Kredit gambar: NASA
Seperti semua orang tahu, roket kimia terlalu perlahan untuk penerokaan angkasa lepas. Mungkin yang paling berkesan adalah sistem hibrid, dengan pelbagai jenis penggerak yang digunakan pada titik perjalanan yang berbeza. Artikel ini memberi anda penjelasan mengenai teknologi yang sedang diusahakan NASA.
"Ibu, kita masih di sana?"
Setiap ibu bapa telah mendengar tangisan itu dari tempat duduk belakang kereta. Biasanya bermula kira-kira 15 minit selepas bermulanya perjalanan keluarga. Untungnya kita jarang menempuh perjalanan lebih dari beberapa ratus atau beberapa ribu batu dari rumah.
Tetapi bagaimana jika anda pergi ke, katakanlah, Marikh? Walaupun dengan pendekatan paling dekat dengan Bumi setiap dua tahun, planet merah selalu berada sekurang-kurangnya 35 juta batu jauhnya. Enam bulan di sana dan enam bulan kembali - paling baik.
"Houston, kita masih ada di sana?"
"Roket kimia terlalu perlahan," keluh Les Johnson, pengurus teknologi pengangkutan dalam ruang di Pusat Penerbangan Angkasa Marshall NASA. "Mereka membakar semua bahan bakar mereka pada awal penerbangan dan kemudian kapal angkasa itu hanya menetap di sepanjang jalan." Walaupun kapal angkasa dapat dipercepat dengan bantuan graviti - retakan cakerawala di sekitar planet, seperti di sekitar Saturnus yang melemparkan Voyager 1 ke pinggir sistem suria - masa perjalanan pergi balik antara planet masih diukur dalam beberapa tahun hingga beberapa dekad. Dan perjalanan ke bintang terdekat akan memakan masa berabad-abad jika tidak ribuan tahun.
Lebih buruk lagi, roket kimia tidak terlalu bahan bakar. Fikirkan untuk memandu di alat pemadam gas di seluruh negara tanpa stesen minyak. Anda mesti membawa banyak muatan gas dan tidak banyak yang lain. Dalam misi ruang angkasa, apa yang dapat anda lakukan dalam perjalanan yang bukan bahan bakar (atau tangki untuk bahan bakar) disebut jisim muatan – mis., Orang, sensor, pensampelan, peralatan komunikasi dan makanan. Sama seperti jarak tempuh gas adalah angka manfaat yang baik untuk kecekapan bahan bakar kereta, "pecahan jisim muatan" - nisbah jisim muatan misi dengan jumlah jisimnya - adalah angka manfaat yang berguna untuk kecekapan sistem pendorong.
Dengan roket kimia hari ini, pecahan jisim muatan rendah. "Bahkan menggunakan lintasan tenaga minimum untuk mengirim kru enam orang dari Bumi ke Marikh, dengan roket kimia saja, jumlah jisim pelancaran akan mencapai 1.000 metrik tan - di mana sekitar 90 peratus akan menjadi bahan bakar," kata Bret G. Drake, pengurus analisis dan integrasi pelancaran ruang di Johnson Space Center. Bahan bakarnya sendiri akan mempunyai berat dua kali lebih banyak daripada Stesen Angkasa Antarabangsa yang telah siap.
Satu ekspedisi Mars dengan teknologi penggerak kimia hari ini memerlukan puluhan pelancaran - yang mana kebanyakannya hanya akan melancarkan bahan bakar kimia. Seolah-olah kereta kompak 1 tan anda memerlukan 9 tan petrol untuk memandu dari New York City ke San Francisco kerana rata-rata hanya satu batu per galon.
Dengan kata lain, sistem penggerak berprestasi rendah adalah salah satu sebab utama mengapa manusia belum menjejakkan kaki ke Marikh.
