляється як нова версія «Дедала» з можливими поліпшеннями на нових технологіях. У деяких джерелах пишуть про закриття в 2011 році, але це невірно - в 2015 році Icarus Interstellar успішно зібрала на Kickstarter $ 22 000 на конференцію Starship Congress. Розробка ще не завершена, тому фінальна конструкція ще не визначилася, але, за наявною інформацією, розробники зберігають опору на двигун на инерциальном термоядерному синтезі.

«Тін-тін»

, 2016 рік

З безлічі інших маловідомих проектів ще хочеться виділити «Тін-Тін», в якому до зірок пропонується відправляти кубсати. У типорозмір 3U (3 кубика 10 × 10 × 10 см) поміщається міжзоряний зонд, який повинен зуміти досягти найближчої зірки за 25 000 років, в три рази швидше, ніж летять зараз «Вояджери» і «Піонери». Термін в 25 000 років складно назвати прийнятним, але зонд базується на вже існуючих технологіях і, як мінімум, може виявитися корисним для вивчення околиць Сонячної системи. Перший кубик, за задумом розробника, буде містити рухову установку на польовому ефекті (FEEP, така вже стоїть на апараті LISA). Дуже невелика тяга двигуна компенсується високим питомим імпульсом. Другий кубик містить радіоізотопний генератор і двигун Стірлінга, які разом виробляють енергію. А третій - корисну наукову навантаження. Також зонд оснащений невеликим сонячним вітрилом, який додає «безкоштовної» швидкості від Сонця і служить як антена.

Breakthrough Starshot

, 2016 рік

Ну і, нарешті, свіжий проект від Мільнера і Хокінга. Лазерна установка гігаватного класу повинна прискорювати однограмовий зонд з прискоренням 20 000 g десять хвилин, щоб він долетів до Альфи Центавра за 20-30 років. Фізичний розбір проблем проекту зроблений в статті «Двійка з фізики Мільнеру з Хокінгом» , Якщо ви її ще не прочитали, обов'язково ознайомтеся. Особисто ж мені не подобається удавана мало не навмисної авантюрність проекту. Навіщо десять хвилин розганяти однограмовий зонд гігаватного лазером з прискоренням 20 000 g, якщо на багато порядків простіше розганяти кілограмовий зонд з прискоренням 1 g мегаватної установкою місяцями, і, якщо треба, роками? Від невеликого прискорення виросте точність наведення, кілограмовий зонд набагато легше зробити, а на тлі тривалості польоту в 30 років час на розгін все одно незрівнянно менше.

В цілому, у мене виникає відчуття, що авантюрних космічних проектів стає більше. Може бути, дарма немає публічного засудження проваленого проекту Mars One? Не здивуюся, якщо через кілька років на проект збірки міжзоряного зонда в гаражі будуть збирати гроші краудфандінгом, поки не дискредитують і космонавтику і краудфандінг. Втім, є ще варіант, що я непомітно для себе став занадто консервативним і помиляюся. Але в цьому випадку я буду тільки радий помилитися.