moris_levran (moris_levran) wrote,
moris_levran
moris_levran

Category:

Пять с половиной дней до Плутона

Оригинал взят у alex_anpilogov в Пять с половиной дней до Плутона


Наверное, я бы хотел жить в мире, в котором такой вот диалог не казался бы разговором двух пациентов в доме для сумасшедших:

«Однажды я сказал отцу:
— Папа, я хочу на Луну.
— Пожалуйста, — ответил он и снова уткнулся в книгу.»


Это — начало замечательной повести Роберта Хайнлайна «Имею скафандр — готов путешествовать».

Однако, как оказалось впоследствии, одного лишь скафандра и жгучего желания путешествовать по космосу категорически недостаточно, чтобы начать реальное путешествие.


Сегодня весь мир (зачёркнуто)....
Сегодня учёные, мечтатели, романтики и гики всей Земли с напряжением следят за миссией зонда «Новые Горизонты» (New Horizons) к Плутону.
Пройдёт всего лишь ещё одна неделя — и «Новые горизонты» пролетят ближе, чем в 20 000 километров от Плутона, собрав за время своего пролёта более 1,5 гигабайта научных данных, включая и цветные снимки поверхности Плутона и его спутников.
За миссией «Новых Горизонтов» можно следить здесь, где появляются и все новые снимки Плутона и новости о самом аппарате.
На сегодняшний день самая удалённая планета Солнечной системы, недавно «разжалованая» до статуса «малой планеты» из настоящей, представляется в виде мутноватой картинки:





Это лучшее из того, что есть у человечества на сегодняшний момент — всё-таки «Новые Горизонты» на момент этих снимков находились ещё в более, чем 12 миллионах километров от Плутона, стремительно к нему приближаясь.
Лучших снимков пока нет, так как станция заставила поволноваться своих создателей, внезапно перейдя в «спящий» режим в прошлую субботу.
Если верить информации НАСА, то к утру среды ситуацию с «Новыми Горизонтами» удалось взять под контроль и, если эксцессы с ними не повторятся, пролёт мимо Плутона пройдёт в штатном режиме.

Ситуацию с обузданием непокорной станции, которая продлилась с субботы по вечер вторника осложняло ещё и то обстоятельство, что Плутон — отнюдь не Луна и даже не Марс. Даже радиосигналу с Земли, который летит к станции со скоростью света, надо почти что 9 часов, чтобы достичь адресата. В итоге, общение со станцией «Новые Горизонты» выглядит скорее, как обмен письмами по обычной почте или посылку древних телеграмм с центрального почтампта, нежели общение в Скайпе или по электронной почте.

Сам же полёт «Новых Горизонтов», который стартовал с рекордной скоростью в 16,26 км/с относительно Земли и сейчас по-прежнему движется со скоростью в 14,5 км/c (или более 40 км/c относительно Солнца) продолжается вот уже девять лет, начиная с 2006 года.


Пока что это всего лишь рисунок. Но вскорости мы увидим, как Плутон выглядит вблизи. Через девять лет полёта.

Но — насколько велика наша Сол-система, задумайся мы о ней в параметрах мира, описанного в «Имею скафандр — готов путешествовать»?

Дам слово самому Хайнлайну. Тем более, что герой его романа тоже попал на Плутон и собирался вернуться на родную ему Землю.

«... Это напомнило мне, что я так и не озаботился вычислением, сколько времени уйдёт на возвращение домой на Землю с Плутона на одном g, если я вдруг не смогу настроить автоматическое пилотирование на восьми. Конечно, куда больше меня волновал побег из камеры, я даже не задумывался о том, что я буду делать если (поправка - когда!) выберусь, но мог подумать о баллистике уже сейчас.

Книги мне не требовались. Я встречал людей, которые не способны отличить звезду от планеты и думают, что астрономические дистанции достаточно охарактеризовать как "большие". Ну, что-то вроде дикарского исчисления "один, два, три, много". Но хороший скаут знает основные факты, а такой помешанный на космосе как я - и кое-что ещё.