Sistem penggerak yang lebih cekap meningkatkan pecahan jisim muatan dengan memberikan "jarak tempuh gas" yang lebih baik di ruang angkasa. Oleh kerana anda tidak memerlukan banyak bahan pendorong, anda boleh membawa lebih banyak barang, masuk dengan kenderaan yang lebih kecil, dan / atau sampai di sana lebih cepat dan lebih murah. "Mesej utamanya adalah: kita memerlukan teknologi penggerak maju untuk membolehkan misi murah ke Marikh," kata Drake.
Oleh itu, NASA kini mengembangkan pemacu ion, pelayaran suria, dan teknologi pendorong eksotik lain yang selama beberapa dekad telah mendorong manusia ke planet dan bintang lain - tetapi hanya di halaman fiksyen sains.
Dari kura-kura hingga kelinci
Apakah pilihan fakta sains?
NASA berusaha keras dalam dua pendekatan asas. Yang pertama adalah untuk mengembangkan roket baru secara radikal yang mempunyai ekonomi bahan bakar yang lebih besar daripada propulsi kimia. Yang kedua adalah mengembangkan sistem "tanpa propelan" yang digerakkan oleh sumber daya yang banyak dalam ruang kosong.
Semua teknologi ini mempunyai satu ciri utama: mereka mula perlahan, seperti kura-kura pepatah, tetapi lama-kelamaan berubah menjadi kelinci yang benar-benar memenangi perlumbaan ke Marikh – atau di mana sahaja. Mereka bergantung pada kenyataan bahawa percepatan kecil yang berterusan selama berbulan-bulan akhirnya dapat mendorong kapal angkasa jauh lebih cepat daripada satu tendangan awal yang sangat besar diikuti dengan jangka panjang pelayaran.
Di atas: Kapal angkasa berdorong rendah ini (konsep artis) didorong oleh enjin ion dan dikuasakan oleh elektrik suria. Akhirnya kapal itu akan menaikkan kepantasan - hasil daripada pecutan tanpa henti - dan berlumba sepanjang beberapa batu sesaat. Kredit gambar: John Frassanito & Associates, Inc.
Secara teknikal, mereka semua sistem dengan daya dorong rendah (bermaksud anda hampir tidak dapat merasakan pecutan yang sangat lembut, setara dengan berat sehelai kertas yang terletak di telapak tangan anda) tetapi masa operasi yang panjang. Setelah berbulan-bulan berlanjutan dengan pecutan kecil, anda akan terus berjalan sepanjang beberapa batu sesaat! Sebaliknya, sistem penggerak kimia adalah daya tuju tinggi dan masa operasi yang pendek. Anda dihancurkan kembali ke bantal tempat duduk semasa mesin menyala, tetapi hanya sebentar. Selepas itu tangki kosong.
Roket cekap bahan api
"Roket adalah sesuatu yang melemparkan sesuatu ke laut untuk mendorong dirinya ke depan," Johnson menunjukkan. (Tidak percaya definisi itu? Duduk di papan selaju dengan selang tekanan tinggi yang dihalakan satu arah, dan anda akan didorong dengan cara yang berlawanan).
Calon terkemuka untuk roket canggih adalah varian enjin ion. Dalam enjin ion semasa, propelan adalah gas inert yang tidak berwarna, tanpa rasa, tidak berbau, seperti xenon. Gas memenuhi ruang berlengan magnet yang mengalir sinar elektron. Elektron menyerang atom gas, menjatuhkan elektron luar dan mengubah atom neutral menjadi ion bermuatan positif. Kisi elektrik dengan banyak lubang (15,000 dalam versi hari ini) memfokuskan ion ke arah ekzos kapal angkasa. Ion menembak melepasi grid dengan kelajuan lebih dari 100,000 batu per jam (bandingkan dengan kereta lumba Indianapolis 500 dengan kecepatan 225 mph) - mempercepat enjin ke ruang angkasa, sehingga menghasilkan daya tuju.
Dari mana elektrik datang untuk mengionkan gas dan mengecas enjin? Sama ada dari panel solar (apa yang disebut tenaga elektrik solar) atau dari pembelahan atau peleburan (apa yang disebut tenaga elektrik nuklear). Enjin pendorong elektrik suria akan paling berkesan untuk misi robot antara matahari dan Marikh, dan pendorong elektrik nuklear untuk misi robot di luar Marikh di mana cahaya matahari lemah atau untuk misi manusia di mana kelajuan sangat penting.
Pemacu Ion berfungsi. Mereka telah membuktikan keberanian mereka bukan hanya dalam ujian di Bumi, tetapi dalam kapal angkasa yang berfungsi - yang paling terkenal adalah Deep Space 1, misi ujian teknologi kecil yang digerakkan oleh tenaga elektrik solar yang terbang dan mengambil gambar Comet Borrelly pada bulan September, 2001. Pemacu Ion seperti yang mendorong Deep Space 1 kira-kira 10 kali lebih efisien daripada roket kimia.
Sistem bebas propelan
Walau bagaimanapun, sistem penggerak berjisim terendah mungkin adalah sistem yang tidak membawa propelan di dalam kapal. Sebenarnya, mereka juga bukan roket. Sebaliknya, dengan gaya perintis sejati, mereka "hidup di luar darat" - bergantung pada sumber daya alam yang melimpah di ruang angkasa, begitu banyak perintis di masa lalu bergantung pada makanan memerangkap haiwan dan mencari akar dan buah beri di perbatasan.
Dua calon utama adalah layar solar dan layar plasma. Walaupun kesannya serupa, mekanisme operasi sangat berbeza.
Layar suria terdiri dari kawasan gossamer yang sangat besar, bahan yang sangat reflektif yang terbentang di ruang dalam untuk menangkap cahaya dari matahari (atau dari gelombang mikro atau sinar laser dari Bumi). Untuk misi yang sangat bercita-cita tinggi, layar dapat mencapai jarak hingga beberapa kilometer persegi di daerah.
Layar suria memanfaatkan fakta bahawa foton suria, walaupun tidak mempunyai jisim, mempunyai momentum – beberapa mikronewtons (kira-kira berat duit syiling) per meter persegi pada jarak Bumi. Tekanan radiasi lembut ini akan perlahan tetapi pasti mempercepat layar dan muatannya dari matahari, mencapai kelajuan hingga 150,000 batu sejam, atau lebih dari 40 batu sesaat.
Kesalahpahaman yang umum adalah bahawa layar solar menangkap angin suria, aliran elektron dan proton yang bertenaga yang mendidih dari atmosfera luar Matahari. Tidak begitu. Pelayaran solar mendapat momentum dari cahaya matahari itu sendiri. Namun, mungkin untuk memanfaatkan momentum angin suria menggunakan apa yang disebut "layar plasma".
Layar plasma dimodelkan di medan magnet Bumi sendiri. Elektromagnet on-board yang kuat akan mengelilingi kapal angkasa dengan gelembung magnet bersebelahan 15 atau 20 kilometer. Zarah bermuatan berkelajuan tinggi di angin suria akan mendorong gelembung magnetik, sama seperti medan magnet Bumi. Bumi tidak bergerak ketika didorong dengan cara ini - planet kita terlalu besar. Tetapi kapal angkasa secara beransur-ansur dijauhkan dari Matahari. (Bonus tambahan: sama seperti medan magnet Bumi melindungi planet kita dari letupan matahari dan ribut radiasi, begitu juga layar plasma magnetik yang melindungi penghuni kapal angkasa.)
Di atas: Konsep seorang pelukis mengenai ruang angkasa di dalam gelembung magnetik (atau "layar plasma"). Zarah-zarah yang terisi di angin suria memukul gelembung, memberi tekanan, dan mendorong kapal angkasa. [lagi]
Sudah tentu, teknologi bebas propelan yang asli dan dicuba adalah bantuan graviti. Apabila kapal angkasa berayun di planet ini, ia dapat mencuri momentum orbit planet ini. Ini hampir tidak membuat perbezaan dengan planet besar, tetapi ia dapat meningkatkan kecepatan kapal angkasa. Sebagai contoh, ketika Galileo mengayunkan Bumi pada tahun 1990, kelajuan kapal angkasa meningkat 11,620 mph; sementara itu Bumi melambat pada orbitnya dengan jumlah kurang dari 5 bilion satu inci per tahun. Bantuan graviti seperti itu sangat berguna untuk melengkapkan segala bentuk sistem pendorong.
Baiklah, sekarang setelah anda melintasi ruang antara planet, bagaimana anda melambatkan di destinasi anda cukup untuk memasuki orbit tempat letak kereta dan bersiap untuk mendarat? Dengan dorongan kimia, teknik yang biasa dilakukan adalah menembak retrorockets - sekali lagi, memerlukan sejumlah besar bahan bakar di kapal.
Pilihan yang jauh lebih ekonomik dijanjikan oleh aerocapture - mengemudi kapal angkasa dengan geseran dengan atmosfer planet tujuan itu sendiri. Triknya, tentu saja, tidak membiarkan kapal angkasa interplanetari berkelajuan tinggi terbakar. Tetapi para saintis NASA merasakan bahawa, dengan pelindung haba yang dirancang dengan tepat, mungkin banyak misi dapat ditangkap ke orbit mengelilingi planet tujuan dengan hanya satu melewati atmosfera atasnya.
Maju!
"Tidak ada teknologi pendorong tunggal yang akan melakukan segalanya untuk semua orang," Johnson mengingatkan. Sesungguhnya, layar solar dan layar plasma kemungkinan besar berguna terutama untuk mendorong kargo daripada manusia dari Bumi ke Marikh, kerana "terlalu lama teknologi tersebut dapat bertahan untuk melepaskan diri dari kecepatan," tambah Drake.
Walau bagaimanapun, gabungan beberapa teknologi dapat terbukti sangat ekonomik dalam membawa misi berawak ke Mars. Sebenarnya, gabungan dorongan kimia, penggerak ion, dan aerocapture dapat mengurangkan jisim pelancaran misi Mars 6 orang ke bawah 450 metrik tan (hanya memerlukan enam pelancaran) - kecuali separuh yang dapat dicapai dengan penggerak kimia sahaja.
Misi hibrida seperti ini mungkin berjalan seperti ini: Roket kimia, seperti biasa, akan membuat kapal angkasa lepas landas. Setelah berada di orbit Bumi rendah, modul penggerak ion akan menyala, atau pengawal tanah mungkin menggunakan layar solar atau plasma. Selama 6 hingga 12 bulan, kapal angkasa - sementara tanpa pemandu untuk mengelakkan mendedahkan kru kepada dos radiasi yang besar di tali pinggang radiasi Van Allen Bumi - akan berputar, secara beransur-ansur mempercepat hingga ke orbit berlepas Bumi yang terakhir. Anak kapal kemudian dibawa ke kenderaan Mars dengan menaiki teksi berkelajuan tinggi; tahap kimia kecil kemudian akan menendang kenderaan untuk melepaskan diri dari halaju, dan akan menuju ke Marikh.
Semasa Bumi dan Marikh berputar di orbitnya masing-masing, geometri relatif antara kedua planet sentiasa berubah. Walaupun peluang pelancaran ke Mars berlaku setiap 26 bulan, penjajaran optimum untuk perjalanan paling murah dan paling cepat mungkin berlaku setiap 15 tahun - yang berikutnya akan datang pada tahun 2018.
Mungkin pada masa itu kita akan mendapat jawapan yang berbeza untuk pertanyaan, "Houston, apakah kita masih di sana?"
Sumber Asal: Kisah Sains NASA