"Мама Варит Земляничный Морс А Юный Сын Уже Не Плачет". Не забудете, если повторите несколько раз? Тогда распишем подробно:


Мама МЕРКУРИЙ $.39
Варит ВЕНЕРА $.72
Земляничный ЗЕМЛЯ $1.00
Морс МАРС $1.50
А АСТЕРОИДЫ (в ассортименте)
Юный ЮПИТЕР $5.20
Сын САТУРН $9.50
Уже УРАН $19.00
Не НЕПТУН $30.00
Плачет ПЛУТОН $39.50


(в оригинале "Mother very thoughtfully made a jelly sandwich under no protest.")

"Цены" - расстояние от Солнца в астрономических единицах. Одна астрономическая единица или А.Е. - это расстояние от Земли до Солнца, 93,000,000 миль. Эти маленькие цифры куда проще запомнить, чем безумные миллионы и миллиарды. А долларовые значки я использую потому, что шуршащие бумажки мне по вкусу. Папа считает это прискорбным, но надо же как-то запоминать, что у вас под носом.

Теперь к сути. По таблице от Плутона до Земли тридцать девять с половиной расстояний от Земли до Солнца. Однако, у Плутона и Меркурия орбиты сильно вытянуты. У Плутона расстояние до Солнца изменяется на два миллиарда миль, чокнуться можно. Больше, чем от Солнца до Урана. Плутон даже забирается внутрь орбиты Нептуна, а потом откатывается вдаль и маячит там пару столетий, совершая всего четыре оборота за тысячу лет.

Но в той статье говорилось, что на Плутоне начинается "лето". Значит, сейчас он находится вблизи орбиты Нептуна и будет находиться там до конца моей жизни - если бы я оставался в Кентервилле. Здесь же предсказать, сколько я проживу, трудновато. В общем, получилась круглая сумма - 30 Астрономических Единиц.

Задачки на ускорение проще пареной репы. s=1/2 at2; дистанция равна половине ускорения на квадрат времени. Если бы астрогация этим ограничивалась, любой новичок мог бы пилотировать корабль. Трудности происходят от гравитационных возмущений и всего, что движется одновременно в четырнадцати разных направлениях. Однако я мог пренебречь гравитационными полями и движением планет. При скоростях, доступных кораблям сколопендеров, эти факторы не имеют значения, если не подлетать слишком близко к планетам. Мне всего-то был нужен порядок величины.

Жаль, что нет логарифмической линейки. Папа говорил, что тот, кто не умеет ей пользоваться, не должен допускаться до выборов, как неграмотный. У меня прелесть, а не линейка - K&E 20" Log-log Duplex Decitrig. Двадцатидюймовая, дуплексная, с тригонометрией от углов в радианах. Папа осчастливил меня ей после того, как я освоил десятидюймовую, где все углы в градусах. Целую неделю пришлось сидеть на одной картошке, но папа заявил, что предметы роскоши должны стоять в бюджете на первом месте. Я знал, где сейчас эта линейка. Дома, на моём столе.

Ничего страшного. У меня есть цифры, формула, карандаш и бумага.




Прикинем. Жирный сказал "Плутон", "пять дней" и "восемь g".

Задача из двух частей. Половина времени (и половина дистанции) на разгон, потом разворот и вторую часть полёта - торможение. Полное расстояние использовать нельзя, потому что время возводится в квадрат - функция параболическая. В какой же конфигурации Плутон? В противостоянии? В соединении? В стоянии? Плутон в телескоп не видно, кто помнит, в каком он месте эклиптики? Ну, ладно, среднее расстояние 30 А. Е. - будем танцевать от него. Половина этого расстояния в футах 1/2 x 30 x 93,000,000 x 5280. Восемь g: 8 x 32.2 фута./сек./за секунду. - скорость увеличивается на 258 футов в секунду каждую секунду до момента разворота и с такой же скоростью снижается.

Итак, - 1/2 x 30 x 93,000,000 x 5280 = 1/2 x 8 x 32.2 x t2 - и у вас время половины полёта в секундах. Удваиваем. Делим на 2600 чтобы получить часы, на 24, чтобы получить дни. На линейке задачка решается секунд за сорок, проще, чем налоги подсчитать.

У меня ушёл час на вычисления и столько же на проверку. Потом пришлось считать ещё раз, потому что я забыл умножить на 5280, и на одной стороне оказались футы, а на другой - мили. Арифметика такого не любит. Потом я пересчитал ещё раз, потому что уже ни в чём не был уверен. Всё же, логарифмическая линейка - лучшая штука в мире после девушек.

Наконец получился проверенный ответ. Пять с половиной дней. Я на Плутоне.»


Да, ситуация именно такова. Если у вас есть достаточно мощный и высокоимпульсный двигатель, для того, чтобы постоянно ускоряться, а потом и тормозить с ускорением в 8g, то вы можете быть на Плутоне за срок, меньший недели.
А не ждать девять лет во время долгого полёта вашего автоматического зонда, а потом трястись от того, что в последний момент времени вы потеряли связь со сверхдорогим летательным аппаратом.

Если вам интересно, то та самая «космическая логарифмическая линейка» героя романа «Имею скафандр — готов путешествовать» расположена вот по этой ссылке. Называется она номограммой транзитного времени для Солнечной системы.
Конечно, к звёздам по ней не полетаешь (шкала расстояний заканчивается там на цифре в 10 000 А.Е., что составляет чуть меньше 4% расстояния от Солнца до Альфа Центавра), но представление о масштабах Солнечной системы и о возможностях современных, перспективных и будущих двигателей для космоса эта номограмма вполне себе даёт.

Насколько же мы близки сейчас к заветной мечте «пять с половиной дней — и я на Плутоне»?
Как я уже писал, пока что самым близким приближением к идее космического двигателя является плазменный двигатель VASIMR.
Сочетание высокой удельной тяги и столь же высокого удельного импульса позволяет надеяться на то, что инженерная реализация конструкции VASIMR-а позволит добраться до Марса за срок от 40 до 250 дней, даже опираясь на существующие технологии:


Всё определяется, как и во многих других проектах, мощностью.
Сможем поставить на 100-тонный космический корабль реактор мощностью в 2 мегаватта — и будем лететь на Марс 250 дней.
Запихнём в корабль весом те же 100 тонн реактор с мощностью в 50 мегаватт — и поездка на Марс сократится до 40 дней, за счёт спрямления начальной гомановской траектории до практически прямого пути того самого «факельного корабля», о котором мечтал Хайнлайн и его герой в темнице на Плутоне.
В принципе, даже в существующих моделях, испытанных на Земле, двигатель VASIMR уже делает такие полёты возможными.
Ну а «сорок дней до Марса» на равноускоренном движении на том же VASIMRе — это год до Плутона. С разгоном и с торможением, а не девять лет для пролёта «Новых Горизонтов» до самого удалённого почти-планетного мира Сол-системы. Ведь в космосе нет ограничения скорости и полицейских с радарами: если ты можешь лететь со скоростью в 1000 км/c, то ты будешь лететь с этой скоростью, пока не начнёшь тормозить.

Пока что нас, если честно, останавливает лишь отсутствие в космосе действующих реакторов достаточной мощности и отсутсвие у них необходимого весового совершенства.
Что такое весовое совершенство? А это то самое пресловутое соотношение кВт, которое можно получать от каждого килограмма веса реактора, включая всю его обязательную навеску.

Хорошо ситуация массы инженерных проблем с существующими космическими ядерными реакторами рассмотрена вот в этом обзоре, я же приведу вам ещё одну диаграмму из другого обзора, которая показывает, насколько мы пока ещё далеки от «пяти с половиной дней — и я на Плутоне». И даже от года путешествия до далёкого Плутона.


В космосе не будет «стелс-кораблей». Любой мало-мальски серьзный корабль будет светиться своими пассивными радиаторами и системами капельного охлаждения.

Вот к чему будет устремлены все усилия будущих разработчиков и конструкторов космических кораблей — это обеспечение всё более внушительного КПД космических ядерных реакторов, совершенствование их конструкции и, как следствие, повышение массово-габаритного совершенства этих реакторов.
Все эти задачи неразрывно связаны между собой — нынешние наземные ядерные реакторы, обеспечивая всего около 25% для коэффициента полезного действия, категорически непригодны для будущих задач в космосе. Шутка ли — для создания 50 МВт полезной электрической энергии современный водо-водяной реактор должен рассеять не меньше 75 МВт низкопотенциального, абсолютно паразитного для реактора и космического корабля, теплового потока.

А «успехи» реальных космических реакторов и того скромнее — вершина советского реакторостроения, реактор «Топаз-1» (называемый ещё ТЭУ-5 «Тополь»), который был испытан в конце 1980-х годов на спутниках «Космос-1818» и «Космос-1867» имел следующие параметры:


«Топаз-1», при весе почти что в тонну, обеспечивал генерацию от 5 до 6,6 кВт электрической энергии, при рассеивании до 145 киловатт энергии тепловой. Нетрудно посчитать, что реальный КПД такой ЯЭУ составлял всего 3.3%, а так называемое массовое совершенство реактора, обозначаемое греческой буквой α (альфа) и измеряемое в кг/кВт мощности, составляло всего лишь 980 кг / 5 кВт = 196. О, господи, как же это убого...

Это значение α, равное 196, и является на сегодняшний день лучшим результатом для космических ядерных энергетических установок. Но, к сожалению, этого категорически недостаточно для осуществления мечты о «пяти с половиной дней до Плутона».

Вот график того, что требуется для полёта на Марс с использованием уже существующего VASIMR и перспективных реакторов, которые позволят космонавтам не бояться губительной солнечной радиации:



Как видите, время полёта на Марс зависит не только от мощности будущего реактора, но и от его массово-габаритного совершенства.
Даже α=10, и соответствующее лучшим существующим «земным» реакторам, обеспечит нам только 275 дней до Марса и обратно, если мы сможем собрать с помощью таких технологий реактор мощностью в 10 МВт и запитать им уже существующие VASIMRы.

Ну а амбициозная задача создания реактора с α=2, когда на каждый киловатт электрической мощности реактора он будет «затрачивать» не более 2 килограмм своего собственного веса и которая позволит обеспечивать те самые «сорок дней до Марса и обратно» и избавит космонавтов от опасностей солнечной радиации, является пока что лишь красивой, обоснованной, но не реализованной мечтой.
Скажу лишь, что подобным весовым совершенством обладает активная зона «Топаза-1» весом в 11 кг высокообогащённого урана, которая в реальности обвешана ещё массой вспомогательного оборудования, которое и доводит общую массу реактора до 980 килограмм, снижая одновременно α до 196, что совершенно не подходит для мира «Имею скафандр — готов путешествовать»...

Ну а если вы хотите услышать последние новости о российской «ядерной энергетической установке мегаваттного класса», то у меня нет для вас ничего, кроме вот этого короткого интервью и двух эскизных картинок:


Разрабатываемая ЯЭУ в сборе с радиаторами и системой капельного охлаждения.


Собственно сама «ядерной энергетической установке мегаваттного класса», которая расположена на носу космического буксира на первой схеме. Остальное — система теплоотвода и двигателя.

Конечно, в приведенным интервью меня напрягает многое. И «энергоустановка на замкнутом газовом цикле Брайтона», и «газоохлаждаемый высокотемпературный ядерный реактор» и упоминания о «монокристаллических трубках из жаропрочных сплавов».
Скажу так: ничего из этого в виде доведенной технологии, насколько мне известно, нет и в помине.

Но мечта о «пяти с половиной днях до Плутона» или хотя бы о «сорока днях до Марса» всё-таки обязывает меня верить в то, что всё это будет в железе.
Хотя уважаемый tnenergy, с которым мы пересеклись на моей презентации книги
«Мир на Пике» говорит, что уже не мегаватт, а пока что только 250 кВт.
Всё-таки чертовски сложно быть на переднем крае человечества. Сложно США с их «Новыми Горизонтами», сложно России с ЯЭУ мегаваттного класса, сложно Чангу Диазу с его VASIMRу...
Пять с половиной дней до Плутона. Сегодня у нас в первый раз, у всего человечества те самые «пять с половиной дней до Плутона»...





Tags: Астрономия, Космос, Перепост
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments